有机朗肯循环系统

有机朗肯循环系统（精选七篇）

有机朗肯循环系统 篇1

我国能源供应以化石能源为主, 按照国家《烟气余热资源量计算方法与利用导则》[1]估算, 仅我国电站锅炉和工业锅炉排放的烟气余热量就高达1.8亿吨标煤。目前, 我国仅水泥业采用以水为介质的发电技术回收温度大于300℃的烟气余热。高耗能行业 (如玻璃、陶瓷等) 大量的低品位余热没有得到充分有效利用, 直接排向大气, 能耗高且污染大。

欧洲是可再生能源利用的主体, 可再生能源市场发展和产业的年平均增长速度都大于20%, 预计到2050年可再生能源在欧洲国家的能源利用构成比例中要达到50%。而我国可再生能源以直接利用为主 (如太阳能、地热能等以提供热水或冬季采暖等方式为主) , 且利用受到区域、地质及政策等因素的制约。

有机工质的沸点相对较低, 可在低品位热源下获得相对较高的蒸汽压力, 蒸汽进入膨胀机推动做功, 具有对环境污染小的特点, 因此对低于300℃低品位热源, 有机朗肯循环系统发电的综合效益明显比普通蒸汽动力循环高[2,3]。

目前有机朗肯循环 (ORC) 发电是低品位余热利用的主流核心技术之一, 也是科研工作者研究的热点, 因此大幅度地提高有机朗肯循环 (ORC) 发电系统的效率是节能减排的重要技术措施。

1 理论分析

卡诺依据蒸汽机提出了理想动力循环 (见图1) , 即整个循环由介质在a-b热源端可逆定温吸热过程, 在b-c膨胀端的可逆绝热膨胀过程, c-d冷凝端的可逆定温放热过程和d-a升压端的绝热压缩过程四个部分组成[4]。

在整个循环过程中工质从热源吸收热量Q1, 在冷源端放热Q2, 对外输出功W。如果用ηt表示系统循环热效率, 则有:

从式 (1) 中可以看出, 若Q1越大, Q2越小, 则热效率ηt越高, 这是影响热机效率中的主要因素, 它表明了热机中热量的有效利用程度。

卡诺循环T-S图如图2所示。根据热力过程的关系式, 在循环过程中, 有:

式中:T1、T2—分别为对应图2中a点 (b点与之相同) 及d点 (c点与之相同) 温度, K;

sa、sb、sc、sd—分别对应图2中分a点、b点、c点及d点的熵, k J/ (kg·K) 。

即卡诺循环热效率可表示为:

由此计算得知:假如余热或可再生热源的工质温度在500K (227℃) 、低温端 (环境) 温度在300K (30℃) 时, 循环的最大转换效率仅仅是30%。

2 应用分析

从第二部分分析可以看到, 对于理想发电循环系统, 发电系统效率仅与热源、冷源温度有关, 工质选择等因素对系统效率影响无关, 但是实际发电系统的效率与系统形式、工质类别等因素密切相关。

有机朗肯循环 (ORC) 发电是低品位能源间接利用的有效方式之一, 对低品位热源有机朗肯循环发电系统的研究主要集中于有机工质筛选和系统热力学分析两方面[5,6,7], 文献中针对不同热源论述ORC系统有机工质筛选相对较多, 但主要以3种优化目标为主:以热效率或透平输出功为目标;以第二定律效率为目标;以设定第一定律及第二定律效率等多参数目标。而有机工质的替代路线主要有3种:

1) 不含氯离子的卤代烃碳氢化合物纯质, 如HFC-134a;

2) 自然工质, 如NH3和碳氢化合物;

3) 用HFC (含氢、氟、碳的不完全卤代烃) 或HCFC物质组成的混合物。

由于影响工质选择的因素较多及研究目标不同, 对低于300℃的低品位热源, 文献中根据系统效率为优化目标优选出相对较好的有机工质为R134a和R245fa。但是到目前发表的研究成果中没有提出优选工质的准则和优选出被广泛认可的具有优良性能的有机工质。因此根据不同热源参数的特性和热源的物性, 优选出合适的有机工质是有机朗肯循环 (ORC) 发电系统研究的关键之一。

在发电循环系统形式上, 主要以亚临界有机朗肯循环发电系统、超临界有机朗肯循环发电系统及多级循环发电系统研究为主。不同系统循环形式及其相应的工质选择是研究的重点, 其中由于超临界有机朗肯循环发电系统中工质在蒸发时工质无汽液两相状态的变化, 从而减少蒸发器的不可逆损失, 系统效率相对较高。将有机朗肯循环 (ORC) 系统与其他系统耦合, 达到对热能梯级利用的目的, 例如:有机朗肯循环 (ORC) 冷热电联供系统[8,9], 采用有机朗肯循环 (ORC) 缓解碳捕获和封存 (CCS) 对能量利用效率的利用率[10], 太阳能光伏与有机朗肯循环 (ORC) 热系统的耦合[11]等复合系统是未来的发展趋势。

我国各大高校科研工作者近年来在有机朗肯循环发电系统的工质选择和系统热力学方面也进行深入的研究, 比如天津大学在双螺杆有机朗肯循环发电系统、中国科技大学在太阳能有机朗肯循环利用、北京工业大学在单螺杆有机朗肯循环发电系统等, 但是目前我国科研工作者主要从事理论研究, 而应用方面的成果相对较少, 这与受我国地热资源本身限制外, 还与有机朗肯循环 (ORC) 发电系统科学问题相关。因此, 应加强在系统科学问题方面的研究和提高系统在低品位热源发电方面的实际应用。

3 结论

利用有机朗肯循环发电系统将各种工业余热, 太阳能及地热能等低品位能源转换为电能是国内外科学研究的热点技术。

理想发电循环系统的效率与系统所处的冷热源温度相关, 与系统工质等因素无关;实际有机朗肯循环发电系统性能受工质、系统形式等影响形式较大, 但是由于影响系统因素及考虑目标参数不同, 未能优选某一合适的工质。系统形式的研究已从单一发电系统到耦合应用于节能行业中。

因此针对不同热源参数特点, 优选出适应的发电系统形式及合适工质, 为有机朗肯循环发电系统设计和应用提供科学依据, 是保证其有效应用的前提和关键。

参考文献

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基于有机朗肯循环的太阳能热发电 篇2

关键词：太阳能　朗肯循环　有机　发电

中图分类号：TK51　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973（2012）003-028-02

我国具有丰富的太阳能资源，随着化石能源的枯竭，开发利用可再生清洁能源意义尤为重大。目前，世界上太阳能发电技术主要有光伏发电和聚焦型太阳能热发电（Concentrating Solar Power， CSP）。CSP具有效率高、成本低等诸多优势，从长远的角度看比光伏发电更理想。太阳能热发电，不消耗化石能源，无污染，是清洁能源发电的代表，具有广阔的发展前景。太阳能低温热发电技术简单、管理成本低，具有很强的竞争力。按循环形式不同，CPS可分为Rankine（朗肯）循环、Brayton（布雷顿）循环、Stirling（斯特林）循环。其中朗肯循环应用较为广泛，可用于太阳能发电、工业余热发电、地热发电、生物质能发电和海洋温差能发电等方面。

1 有机朗肯循环系统模型

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）可利用集热器、换热器、泵、汽轮机、发电机等设备实现太阳能到电能的转换。ORC具有使高温高压工质蒸汽转化为为低温低压工质蒸汽的汽轮机，利用蒸汽做功进行发电，从汽轮机中排出的蒸汽在凝汽器中冷却、液化，在经过泵加压后重新在蒸发器中加热蒸发成为高温高压蒸汽。ORC采用有机工质（如R134a）,工质在蒸发器中吸收低品位热能，历经液态加热、沸腾、过热三个阶段进入汽轮机，膨胀后推动汽轮机做功，并转化为电能。ORC一般用于从低温热源吸热，固一般采取较小的过热度，若采用绝热工质则需保证一定的过热度。定义系统的发电效率为：，其中Wf为发电机发出的电能；Wx为系统内部消耗的电能；Q吸为工质从太阳能集热器吸收的热能。

制约太阳能低温朗肯循环发电的主要因素是热效率低、成本高、没有合适的循环工质。汽轮机排出的工质乏气直接进入冷凝器，大量的冷凝热被排到大气，严重影响系统的热效率。因此，有机朗肯循环的经济性直接决定于循环工质的热力学性质，开发有效利用工质冷凝热，选择安全可靠的新型工质，对太阳能朗肯循环技术的发展至关重要。

2 有机工质研究

有机工质点选择对循环效率影响很大，良好的工质应满足蒸发温度较低、传热性能良好、化学性质稳定、无毒无污染、价格低廉等要求。当前使用的工质大多为纯质、R113、R123、R134a、R152a、R245fa、R600a、NH等。烷烃类的工质价格低、环保但是易发生爆炸，存在安全隐患；NH易生成氨水对管壁和机械具有腐蚀，且临界压力较大，固对材料的要求较高。工质的环保特性主要从臭氧的破坏程度（Ozone Depletion Potential，简称ODP）和温室效应指数（Global Warming Potential，简称GWP）两个方面衡量。一般情况下，含氯原子多的工质对环境的破坏性较强；含氟原子多的工质化学性能稳定，但在大气中的寿命较长。氟氯烃的臭氧破坏势（ODP）和温室效应势（GWP）都很大。常用工质的特性参数，包括分子式、临界温度、临界压力、标准状况下的沸点、ODP、GWP见表1。

有学者提出可利用一组适合太阳能低温朗肯循环系统的二元混合工质，使其适用于蒸发温度在100℃左右的低温朗肯循环。例如，取10%的R152a和90%的R245fa混合作为循环工质，此时的蒸汽压力是0.99MPa，冷凝压力0.28MPa，膨胀比3.54，循环净输出功26.2kJ/kg,朗肯循环效率10.54%，ODP为0，GWP为869。可见经混合后的GWP比两者都低，压力水平和丁烷在相似工况下的也相近，因此采用普通太阳能集热器即可。而且，混合工质的沸点不相同，相变时有温度滑移现象，这就有效地提高了热效率。

3 可行性分析

目前，ORC技术在工业余热、生物质发电等领域具有广泛应用，是最有效的利用低品位热能的方式。随着太阳能技术日新月异的发展，利用太阳能作为低温热源的有机朗肯循环发电技术已成为可能。ORC太阳能发电系统运用普通的集热器即可，无需精密的追踪系统，这就大大降低了成本。太阳光中漫反射占了很大比例，如我国拉萨地区年漫反射辐射量与水平直射量和法向辐射量之比为1:3.84:6.74。如果能充分吸收漫反射的这部分热量将大大提高热吸收率。ORC的技术障碍之一就是太阳能辐射强度变化较大，白天有夜间无，晴天强阴天弱，热量无法存储影响其发展。美国Solar Two 电站采用熔融盐技术进行蓄热，但装置过于庞大，不利于推广。鉴于，ORC所需要的温度大概在150℃左右，可利用相变材料蓄热，如石蜡、六水氯化镁、甘露醇等。ORC系统目前存在诸多不足，要想使ORC系统改进投产，当务之急是提高其热效率。提高ORC系统的热效率主要可从以下三个方面入手：(1)优化系统运行参数，包括最优工质的选择、提高蒸汽动力参数、降低ODP和GWP等。(2)减小系统各个部分的损失，如优化汽轮机进出口气动设计、优化凝汽器与泵等设备、选用高效率的集热器等。(3)为解决系统发电不稳定，不能连续24小时供电的问题，可采用气体燃料、液体燃料作为辅助能源，当光强不足以使发电机达到额定转速及输出功率时，用燃料供热保障系统稳定运行。

4 结语

ORC的日趋成熟减缓了人类对煤炭资源消耗的压力，同时也符合节能减排和可持续发展战略的要求。相信在不久的将来，取之不尽的太阳能将成为人们渴望的新时代“煤炭”。目前，太阳能有机朗肯循环发电系统尚未大规模投产，本文论述只是这方面的有益探讨，希望对以后太阳能有机朗肯循环发电系统的日趋成熟带来有益的帮助。

参考文献：

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[5]　王长贵,崔容强,周篁.新能源发电技术[M].北京:中国电力出版社,2003.

有机朗肯循环发电技术发展现状 篇3

我国当前能源环境局势紧张, 北方雾霾污染几乎常态化, 节能减排产业成为政府重点扶持发展对象。有机朗肯循环 (Organic Rankine Cycle, 下文简称ORC) 发电技术较传统发电技术, 在低温余热动力回收领域优势明显[1], 近年来引起国内学者极大重视, 欧美市场发展良好, 国内众多厂家跃跃欲试。然而国内存在技术与市场脱轨的问题, 即企业对科研机构的新技术研究反映迟钝, 对新科技的进展情况掌握不清;科研单位对市场需求及工程实际问题不清楚, 导致研究内容偏离工程实际较远。这一点, 笔者在由高校研究人员转变为工程设计人员的过程中体会颇深。基于此, 本文从技术与市场两个角度, 对ORC发电技术进行概括介绍, 为国内开展此项研制的同行提供参考。

1 国外ORC发展现状

欧美等发达国家, 对ORC发电技术的研究较早, 可追溯到上世纪60年代[2,3,4], 当时已有部分试验样机, 但由于该技术主要运用在余热回收和新能源领域, 受政策及能源市场影响较大, 直到近一二十年才得到真正发展。目前该技术已经成熟, 制造ORC发电系统的公司已达几十家。表1给出部分笔者收集的国外公司ORC机组的产品信息。

1.1技术现状

1.1.1机组分布领域

理论上说, ORC发电机组可适用于80~400℃任何种类的连续热源, 针对不同热源, 国内外学者也展开了相应研究工作, 如太阳能[5,6]、地热能[7]、生物质能[8]、工业余热等。但实际应用中, 受限于机组技术经济性, 各种热源的装机容量相差较大, 目前ORC发电技术只在部分品质较优的热源上实现商业化运营。图1、图2[9]给出各种热源情况下, 主要厂家ORC发电机组在容量和数量的装机比例, 可以看出, ORC发电机组在地热领域的装机容量最大, 原因是ORC发电技术主要用于300℃以下的低温热源, 存在发电效率较低的特点, 为提高发电系统技术经济性, 要求机组装机容量较大, 故要求热源容量大, 地热水/水蒸气温度低 (300℃以下) 、比热高、储量大的特点正适合ORC发电技术。国际上, 地热ORC发电技术最为先进的是美国ORMAT公司, 该公司大多数项目发电量均在10 MW以上。地热源虽有上述优点, 但也存在钻探困难、水中矿物杂质难以分离等问题, 我国西藏羊八井及那曲地热电站, 均因结垢问题严重, 未能正常运行, 最终关停。其中那曲电站ORC机组为ORMAT公司的产品。

生物质能由于热值较低, 虽温度较高, 但单台电站装机容量较小, 并不适合使用体积相对庞大的水蒸气发电系统, ORC发电机组整体组装的结构特点, 对于常建造在偏远地区的生物质能电厂而言, 在建造和维护上无疑有较大优势。这方面项目最多的是意大利Turboden公司, 全球累计安装超过200台/套, 单机容量一般在1 MW左右, 但目前国内还没有烟气余热及生物质ORC发电项目实例。装机容量较小的工业余热电站, 特点也与生物质能电站类似。

太阳能由于能量密度较低, 且受诸多技术条件限制, 千瓦造价达5730欧元[10], 现有项目主要为示范性质, 离商业化运用还有较远距离。

1.1.2工质

在所有的ORC发电技术研究中, 有机工质优选是核心内容之一, 因为有机工质的物性对具体热源的回收效率起决定性作用, 且对系统部件的设计难度有重要影响。如工质的冷凝压力高, 会导致密封系统设计难度高。工质的选用也需考虑环境友好、安全、化学性质稳定等前提条件, 不同文献推荐使用的工质各有不同, 如R113[11,12,13], R123[14], R245fa[12,15,16,17,18,19], R134a[20]等, 但并非所有的工质都得到大面积推广使用, 目前市场使用较多的工质为R245fa, 代表厂家有Purecycle, Acess Energy, Exergy等, 其次是R134a, 代表厂家有Turboden, Tas Energy等。一般来说, R134a用于90℃以下的热源, 而R245fa则是200℃以下。

1.1.3动力部件

动力部件是ORC发电机组的核心部件, 其效率值直接影响机组的技术经济性。动力部件可分为速度型和容积型。容积型的动力部件主要包括螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、活塞膨胀机等。其中涡旋膨胀机、活塞膨胀机多用于小型试验系统, 一般功率等级在50 k W以下, 螺杆膨胀机则有较为成熟的工业应用, 功率等级为一般在500 k W以下, 代表厂家有GMK和Elctratherm等。功率等级高于500 k W以上的机组多采用速度型透平, 包括轴流式、径流式和混流式, 代表厂家有Ormat、Turboden、Purecycle、Exergy、Acess energy等, 总体上看, 速度型透平是国际技术主流。

1.1.4发电机

发电机是ORC发电机组的重要部件之一, 而在众多的研究文献中, 对发电机的研究较少, 主要是因为发电机作为一种成熟产品, 种类及功率等级较为完全, 无需针对热源与工质进行单独设计。大多数ORC发电机组的产品介绍说既可以使用同步电机也可以使用异步电机, 但推荐使用异步电机, 主要考虑因素是系统控制问题, 相对同步电机, 异步电机对转速控制要求不高, 在热源波动的情况下, 允许机组有较大工况的变化范围, 如Purecycle及Turbden等公司的机组均能实现10%~120%变工况运行, 减少机组的频繁起停。ORC发电机组的装机容量一般较小, 对电网的冲击较小。相对而言, 异步电机并网更方便。

1.1.5其他部件

换热器是ORC发电系统里体积、重量最大, 成本最高的部件, 其类型的选用对机组技术经济性影响较大。此外ORC发电机组一般采用整体撬装结构, 故换热器选型时也会考虑其结构影响。如表1所示, 采用最多的管壳式换热器, 而在功率等级较小的机组中也采用板式换热器。

工质泵也为成熟产品, 采用立式离心泵的厂家较多, 由于需要适应变工况要求, 工质泵一般需采用变频控制。透平和工质泵均存在密封问题, 立式工质泵大多采用的是机械密封。

1.1.6机组效率

ORC发电技术的技术经济性评价指标有很多, 如机组热效率、热回收效率、单位质量流量热源输出功、单位换热面积输出功、千瓦发电量机组造价、电站回收期等, 这些指标从不同的方面, 反映机组的技术经济性。大多数工程技术人员所熟知的是热效率和千瓦发电量机组造价这两个指标, 然而对于ORC发电技术而言, 仅以热效率评价机组的经济性, 特别是对于地热和工业余热水[21], 存在较大不足。不同热源的机组, 热效率没有可比性, 然而由于易于理解, 且与经济性直接相关, 各厂家仍然以热效率为重要参考指标, 各厂家的热效率如表1所示。作为对比, 我国320℃水泥窑蒸汽余热发电项目总体效率为20%左右。

1.2 市场现状

图2给出欧美市场总装机数目及装机容量的增长趋势, 可以看出在2005年以后, 欧美市场ORC发电技术发展异常迅速。图3反映了不同厂家的装机数量及装机容量的对比。可见在装机数量上意大利的Turboden公司最多, 而在装机容量上却只有8.6%, 原因是Turboden公司的机组主要集中在生物质及工业余热领域, 装机容量较小, 平均单机功率在1 MW左右, 而Ormat公司的产品主要集中在地热领域, 装机容量大, 其2013年在印尼萨鲁拉的一个地热发电项目装机量高达330 MW, 投资金额达2.54亿美金。

图4分别是Ormat、Turboden及GMK全球范围内的业务分布情况 (图中圆点为项目所在地点) , 可以看出目前ORC发电机组主要分布在欧美等发达国家, 而亚洲市场, 特别是中国市场仍处于待开发状态。

图5给出不同国家的ORC发电机组的装机情况, 可以看出ORC机组主要分布在德国、澳大利亚、意大利和美国, 在前三个国家的发展主要得益于该国家对小型生物质能电厂的支持, 在美国的发展主要是因为美国国内存在大量一直无法得到良好利用的低温地热能资源。

2 国内ORC发展现状

2.1 技术现状

国内近年对ORC发电技术研究投入较多, 图6是以有机朗肯循环 (Organic Rankin Cycle) 为关键词 (key word) 分别在CNKI、万方数据、SCI、EI数据检索的论文结果, 可以看到论文数量几乎成指数型增长, 反映出ORC技术是近年的研究热点。然而与国外技术情况不同的是, 目前国内还没有能推出成熟ORC发电机组的公司, 从论文研究的内容上看, 主要包括工质优选、循环优化、循环对比、实验研究、部件分析等, 总体上看, 理论研究工作较多, 试验较少。表2给出国内开展ORC发电实验研究的单位, 此外进行ORC实验研究的还有北京工业大学[22]、北京理工[23]等。从已发表的实验研究论文来看, 研究的重点主要为系统热效率测量, 部件运行模拟分析, 系统或部件最优工况测试等, 而对工程实际运用急需解决的问题, 如高效率透平研制、高速轴承研制、密封系统研制、动态控制系统研制等内容涉及较少, 以上问题能否妥善解决, 关系着国内ORC发电技术最终能否走向工程运用, 而上述难题的攻克, 无疑需要先进的实验平台和测试手段作为依托。

2.2 市场现状

由图可以看出, 在2008年到2013年期间, 国内外相关研究论文数量急剧上升, 然而与风电及光伏发电类似, 国内企业及市场对新技术的反映速度比科研机构会滞后一步, 同时段企业参与产品开发的基本没有, 到11年后, 国内众多企业对该技术表现出浓厚兴趣, 据笔者所知, 国内有近十家大型企业对该技术进行研究, 然而大多均处于起步阶段, 少数单位有工业或半工业化的试验样机, 尚未有企业能推出经较长运行时间验证的成熟机型, 各企业的试验机械功率等级在100~500 k W之间。

由于国内ORC技术研究仍处于起步阶段, 市场基本处于待开发状态, 国内ORC发电市场能有多大?是个很难回答的问题, 因为这不仅与ORC发电技术的技术成熟度有关, 还与机组经济性及政府政策导向息息相关。就ORC发电技术本身的潜在装机容量而言, 国内几十年的粗犷式发展, 无疑存在大量可供利用的热源, 以钢铁行业为例, 钢铁包括焦化、炼铁、炼钢等环节, 广泛存在未能合理利用的90~250℃的热水、蒸汽、烟气余热[38], 在石化炼油[39]方面, 据估算年产千万吨级炼厂, 每个厂可供装机量为3~4MW。采油领域, 特别是稠油开采中的高温产出液、高温分离水都是ORC发电技术的理想热源[40,41], 不少学者认为玻璃制造[42], 冶金[10], 燃机尾气等方面[43]均可使用ORC发电技术回收余热。

3 存在的问题

3.1 技术方面

3.1.1 理论分析过多, 实验研究较少

目前ORC研究文献中, 理论研究占90%以上, 实验研究相对较少。系统理论分析一般在朗肯循环的热力学模型基础上, 需要指定具体参数值, 如换热窄点温差、部件效率值, 指定值的合理与否对分析结果会造成较大的影响, 且实际机组中, 换热器的温差、部件效率值都会随工质、工况、循环类型的变化而变化, 故, 简单的一维线性分析到一定程度后, 有较大的局限性。在实验研究中, 不仅研究的数量偏少, 且研究的问题有局限, 目前实验机组, 大多由各种成熟的部件组装而来, 测试的参数分为系统参数和部件参数两部分, 系统参数主要包括系统热效率、效率、单位热源流体发电量等;部件参数主要有动力部件效率和换热器性能。对于工程运用中的某些关键课题, 如高转速轴承损耗测试, 密封系统测试、控制系统测试等, 研究较少。

3.1.2 理论分析偏离实际情况较远

(1) 透平效率问题

受限于简单一维理论模型限制, 理论分析难以全面考虑实际情况, 导致研究成果偏离实际较远。如在循环优化的工作中, 不少文献[44]指出蒸发温度越高, 系统效率越高, 进而得出近临界循环、超临界循环效率更高的结论, 该结论在大型火电机组中是成立的, 但对于百千瓦级的小功率ORC机组而言, 则不然。表3给出120℃时各种工质的音速, 可以看出有机工质的音速远低于水蒸气, 对于一定功率等级的ORC发电机组, 随着透平的进出口压比增大, 即在确定的冷凝压力下, 循环工况向近临界和超临界循环发展时, 透平入口容易出现超音速, 设计透平的难度增大, 要同时保证透平高压比和高效率几乎是不可能的, 即使设计上完成, 也只不过将难度转移到生产与制造中, 工程实际中难以实现, 文献[25]也在实验中发现透平的最佳工况与系统的最优工况不重合, 即最优工况不会随着蒸发温度持续上升。这种问题是对透平工况变化考虑不全引起的, 也是理论分析中, 指定部件参数值方法的缺陷所在。对于大功率等级的机组, 压比对透平效率的限制将减少。反之只强调透平效率, 而不综合考虑系统效率也是不可取的。

(2) 泵效率问题

在小功率的ORC发电系统中, 工质泵存在低流量、高扬程、低比转速的特点, 实际运行效率一般在0.6以下, 理论分析中, 常有文献将泵的效率取为0.8[45], 甚至更高。过高预计泵效率会导致分析结果有偏差。在ORC系统参数设计中, 泵的气蚀余量是经常被忽略的一个参数, 忽略该参数也将导致系统运行的不稳定, 试验中也会常碰到泵气蚀的问题。

(3) 冷源问题

循环优化为是调整运行参数, 使得系统某个或几个目标参数达到最优, 优化的目的是使得系统总体最优, 而不是局部或者内循环最优[46]。系统优化需要考虑冷源功耗的问题, 蒸发温度不是越高越好, 冷凝温度也不是越低越好, 而多数的循环优化论文[47]没有将冷凝温度及循环冷却水功耗考虑在内, 造成优化结果与工程实际偏离较远。

(4) 多级抽气回热、再热问题

有些学者[48,49,50,51]提出ORC发电机组使用再热循环的问题, 在火电机组中, 抽气回热、再热循环技术可行, 且已大规模推广使用, 然而若将这一经验套用到ORC发电系统, 则不妥, 图7为以R245fa和水为工质的朗肯循环T-H对比图, 可以看出水的比焓降要远大于有机工质。在高温高压的汽轮机组里, 由于水蒸气的比焓降大, 汽轮机需用多级才能完成膨胀过程, 笔者所在单位设计的汽轮机一般单级焓降在30~100 k J/kg之间, 汽轮机级数在15到30级之间, 因为级数较多, 所以在汽轮机中间进行抽气再热技术可行, 提高循环效率的同时, 也可预防汽轮机末级蒸汽湿度过大, 液击叶片。而对于ORC发电机组而言, 有机工质比焓降较低, 以R245fa为例, 一般取值小于40 k J/kg, 这样的焓降一级透平足矣, 至多不过三级, 所以在透平中抽气再热基本是不可能的, 在市场现有机组中也没有抽气再热机组。且所选有机工质多数为干性工质, 透平末级不存在液击的可能, 也减少了再热工质的必要性, 所以笔者认为抽气再热机组在实际工程中并不可行。

3.1.3 部件研究较少

目前的实验研究中, 所使用部件大多数是采用已有产品改装, 如动力部件上大多由压缩机改装而来, 较少有针对某特定系统设计的透平, 而这是研制出高效率ORC发电机组的必备环节, 国内的有机工质泵效率较低, 相应提高效率的研究较少。针对性的控制系统、密封系统、高转速轴承的研究也较少。

3.2 市场问题

我国存在庞大的低温余热市场, 这基本是各界的共识, 而对于余热的定义和统计标准不同, 使得各种统计数据出入较大, 也就难以准确估计出ORC发电技术的潜在装机量。由于ORC发电机组所适用的能源对象品质较低, 这也决定了ORC发电机组产品效率相对较低。ORC发电机组在欧美市场发展迅速的重要原因之一是政府对该技术的补贴, 可以预见我国ORC技术的发展必然与国家节能与环保相关政策有关, 所以市场总潜在装机量及发展速度, 存在一定不确定性。

4 结论

有机朗肯循环发电技术是近年国内外的热点研究技术, 本文通过技术和市场两个方面对该技术进行回顾和总结, 得出如下结论:

(1) ORC发电技术在欧美地区已成熟, 有大量运用实例, 运用领域包括工业余热及新能源, 装机容量最大的领域为地热。动力部件上, 速度型透平为技术主流。

(2) 市场方面, 欧美市场处于高速发展的阶段, 亚洲市场特别是中国市场仍处于待开发状态。

(3) 国内对于ORC发电技术的研究较多, 然而目前仍存在实验研究较少、理论研究偏离工程实际较多、部件优化设计较少等问题, ORC发电机组工程化应用仍有多项关键技术需要攻克。

有机朗肯循环系统 篇4

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC) 是以低沸点有机物为工质的朗肯循环,能利用不同类型的低温热源进行发电,包括了工业废热余热、太阳能、生物质能、地热能和海洋温差等,因而得到了广泛的研究与应用[1]。有机朗肯循环有着较低的沸腾温度和较高的蒸发压力,透平排气处于过热区,避免了涡轮叶片受到湿蒸汽的腐蚀。

除了对工质的选择和物性的研究外[2,3],对循环系统进行优化设计也是改善ORC发电性能的关键。众多的文献对ORC系统参数进行了优化,通常以系统热效率、净输出功率、�效率、 单位质量流体发电量、热流密度、换热面积和系统费用等指标作为目标函数进行优化[4,5]。 Zhang等人[6]对亚临界的ORC系统进行了参数优化,并比较了不同工质的系统性能。Wang等人[7]以�效率和总花费资本为优化目标,采用进化算法,对某利用废热回收的有机朗肯循环进行了多目标设计优化。Schuster等人[8]对超临界的有机朗肯循环参数进行了优化,并比较了采用不同工质时循环的热效率。

本文建立了有机朗肯循环热力分析模型, 并对某利用水泥窑废气为低品质热源的有机朗肯循环进行了系统性能分析。以有机朗肯循环净输出功率为优化目标,采用NSGA-II算法进行设计空间搜索,对利用低品质热源的有机朗肯循环进行了设计优化。

1 ORC系统性能分析

1.1热力分析模型

ORC主要由换热器(或余热锅炉)、透平、 冷凝器和工质泵等四大部件组成,如图1所示。 有机工质在换热器中从低品质热源中吸收热量, 生成具有一定压力和温度的饱和或者过热蒸汽; 蒸汽进入透平机械膨胀做功,带动发电机发电或者驱动其它动力机械做功;从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热,凝结成液态;最后由工质泵升压回到换热器,如此不断地循环下去;有时ORC系统会增加回热器,以提高热效率。图2给出了不带回热器采用水进行冷却的ORC系统对应各点的T-S图。

对ORC系统进行热力学性能分析时,关键是换热器和冷凝器中的换热分析计算(如图3(a) 和(b) 所示)以及工质在透平内部膨胀做功的计算。在本文的研究中,为了简单起见,不考虑工质在透平和泵内部的具体流动过程,仅是给定透平和泵的等熵效率。

1.2系统性能分析

本文采用一个典型的水泥窑的废气作为O RC系统的低品质热源。由于R134a具有良好的热力性能且对环境影响很小,故选择R134a为ORC系统工质,调用REFROP 9.0程序计算其热物性。ORC系统的热效率为6.69%,净输出功率为68.65 k W,透平功率和泵功率分别为73.04 k W和4.39 k W。

2 ORC确定性设计优化

2.1设计变量和约束条件

参考文献[7],选取了以下五个优化设计变量:透平进口过热度、透平进口压力、接近点温差、节点温差和冷凝温差,以有机朗肯循环净输出功率为优化目标进行单目标优化。约束条件为物理上的约束,包括了透平进口必须是饱和蒸汽或过热蒸汽,换热器中热侧温度必须高于冷侧温度。

2.2优化算法

NSGA-II是多目标进化算法之一, 是由Srinivas和Deb于2000年在NSGA算法的基础上提出的[9]。其降低了非劣排序遗传算法的复杂性,具有运行速度快,解集的收敛性好的优点。NSGA-II算法具体流程参考文献[10], 其主要特点有:

1)提出了快速非支配排序算法;

2)引进精英策略;

3) 采用拥挤度和拥挤度比较算子。采用高性能的NSGA-II算法搜索设计空间。

2.3优化结果

其中,净输出功率的增量为27.12 k W,相对增加了39.5 %;ORC热效率也由6.69 % 增加到了10.2 8%,相对增加53.4 %。有机朗肯循环系统设计优化不仅增加了ORC系统净输出功率,而且还增加了系统热效率,ORC系统性能大为提高。

3结束语

通过对某利用低品位废热回收的有机朗肯循环进行系统性能分析,并进行系统设计优化,对比了优化前后ORC系统性能参数,相比于初始计算的结果,确定性优化解的ORC系统净输出功率、热效率、透平功率和泵功率等系统系能参数均增加。

摘要：建立有机朗肯循环热力分析模型,对采用R134a为工质,以某水泥窑废气为低品质热源的有机朗肯循环进行了系统性能分析。基于NSGA-II算法,发展了有机郎肯循环性能优化设计方法,以循环净输出功率为目标进行了优化设计。

关键词：有机朗肯循环,系统热效率,ORC系统

参考文献

[1]王华,王辉涛.低温余热发电有机朗肯循环技术[M].北京:科学出版社,2010.

[2]郑浩,汤河,金滔等.有机朗肯循环工质研究进展[J].能源工程,2008(4):5-11.

[3]朱江,鹿院卫,马重芳等.低温地热有机朗肯循环(ORC)工质选择[J].可再生能源,2009,27(2):76-79.

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[5]Roy JP,Misra A.Parametric optimization and performance analysis of a regenerative organic Rankine cycle using R-123for waste heat recovery[J].Energy 2012;39:227-35.

[6]Zhang S J,Wang H X,Guo T.Performance comparison and parametric optimization of subcritical Organic Rankine Cycle(ORC)and transcritical power cycle system for lowtemperature geothermal power generation[J].Applied Energy,2011,88(8):2740-2754.

[7]JF Wang,ZQ Yan,M Wang,et al.Multi-objective optimization of an organic Rankine cycle(ORC)for low grade waste heat recovery using evolutionary algorithm[J].Energ Convers Manage,2013,71:146-158.

[8]Schuster A,Karellas S,Aumann R.Efficiency optimization potential in supercritical organic Rankine cycles[J].Energy2010;35:1033-9.

[9]Deb K.Multi-objective optimization using evolutionary algorithms[M].Chichester:John Wiley&Sons,2001.

有机朗肯循环系统 篇5

关键词：低温热发电,有机朗肯循环,蒸发温度,膨胀比

引言

有机朗肯循环就是在传统朗肯循环中采用有机循环工质(ORC)(如R113、R123等)代替水作为循环工质,拖动涡轮机做功[1]。采用有机循环可以实现使用废热、太阳能和地热能等低品位热源发电,没有CO、CO2和NOx等污染物排放,具有环境友好的特点[2]。

ORC由于其低沸点,在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力,推动涡轮机做功,适用于低温热源做功发电[3]。与水蒸气朗肯循环相比,ORC的主要优点在于它具有在中低温度中运行的良好特性[4],并且ORC要求的热源温度较低,100℃左右的热源就可以维持其正常运行[5]。因此,有机朗肯循环引起了各国学者越来越多的关注。

1 系统热力分析

有机朗肯循环低温热发电系统主要由余热锅炉、汽轮机、冷凝器和泵4个热力设备组成[6]。循环的流程图如图1所示。

有机工质经过泵升压后,被送到余热锅炉中,吸收余热的热量产生高温高压蒸汽,然后进入汽轮机中膨胀做功,通过发电机输出电能,汽轮机排气进入冷凝器冷凝成液体,向环境中放出热量,然后进入供给泵升压。

为了方便计算,对模型做如下假设:系统处于稳定流动状态,余热锅炉、冷凝器等设备与环境不进行换热,余热锅炉、冷凝器及连接管道的压力损失可以忽略不计,冷凝器出口工质为饱和液体。

1)过程1-2。

工质接收的外功为:

$W{}_{\text{Ρ}}=\frac{W{}_{\text{Ρ},\text{i}\text{d}\text{e}\text{a}\text{l}}}{\eta {}_{\text{Ρ}}}=\frac{\dot{m}(h{}_{2\text{s}}-h{}_1)}{\eta {}_{\text{Ρ}}}(1)$

式中:WP,ideal—泵的理想耗功;ηP—泵等熵效率,$\eta {}_{\text{Ρ}}=\frac{h{}_{2\text{s}}-h{}_1}{h{}_2-h{}_1}$;$\dot{m}$—集热器中工质的质量流量,kg/s。

2)过程2-3。

工质吸收的热量为:

$Q{}_1=\dot{m}(h{}_3-h{}_2)(2)$

3)过程3-4。

在汽轮机膨胀过程中,工质对外所做的功量为:

$W{}_{\text{Τ}}=W{}_{\text{Τ},\text{i}\text{d}\text{e}\text{a}\text{l}}\eta {}_{\text{Τ}}=\dot{m}(h{}_3-h{}_{4\text{s}})\eta {}_{\text{Τ}}(3)$

汽轮机输出有效功:

W=WTηm (4)

式中:WT,ideal—汽轮机的理想耗功;ηT—汽轮机等熵效率,$\eta {}_{\text{Τ}}=\frac{h{}_4-h{}_5}{h{}_4-h{}_{5s}}$;ηm—汽轮机的机械效率。

4)过程4-1。

冷凝过程中工质放出的热量为:

$Q{}_2=\dot{m}(h{}_1-h{}_4)(5)$

5)朗肯循环的热效率。

$\begin{array}{l}\eta {}_{\text{Ι}}=\frac{W}{Q{}_1}=\frac{W{}_{\text{Τ}}-W{}_{\text{Ρ}}}{Q{}_1}\\ =\frac{(h{}_3-h{}_{4\text{s}})\eta {}_{\text{Τ}}-(h{}_{2\text{s}}-h{}_1)\eta {}_{\text{p}}^{-1}}{h{}_3-h{}_2}(6)\end{array}$

6)系统总不可逆损失。

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{o}\text{v}\text{e}\text{r}\text{a}\text{l}\text{l}}={\rm T}{}_0\dot{m}\left(\frac{h{}_2-h{}_3}{{\rm T}{}_{\text{Η}}}-\frac{h{}_1-h{}_4}{{\rm T}{}_{\text{L}}}\right)(7)$

式中:TL—冷源温度,TL=T1-ΔTL;TH—高温热源平均温度,TH=T4+ΔTH。

2 不同工况下ORC系统性能分析

在建立系统热力模型的基础上,以R600、R601、R245fa、RC318为例,研究这两个参数对系统性能变化的影响。其中,R600、R601为烷类工质,R245fa、RC318为HFC类工质。为了对比分析4种候选工质在低温朗肯循环中的性能,有必要设定相同的循环工况。在图1显示的循环中,设定冷凝温度t1=25℃,余热锅炉传热温差为5℃,冷凝器传热温差为4℃,环境温度为15℃;汽轮机的等熵效率和机械效率分别为85%和98%,泵等熵效率为80%。

2.1 蒸发温度影响

汽轮机蒸发温度和系统热效率的关系如图2所示。

由图2可见,随着系统蒸发温度的升高,系统热效率逐渐升高。以R600为例,当蒸发温度在50℃时,热效率为7.139%,而当蒸发温度增加到75℃时,热效率增加到12.324%。这是因为提高汽轮机蒸发温度增加了汽轮机做功的焓降,使系统热效率的明显提高。总体来说,在4种工质中,R601的热效率高于其他工质。

汽轮机蒸发温度和系统净功量之间的关系如图3所示。

从图3可知,系统的净功量随着汽轮机蒸发温度的升高而增加,这是由于汽轮机的焓降随着蒸发温度的升高而增大,因而系统净功量增大。R600和R601的系统净功量高于其他两种工质,这显示出了烷类工质在做功方面的优越性。4种工质中,R601的系统净功量最大,RC318的系统净功量最小。

在同等条件下,汽轮机蒸发温度对系统的总不可逆损失的影响如图4所示。

从图4中可以看出,随着工质蒸发温度的升高,系统的总不可逆损失也随之增加。如RC318,当蒸发温度为60℃时,系统的总不可逆损失为7.0422kJ/kg,当蒸发温度升高到90℃时,系统的总不可逆损失为12.8421kJ/kg。在4种工质中,R601和R600的系统总不可逆损失较高,而RC318的系统总不可逆损失最小。

2.2 膨胀比影响

合适的膨胀比对汽轮机是一个重要的参数[7]。定义汽轮机膨胀比为p3/p4,即为汽轮机进口压力与出口压力的比值。根据V.Maizza等研究,膨胀机的膨胀比有效且较为合适的值为3.5[8]。这是由于理论上,汽轮机膨胀比越高,单位质量工质做功能力越强,系统效率越高。但是如果膨胀比过大,会导致工质质量流量减小,减小汽轮机的机械能输出。

汽轮机膨胀比对系统的热效率的影响如图5所示。

从图5可以看出,随着工质膨胀比的升高,系统的热效率增加。如R245fa,当进口温度为70℃时,系统的热效率为9.626%,当进口温度升高到90℃时,系统的热效率为12.381%。这是由于膨胀比的增加使汽轮机焓降随着增加,因此,提高了系统的热效率。从图5上可以很明显的看出,在同一膨胀比下,R600的热效率高于其他3种工质,而其余3种工质的热效率相差不大。

膨胀比和系统净输出功量之间的关系如图6所示。

从图6可知,就总体趋势而言,随着膨胀比的升高,系统的净输出功量升高。当膨胀比较低时,净功量增加的较快,当膨胀比逐渐升高,净功增加的速度也逐渐减慢。就不同的工质而言,R600和R601的净功大于其他两种工质,且净功增加的速度也较快,烷类工质的净功输出量大于HFC类工质,这显示了烷类工质在低温朗肯循环系统的优势。

膨胀比和系统总不可逆损失之间的关系如图7所示。

从图7可知,就总体趋势而言,随着膨胀比的升高,系统的总不可逆损失逐渐降低。且随着膨胀比升高,系统总不可逆损失的减小速度越慢。就不同的工质而言,R600和R601的系统不可逆损失大于其他两种工质,说明它们可以利用的能量比其它两种工质少。4种工质中,R601的系统总不可逆损失最大,RC318的系统总不可损失最小。

3 结论

为了选取用于实验研究的太阳能低温朗肯循环系统工质,本文选取R600、R245fa、R601、RC318共4种有机工质作为候选工质,对其应用于基于太阳能的低温热发电朗肯循环系统的性能进行分析比较,结果表明:

1)随着系统蒸发温度的升高,系统热效率、系统净功量和总不可逆损失逐渐升高,烷类物质的热效率、净功量和系统总不可逆损失明显大于HFC类物质。

2)随着工质膨胀比的升高,系统的热效率和净功量增加,系统总不可逆损失减小,烷类物质的热效率、系统净功量和系统总不可逆损失大于HFC类物质。

3)烷类物质在做功方面相对与HFC类物质更有优势,但是其产生的不可逆损失同样较高,因此,在选择太阳能低温有机朗肯循环系统合适的工质时,应充分考虑两方面的因素。

参考文献

[1]顾伟,翁一武,王艳杰.低温热能有机物发电系统热力分析[J].太阳能学报,2008,29(5):608-612.

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[3]郑浩,汤珂.有机朗肯循环工质研究进展[J].能源工程,2008,29(5):608-612.

[4]魏东红,陆震,鲁雪生.废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况系统分析[J].上海交通大学学报,2006,32(6):59-61.

[5]X.D.Wang,L.Zhao.Analysis of zeotropic mixtures used in low-temperature solar Rankine cycles for power genera-tion[J].Solar Energy,2009,83:603-611.

[6]王华,王辉涛.低温余热发电有机郎肯循环技术[M].北京:科学出版社,2010.

[7]Back O,Probert S D,et al.Selecting a working fluid for a rankine cycle engine[J].Applied Energy,1985,21(1):1-42.

有机朗肯循环系统 篇6

随着国民经济的进一步发展, 酒精的需求量会进一步增长, 然而酒精最大的需求量是作为汽油的代用品, 即作为燃料。世界上2/3的酒精被用作燃料。发展酒精产业不仅可以促进农业的可持续发展, 并且可以作为清洁能源代替汽油或汽油添加剂, 减少工业大气污染, 保护环境, 同时也可缓解原油进口的压力。如果以酒精为燃料以代替汽油, 当前的酒精生产普遍存在发酵酒精的成本过高、生产过程中能耗过大、所用原料受到土地和水资源的限制、酒糟处理及酒精发酵的强度问题。发酵酒精要成为有竞争能力的生物能源, 必须降低酒精生产成本, 必须继续开发降低能耗和提高产酒精量的酒精发酵工艺。综上所述, 技术发展方向是使酒精生产降低能耗, 节约成本, 减少污染使它能成为有竞争能力的生物能源[1]。

本文针对酒精制作工艺中的特点, 重点探索了基于有机朗肯循环系统 (简称ORC) 的低温余热回收在酒精制作过程中的高效利用方法。并以实例分析其经济可行性。

2 ORC发电技术介绍

ORC发电技术是一种将低品味热能 (一般低于200℃的废热) , 转换为电能的一种环保型技术。它既有助于解决能源紧缺问题, 又能减少常规能源利用过程中CO2, NOx, SO2的排放, 同时提高了能源的总利用率。该技术目前在欧洲, 北美环保热电新能源领域广泛使用。

如图1所示, ORC是一个完整的有机工质循环利用过程。有机工质通过热源加热蒸发, 推动透平做功, 带动发电机发电, 乏气进入冷凝器冷却后, 再进入蒸发器, 如此循环。

对于低品位的热源, ORC与常规水蒸气朗肯循环相比有许多优点, 最显著的特点有三点, 第一, 有机工质沸点低, 在压力0.15~0.5MPa, 温度60~70℃时, 就可以实现气化, 从而利用废热中低品位能源, 将其转换为电能输出。[2]第二, 有机工质的摩尔质量较大, 声速较低, 在叶片轮周速度时能获得有力的空气动力特性, 具有较高的轮机效率。第三, 有机工质在汽轮机膨胀做功的过程中始终处于过热状态, 可以较少气液两相对汽轮机的冲击腐蚀作用。[3]

3 酒精制作工艺介绍

酒精制造指用玉米、小麦、薯类等淀粉质原料或用糖蜜等含糖质原料, 经蒸煮、糖化、发酵及蒸馏等工艺制成酒精产品的生产活动。

4 酒精制作工艺中可利用热源分析

在酒精生产过程中, 90%以上的能耗在蒸煮和蒸馏两大耗能工序上。在酒精蒸煮工序中, 按工艺要求, 从粉碎工序送来的原料送往蒸煮锅后, 用蒸汽直接加热制成蒸煮醪。105℃的蒸煮醪送糖化工序使用前, 需用喷淋冷却降温至60℃左右, 蒸煮醪在冷却过程中大量的废热能没有得到利用。在酒精蒸馏工序中, 醪液进入蒸馏塔分离酒精过程中需要大量的冷凝过程, 冷凝水出口大约在60~70℃, 该部分热能也没有有效的利用[4]。

5 基于ORC系统的利用方案

通过对酒精制作工艺中可利用热源分析, 在酒精蒸煮工序以及酒精蒸馏工序中未利用废热, 都可以通过ORC系统发电。具体方案见图3。

本方案采取能源梯形利用, 工质先通过蒸馏冷凝段60~70℃水进行预热, 再通过105℃醪液实现气化, 从而推动透平做工, 实现低品位热源转换为电能。

6 发电量以及经济可行性分析

以某年产1.21×105吨成品酒精的酒精厂为例, 估算其废热发电量并分析其经济可行性。

6.1 估算ORC系统可吸收总热量Q

通过查阅相关资料, 该厂蒸煮醪液为142吨/小时, 蒸馏段冷却水为150吨/小时。醪液温度105℃, 醪液比热约:3.98Kj/ (Kg℃) , 蒸馏冷凝水温度65℃, 水比热约:4.2Kj/ (Kg℃) 。

6.2 系统发电量P

该系统效率在10%~15%之间, 我们取15%。即

6.3 经济可行性分析

6.3.1 电费收益

每年按照330天计算, 电费安装0.6元/度

6.3.2 一次性国家节能补贴

按照国家政策, 年节约1吨标准煤一次性奖励300元

即国家一次性奖励:0.0004×1335×24×330×300≈127万元

6.3.3 用户投入

设备成本约2000W, 人工费:8万元/年, 其他费用:5万元/年。

因此, 采用设备买卖方式, 用户3年可以回收成本, 3年后每年收益约614 (635-5-8×2) 万元。一般设备使用寿命在20~25年, 其效益相当可观。

7 结论

通过酒精制作工艺中余热利用方案的分析, 针对工艺中大量存在的低温热源, 通过ORC系统都可以得到有效的利用, 不仅降低了成本, 而且创造了大量收益, 提高了企业竞争力。

参考文献

[1]尹明, 王君高, 隋祎.酒精浓醪发酵蒸煮过程中节能减排的计算与分析[J].酿酒科技, 2012 (10) :81-83

[2]马新灵, 孟祥睿, 魏新利, 培萍, 常佳.有机朗肯循环的热力学分析[J].郑州大学学报 (工业版) , 2011, 32 (4) :95-98

[3]林红良, 张丽芳, 刘剑剑.朗肯循环发电系统热力过程的研究[J].船电技术, 2012, VO1.32增刊:42-43

有机朗肯循环系统 篇7

随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量的不断攀升,以及由于能源消耗带来的环境负担(如二氧化碳排放等),能源和环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。以低品位热能驱动的有机朗肯循环发电,可以实现用低品位能源(工业余热、太阳能、地热能、生物质能等)提供高品位能源(电能)。作为回收余热进而提高热力系统总体热效率,实现太阳能、地热能等可再生能源低成本利用,降低污染物排放、保护环境的一条有效途径[1],有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)近年来引起了越来越广泛的关注。张向辉等[2]对温位在600 K左右的水泥厂余热发电系统进行了火用分析并对其主蒸汽参数进行了优化;于淑梅等[3]则对水泥窑余热多次闪蒸———混汽发电系统的余热回收系统进行了火用评价。Florian Heberle等[4]对温度低于450 K的有机朗肯循环地热发电系统进行了火用分析;Mortaza Yari[5]则对地热温度在610 K左右的不同有机朗肯循环余热发电系统进行了火用评价。以上文献研究对象大多是对中高温位余热的有机朗肯循环发电系统的参数分析及优化,而对于低温位特别是温度低于383 K(110℃)的低品位热能的发电系统的研究报道较少。连红奎等[6]提出了在有机朗肯循环余热发电技术中利用300℃以下的余热,但是没有对系统进行分析及优化。此外,由于系统热效率较低,发电成本还较高,低品位热能发电系统的大规模的应用还远没有实现,因此通过对低品位热能有机朗肯循环系统的分析和优化,提高系统的循环效率,推动低品位热能发电系统的快速发展是很有必要的。

考虑到电能是能量品位最高的能量形式之一,而低温余热的能量品位较低,两者在能质上有着很大的差别,本文以温度低于383 K的低品位工业余热及可再生能源为对象,应用热力学第二定律分析方法[7],对ORC余热回收发电系统的完善性进行评价,并对组成设备性能变化引起的系统火用效率的影响进行分析,指出低品位热能发电系统从流程到参数的优化改进潜力。

1 有机朗肯循环系统流程

采用R245fa作为循环工质的余热发电系统流程如图1所示(图中1~4和Ⅰ~Ⅱ为状态点),T-s图如图2所示。R245fa是美国Honeywell公司推出的应用于发泡工业的一种新的不易燃、低压HFC制冷剂[8],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,该工质甚至比欧洲采用的HFC替代物戊烷的温室效应都要低15%[9],其相关物性参数如表1所示。

流程设备主要包括热媒加热的管壳式干式蒸发器、透平膨胀机、水冷冷凝器、供液泵、预热器和与余热直接进行热量交换的换热器。该余热发电系统为双工质回路系统,由两个循环组成。第一个循环是有机工质R245fa的循环做功过程,低压液态R245fa(点1)经过供液泵增压后(点2)进入预热器(点2a)预热,然后在蒸发器吸收热媒乙二醇水溶液(40%浓度)的热量转变为高温高压蒸气(点3);然后高温高压的R245fa推动膨胀发电机组做功,输出电能;膨胀机出口的低压蒸气(点4)进入冷凝器并冷凝为液态,如此往复循环。第二个循环是热媒乙二醇水溶液侧,乙二醇水溶液在外部换热器中与低品位热能(工业余热、太阳能、地热等)直接进行热交换吸收低温余热源的热量,然后在蒸发器中将吸收的余热传递给有机工质R245fa。本系统中,工质流经蒸发器时与之进行热量交换的是热媒乙二醇水溶液,这种方式能够对不同种类的余热进行回收。此外,有机工质侧循环中还增加了一个预热器,可以保证载热介质携带的热量得到充分利用。

2 系统火用分析模型[10]

火用是在一定的周围环境条件下,任一形式的能量中理论上能够转变为有用功的那部分能量,本文分析计算取环境状态为p0=0.1 MPa,T0=298.15 K。

2.1 设备及循环的质量平衡方程

式中∑min———所有流入设备的物流的质量流量/kg·s-1;

∑mout———所有流出设备的物流的质量流量/kg·s-1。

2.2 设备及循环的能量平衡方程

式中Q———输入系统热量/kJ;

W———输出系统净功/kJ;

hin、hout———系统进出口的比焓/kJ·kg-1。

2.3 设备及循环的火用平衡方程

式中Eheat———进入系统热量火用/kJ·kg-1;

We———输出系统功量火用/kJ·kg-1;

ein、eout———输入和输出系统比火用/k J·kg-1;

ΔE———系统的火用损失/kJ·kg-1。

2.4 设备及系统火用分析指标

利用2.3部分介绍的火用平衡及计算,对图1中各个设备及系统进行火用分析,评价指标计算式列于表2中。假定各设备与环境之间的换热量忽略不计,系统在稳态稳流状态下运行。

3 结果分析与讨论

本文所研究的有机朗肯循环系统(如图1所示)额定发电功率为750 k W,余热进口温度为383.15 K,工质R245fa的物性参数通过美国NIST(National Institute of Standards and Technology)Laboratories所开发的物性软件REFPROP7获得。首先分析计算了蒸发器出口压力p3=1.028 1 MPa时,该余热发电系统各部件的火用效率和火用损失等各种火用评价参数值,如表3和表4所示;根据计算所得值绘出的系统火用流图如图3所示。从火用流图3可以看出余热换热器的火用损是最大的,这是由于余热经过余热换热器换热之后温位依然保持在363 K左右,还有大量余热未被利用所致。由表4可知,有机朗肯循环和系统火用效率分别为45.07%和9.76%,远大于相应热效率7.78%和1.80%,说明该系统对低品位热能的回收利用程度较高。

本文还分别计算了系统两个主要换热设备蒸发器和冷凝器的压降Δp与传热系数值K的变化对有机朗肯循环系统的输出净功、系统火用效率和热效率及系统各部件火用损失变化的影响,提出了该低温余热发电系统主要换热设备的优化准则和方向。计算结果分别列于图4~图11中。

从文献中可以发现,一些阻力较大的管壳式换热器压降能达到0.1 MPa[12],不过大多数的管壳式换热器压降都在0~170 k Pa的范围之间,某些阻力较小的管壳式换热器压降甚至低于1 k Pa,如真空塔冷凝器[13];传热系数方面,一些性能较好的管壳式换热器传热系数能达到2 000 W/(m2·K)及以上[12]。根据上述文献介绍,本次计算选取的换热器压降变化范围为0~37 k Pa,传热系数变化范围为450~1 000 W/(m2·K)是完全可信并且可行的。本次模拟设计计算,假定换热器传热系数值K一定时,压降Δp在给定范围内变化,压降Δp一定时,传热系数K在给定范围变化,此种假设对于各种不同形式的管壳式换热器而言也是可信并且可行的。

由图4可知,随着蒸发器压降的升高,系统火用效率、系统热效率、朗肯循环火用效率、朗肯循环热效率均降低,且基本呈线性关系。在蒸发器压降为0的极限情况下的系统火用效率比压降为0.037 MPa时提高约0.43%,相应系统热效率提高0.09%;在蒸发器压降为0的极限情况下的有机朗肯循环火用效率比压降为0.037 MPa时提高约1.69%,相应热效率提高0.4%。因此,如果在保证换热效果不变或变化不大的情况下将蒸发器压降在一定程度内减小,系统火用效率将会得到一定程度的提升。由图5可知,随着蒸发器压降的减小,系统热效率也随之呈近似线性的趋势增大。如图6和图7所示,蒸发器总的传热系数从495 W/(m2·K)增加到500.8 W/(m2·K)时,系统火用效率、系统热效率、朗肯循环火用效率、朗肯循环热效率均随之增大,最大增加幅度分别可以达到0.54%、0.12%、2.44%和0.5%。

从图8和图9看出,随着冷凝器压降的升高,系统火用效率、系统热效率、朗肯循环火用效率、朗肯循环热效率均降低,且基本呈线性关系。在冷凝器压降为0的极限情况下的系统火用效率比压降为0.012 5 MPa时提高约0.52%,相应系统热效率提高0.11%;在冷凝器压降为0的极限情况下的有机

朗肯循环火用效率比压降为0.012 5 MPa时提高约2.29%,相应热效率提高0.49%。因此,如果在保证换热效果不变或变化不大的情况下将冷凝器压降在一定程度内减小,系统火用效率将会得到一定程度的提升。

如图10和图11所示,冷凝器总的传热系数K从913.81 W/(m2·K)增加到963.81W/(m2·K)时,系统火用效率和热效率基本上没有变化,但是有机朗肯循环火用效率和热效率分别增加0.02%和0.01%。从这里看出,冷凝器传热系数对系统效率和循环的效率影响不大。

由以上模拟计算结果可知,系统部件特别是换热设备的设计参数对系统及有机朗肯循环的热效率、火用效率等均有一定程度的影响,以此为指导,对系统各组成设备设计和运行参数进行进一步模拟和实验,寻求系统各换热设备的压降Δp、传热系数K和换热面积A之间的关联关系,实现从设备到系统的协同优化是很有必要的,这也是本文后续的工作。

4 结论

(1)建立了低品位余热发电有机朗肯循环系统的火用分析模型,对以R245fa为工质的温度低于383.15 K的低品位热能有机朗肯循环发电系统进行了火用分析,计算得到该有机朗肯循环和系统火用效率分别为45.07%和9.76%,相应热效率为7.78%和1.80%,朗肯循环的火用效率和热效率较高说明利用该循环可获得较高程度的低品位余热回收,然而该系统和循环的热效率较低,主要是因为排放的余热利用温差较小,大量的能量排放而未能有效回收,因此系统流程及设计参数还具有较大的改进潜力。

(2)分析了蒸发器和冷凝器在不同压降Δp和传热系数值K的条件下,系统的火用效率和热效率的变化趋势。得出在传热系数值K和传热温差Δtm不变的情况下,蒸发器压降和冷凝器压降对系统火用效率、系统热效率、有机朗肯循环火用效率和有机朗肯循环热效率均有一定的影响。在压降Δp和传热温差Δtm不变的条件下,蒸发器传热系数值对系统火用效率、系统热效率、朗肯循环火用效率、朗肯循环热效率较大影响,冷凝器传热系数值对系统火用效率、系统热效率、朗肯循环火用效率和热效率影响较小。

(3)从模拟计算结果可以看出,系统换热设备的设计和运行参数对系统的运行性能具有较大影响。以模拟计算和分析结论为指导,通过对系统各组成设备设计和运行参数进行进一步的模拟和实验,寻求系统各换热设备的压降Δp、传热系数K和换热面积A之间的关联关系,实现从设备到系统的协同优化对于提高低品位热能有机朗肯循环发电系统火用效率和热效率,降低发电成本是非常有效的。