廢熱源驅(qū)動的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)夏冬季節(jié)性能比較

1、廢熱源驅(qū)動的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)夏冬季節(jié)性能比較魏東紅 陸震 魯雪生 顧建明 摘要： 比較了廢熱源驅(qū)動的有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)在夏冬季節(jié)的性能變化，循環(huán)工質(zhì)為HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）。在回收利用微型燃?xì)廨啓C排放廢熱的 方法 中，ORC系統(tǒng)具有良好的機動性、高度的安全性、對于維護保養(yǎng)的要求比較低等優(yōu)點。對于空氣冷卻的ORC系統(tǒng)，由于夏冬季節(jié)環(huán)境溫度的差異，其性能有很大的差別，對于所 研究 的系統(tǒng)輸出功偏離額定工況達30 % 以上。根據(jù)各地的實際情況，合理選擇額定工況點，使系統(tǒng)四季均工作在額定工況點周圍，有助于有效、穩(wěn)定的工作。同時，由于夏季循環(huán)的平均溫度與環(huán)境間的溫差減

2、小，使系統(tǒng)總不可逆 損失減小，即系統(tǒng)對廢熱的利用更加充分。 關(guān)鍵詞： 廢熱 朗肯循環(huán) 系統(tǒng)性能 1 前言 我國雖然是個能源大國，但是能源的人均占有量非常低，且能源的利用率也不高。隨著 經(jīng)濟 的不斷 發(fā)展 ，能源的生產(chǎn)和消費、能源與環(huán)境之間的矛盾不斷增大。如何提高能源的利用率，減小能源對環(huán)境的污染越來越引起 社會 的廣泛關(guān)注。大多數(shù) 工業(yè) 過程或電廠排放大量的煙氣，溫度一般低于370。如果直接排放到空氣中，大量的熱能被浪費掉且會造成環(huán)境的熱污染；如果以傳統(tǒng)的方式加以回收，其經(jīng)濟效益又非常有限。有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)具有良好的機動性、高度的安全性及對于維護保養(yǎng)的要求比較低等優(yōu)點。將其整合到能源

3、系統(tǒng)，即以煙氣余熱驅(qū)動有機朗肯循環(huán)發(fā)電，可以實現(xiàn)用低品位能源(廢熱)提供高品位能源(電能)，減輕電力負(fù)擔(dān)，提高總的發(fā)電效率及發(fā)電量，在相同輸出的條件下，減少了二氧化碳等污染物的排放，有利于環(huán)境保護 1 。根據(jù)需要，經(jīng)過有機朗肯循環(huán)利用后的廢氣還可以用來驅(qū)動吸收式制冷機制冷，進一步提高系統(tǒng)的能源利用率。有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)的工作狀況主要取決于以下兩個因素：循環(huán)工作條件及工質(zhì)熱力性能。循環(huán)工作條件取決于熱源。工質(zhì)的熱力性能在選取工質(zhì)時應(yīng)充分考慮。根據(jù)飽和蒸汽曲線的斜率，工質(zhì)可分為三種：(1)斜率為負(fù)的濕流體，大多為低分子量工質(zhì)，如水、氨，它們的等熵膨脹一般會產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象；(2)斜率為正的干流

4、體，大多為高分子量流體，如CFC-113及苯等；(3)具有近乎垂直的飽和蒸汽曲線的等熵流體，如CFC-11、HCFC-134a等。干流體及等熵流體在飽和蒸汽狀態(tài)下，即可推動渦輪機做功，且不會使得狀態(tài)點落到變相飽和區(qū)內(nèi)，造成液滴侵蝕渦輪機葉片的情形。一般來說，干流體適于較高的工作溫度，等熵流體則在低溫區(qū)中有較佳表現(xiàn) 2 。據(jù)Tzu-Chen Hung 1 報道對二甲苯（p-xylene）適合于回收溫度在300 左右的高溫廢熱，而R113和R123在回收200 的低溫廢熱時有很好的性能。而據(jù) 文獻 3報道，當(dāng)廢熱的溫度在150 200 的范圍內(nèi)HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）的性

5、能比R123好。文獻3討論了HFC-245fa在利用分布式發(fā)電系統(tǒng)廢熱來驅(qū)動的有機朗肯循環(huán)中的 應(yīng)用 。HFC-245fa是Honeywell公司推出的應(yīng)用于發(fā)泡工業(yè)的一種新的不易燃(non-flammable)、低壓HFC制冷劑 3 。它屬于等熵流體 4 ，具有較高的臨界溫度(427.2K)。在廢熱回收中的操作條件下它處于中壓范圍 5 。表1 HFC-245fa的相關(guān)參數(shù) 化學(xué)名稱 1,1,1,3,3-五氟丙烷 分子式分子式 CF3CH2CHF2 臨界壓力(kPa) 3640 臨界溫度(K) 427.20 臨界密度(kg/m 3 ) 517.0 本文研究了回收溫度在630 K左右的煙氣廢熱的

6、ORC系統(tǒng)夏冬季節(jié)的性能，系統(tǒng)采用HFC-245fa作為工質(zhì)。2 ORC系統(tǒng)熱力 分析 6、7 (a) ORC系統(tǒng)流程圖(b) ORC系統(tǒng)溫熵圖圖1 ORC系統(tǒng)流程圖和溫熵圖圖1 (a) 是ORC系統(tǒng)流程圖，包括高溫廢氣加熱的干式蒸發(fā)器，空氣冷卻的冷凝器，儲液器，液體泵和單級蒸汽透平發(fā)電機組。循環(huán)工質(zhì)R245fa在蒸發(fā)器內(nèi)被高溫廢氣加熱、汽化，變成高溫高壓蒸汽。隨后進入蒸汽透平，膨脹作功發(fā)出電力。作功后的乏氣進入冷凝器冷凝成液體，然后進入儲液器。自儲液器流出的循環(huán)工質(zhì)由液體泵加壓后進入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)。圖1（b）給出了系統(tǒng)的溫熵圖。3 環(huán)境溫度對ORC系統(tǒng)性能的 影響 分析和討論 本文主

7、要考察環(huán)境溫度變化時，ORC系統(tǒng)對外輸出功、系統(tǒng)效率、能源利用率及系統(tǒng)各部件 損失的變化。所研究的ORC系統(tǒng)的額定功率為100 kW，廢氣的進口溫度在610650 K之間。工質(zhì)HFC-245fa的物性參數(shù)來自美國NIST(National Institute of Standards and Technology) Laboratories 所開發(fā)的物性軟件REFPROP 6.0 8 。采用Modelica/Dymola平臺 9 、 10 ，編制仿真模型。(a) 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、輸出功(b) 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、能源利用率圖2 環(huán)境溫度與系統(tǒng)效率、輸出功、能源利用率由圖2 (a) 知，隨著環(huán)境溫度的提高，系統(tǒng)效率與系統(tǒng)輸出功均降低，基本呈線性關(guān)系。換句話說，相對于冬季（假定室外氣溫在6 左右），夏季系統(tǒng)（假定室外氣溫在25 左右）的輸出功和效率均會大大降低，比額定工況低30% 以上。近年來夏季持續(xù)高溫，環(huán)境溫度遠遠高于25 ，此時系統(tǒng)性能將大大惡化，甚至不能工作。因此，應(yīng)根據(jù)所在地四季的溫度，合理選擇額定工況設(shè)計溫度值，減少實際運行過程中系統(tǒng)輸出功過分偏離額定工況，系統(tǒng)不能有效工