变工况下有机朗肯循环发电特性的实验研究*

张永峰，王子龙，黄华杰，钟绍庚

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

0　前　言

随着人们对能源需求的增长和环境保护意识的不断提高，可再生能源和清洁能源技术得到了快速发展，中低温热源的利用也越来越受到重视[1]，中低温热源种类繁多、总量大、分布广泛。有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）是以低沸点的有机物代替水作为工质，回收利用中低品位热能的朗肯动力循环，具有设备简单、环境友好等优点，得到了人们的广泛关注[2]。有机工质在较低的温度下即可获得较高的蒸气压力，更适合中低温余热发电。文献[3-4]的研究表明，选择合适的有机工质并对循环参数进行优化会使 ORC循环比水蒸气朗肯循环有明显的优势。目前对ORC系统的工质选择研究较多，工质选择需综合考虑热力性能和环保性能两个方面[1]。有机朗肯循环研究除工质选择外，膨胀机改造及设计[2,5]也是研究的重点和难题之一。

ORC系统中的循环参数包括蒸发压力、蒸发温度和过热温度都与工质和热源有关，而对于一个设计完成的ORC系统而言，工质不会变，因此系统的循环参数由热源决定。大部分中低温热源并不稳定[6]，如太阳能会随着昼夜更替而周期性变化，且受天气条件影响较大，工业余热受生产工艺和生产调度的影响，内燃机排气余热则由其运行工况决定。实际热源的稳定性会影响ORC系统运行效率，这一特性要求ORC系统可以在大范围工况下安全、稳定、高效运行。

目前，对有机朗肯循环的研究无论是工质选择还是膨胀机设计大多都是以稳定的热源为前提，现有变工况特性研究更多的是关注系统的性能。MANOLAKOS等[7]建立的太阳能驱动ORC反渗透海水淡化系统在阴天和晴天的实际运行效率为0.73%和 1.17%。田华等[8]基于 MATLAB平台构建了变工况特性的ORC工质优选研究模型，可以准确预测不同工质的变工况特性，从循环性能、工况特点、用能端的负荷模式等多个方面为工质的优选提供了科学的指导依据。KIM 等[9]通过改变热源的实际运行参数优化出 ORC系统在全工况范围内的最佳设计条件。文献[10-11]分析了在内燃机变工况下的有机朗肯循环系统性能，得出了有机工质质量流量与内燃机排气能量的对应关系，随着转速和转矩的增加，ORC系统净输出功率逐渐增大。KOSMADAKIS等[12]以电加热器加热水为热源来研究热源变化对 ORC系统在亚临界和超临界状态下的发电特性。王弢等[13]以液化天然气（liquefied natural gas, LNG）冷能为冷源、废热驱动的有机朗肯循环来研究蒸发温度和冷凝温度对系统的影响。余热回收中，ORC机组相对于热源处于被动地位，为了最大程度回收余热，要求ORC系统具有很好的变工况能力和动态响应特性。

本研究基于搭建的10 kW有机朗肯循环发电实验台，以电加热的高温水为系统热源，并通过改变电加热器功率来模拟热源变化对ORC系统的影响，以系统的最大净发电量为目标函数，来研究ORC系统在变工况下的发电特性。

1　ORC发电系统

1.1　发电系统介绍

搭建的ORC低温热源发电系统如图1所示，主要包括热源循环回路、工质循环回路和冷却水循环回路。热源系统主要由电加热水箱、泵和膨胀水箱等组成，采用电加热器加热水来模拟低温热源，通过控制电加热器的功率来调节热源温度。工质回路由板式换热器、膨胀螺杆机、工质泵和管壳式换热器等组成。冷却系统主要包括冷凝器、冷却水泵和冷却塔等。在热源循环中水在水箱中加热后经蒸发器与工质换热，换热后水经高温水泵输送到水箱中加热；在工质循环中，工质从蒸发器中吸热变成高温高压气体进入膨胀机膨胀做功，做功后经冷凝器冷凝成液态然后由工质泵输送到蒸发器继续吸热；在冷却水循环中，水经冷凝器冷凝工质，吸热后的水由泵输送到冷却塔散热，然后进入冷凝器完成循环。每个循环中均布了参数测量点，用以测量实验过程中系统的热力参数。图2为ORC发电机组实物图。

图1　ORC低温发电系统图Fig. 1　ORC low temperature generating system diagram

图2　ORC发电机组实物图Fig. 2　ORC generator set physical map

本试验台设计的净输出电功率为10 kW，动力转化设备为膨胀螺杆机，采用R245fa作为循环工质。R245fa 是美国 Honeywell 公司推出的应用于发泡工业的一种新型不易燃、低压 HFC 制冷剂[14]，化学式为 CHF2CH2CF3，属于等熵流体，在余热回收中处于中压范围，具有较好的性能，该工质比欧洲采用的 HFC 替代物戊烷的温室效应低 15%[15]，其相关物性参数如表1 所示。

表1　R245fa的物性参数Table 1　Physical properties of R245fa

1.2　实验测量仪器与数据采集

ORC发电系统测量仪器主要有温度传感器、压力传感器、流量计和电功率测量仪。温度传感器采用PT-100型铂电阻，测温范围为-200～650℃；流量计采用科隆转子流量计（测量高温水），精度为1.6%，测量范围为25～100 000 L/h，工作介质温度为-80～300℃；压力传感器测量范围为 0～10 MPa。

1.3　实验流程

为研究ORC系统在变工况下的发电特性，本文通过控制电加热器来改变热源的总功率，然后采集不同时间点的参数进行分析。系统在最大热源工况下稳定运行一段时间后开始调节功率（关闭电加热器），待系统达到稳定状态后再打开电加热器，再次使系统达到稳定状态，此热源调节除研究热源对系统参数的影响外还有系统重新达到稳定状态的时间；然后再以10 min为间隔控制电加热器的关开来模拟热源短时间内的变化对ORC系统发电的影响。实验测试时，其他参数分别为高温水流量5.5 m3/h、工质泵频率50 Hz、冷却水温度20.5℃，系统的输出电能直接并入电网。

2　实验原理

ORC系统热力循环过程T-s图如图3所示。在图3中，1—2s表示工质在膨胀机中等熵膨胀过程，1—2为实际膨胀过程；2—4表示工质在冷凝器中等压冷凝过程；4—5s表示工质在泵中等熵压缩过程，4—5为实际加压过程，在此过程中工质被压缩到设定的工作压力；5—1表示工质在蒸发器中等压吸热过程，增压后的工质吸收高温热源的能量变成饱和或过热蒸气。

图3　有机朗肯循环的温熵图Fig. 3　Tephigram of the organic Rankine cycle

根据温度和压力传感器测量的数据，通过NIST研发的有机物物性查询软件REFPROP 9.0计算不同工况时有机工质的焓、熵等热力学参数值。

工质定压吸热过程中，工质在蒸发器中的吸热量为：

工质等熵膨胀过程中，工质在膨胀机中对外输出的膨胀功为：

当有机工质等熵膨胀时，理论输出功为：

工质定压放热过程中，工质在冷凝器中的放热量为：

工质绝热压缩过程中，泵消耗的功为：

膨胀机前后压比为：

膨胀机的等熵效率为：

高温水在蒸发器中放热量为：

系统的发电效率为：

3　结果分析与讨论

3.1　热源温度变化对膨胀螺杆机的影响

图4为热源温度变化对入口工质参数的影响，0～20 min是电加热器全开时的稳定状态，此时入口工质的温度压力为88.9℃、856 kPa，净发电功率为7.8 kW。由图可知在20 min、60 min时电加热器分别处于关、开状态。20～95 min时，膨胀螺杆机的进口温度由89℃降到85.7℃再升到88℃，变化率分别为3.7%和2.7%；压力则由856 kPa降到802 kPa再升到840 kPa，变化率分别为6.3%和4.7%。这是由于20 min时电加热器关闭热源温度下降，工质的吸热量减少导致温度和压力均降低；60 min时系统达到稳定电加热器打开，热源温度升高，工质吸热量增加使温度和压力升高。由图可知工质温度和压力下降的速率要高于升高的速率，说明工质参数对热源温度降低的响应速度比对热源温度升高的响应速度要快。95～115 min则是短时间内热源变化对工质参数的影响，温度和压力的变化率为0.7%、2.7%，稳定状态下为0.8%、2.7%，两种工况下的变化趋势基本一致。这说明短时间内热源变化对工质影响较小。

图4　入口工质的参数随时间的变化Fig. 4　Changes in the parameters of the inlet working fluid with time

图5为热源温度变化对膨胀螺杆机压比及等熵效率的影响。20～95 min压比由3.96减小到3.83再增加到 3.91，等熵效率也是先减后增，变化范围是41.42%～43.32%；85～105 min压比和等熵效率也在上述范围内波动。冷源温度不变时，热源温度降低蒸发压力降低，冷凝压力基本不变因此压比减小；同理，热源温度升高压比升高。热源温度降低对压比和等熵效率的影响要比热源温度升高要大，尤其是降低的开始时间段。但压比和等熵效率整体上波动较小，说明在此波动范围内膨胀螺杆机仍然能够稳定运行。

图5　压比和等熵效率随时间的变化Fig. 5　Changes of pressure ratio and isentropic efficiency with time

3.2　热源温度变化对系统的影响

图6为净发电功率和发电效率随时间的变化情况。由图可知，系统在60 min、95 min时达到稳定状态。20～95 min净发电功率由7.8 kW降到6.9 kW再升到7.5 kW，变化分别为0.9 kW、11.5%和0.6 kW、8.7%。加热器关闭后的 5 min，净发电功率减小了0.4 kW、5.1%，10 min减小了0.6 kW、7.7%；加热器打开后的5 min，净发电功率增加了0.2 kW、2.9%，此后每5 min的功率增长基本保持在0.1 kW直到稳定。系统净发电功率对热源温度减小的响应速度较快，且主要集中在热源热量改变后的10 min内，由图知发电效率由8.7%降到8.26%，再升到8.75%。在理想朗肯循环中冷源温度不变时，热源温度越高效率越高，反之越低。发电效率在加热器关闭后会升高，这是由于电加热器关闭后水温降速较大，由于温度的传递效应，使水与工质的温度变化不完全同步，水温变化与净发电功率变化有一个时间差，才会出现热源温度减小而效率增大的现象。85～105 min净发电功率由7.5 kW降到7.1 kW又升到7.5 kW，变化率为5.3%；发电效率分别为8.72%、8.44%、8.72%，波动为0.5%，说明系统在热源热量变化12%的条件下运行状况良好。

图6　净发电功率和发电效率随时间的变化Fig. 6　Changes of net power and efficiency with time

4　结　论

建立以R245fa为工质的有机朗肯循环发电系统用以回收利用低温热源，采用电加热器加热水模拟低温热源并通过改变12%的热源热量来模拟变工况下ORC系统运行状况。通过实验数据研究分析得到以下结论。

（1）热源功率是影响工质运行温度和压力的一个重要因素，系统净发电量、工质的温度和压力与热源功率正相关。对于一个稳定运行的ORC系统，系统净发电量和工质参数对热源温度降低的响应速度比热源温度升高要快，尤其是热源温度减小后的10 min内。

（2）在热源温度先降低后升高的情况下，系统达到稳定状态的时间为35～45 min，系统净发电功率由7.8 kW降到6.9 kW再回升到7.5 kW，变化分别为0.9 kW、11.5%和0.6 kW、8.7%；发电效率分别为8.7%、8.26%、8.72%。

（3）在以10 min为时间间隔的热源温度先降后升的过程中，系统净发电功率由7.5 kW降到7.1 kW再回升到7.5 kW，变化为0.4 kW和5.3%；发电效率分别为8.72%、8.44%、8.72%。

（4）在热源热量变化12%的情况下，系统达到稳定状态的时间很短，在该时间段内膨胀螺杆机和系统仍能稳定运行。

符号表：

mwf工质流量，kg/s

Qevap工质在蒸发器中的吸热量，kW

Wexp实际输出功，kW

Wexp,s理论输出功，kW

P1,P2膨胀机的进、出压力，kPa

γp压比

ηs,exp膨胀机的等熵效率，%

mw高温水流量，kg/s

TiTn,out蒸发器的进、出口水温，K

Wele净发电功率，kW

ηele发电效率，%