低温余热发电系统的实验研究

　　【摘要】将低品位热能转化为电能的有机朗肯循环余热发电系统，操作温度低、安全性高、有优良的负荷适应能力及热经济性。本文对自主设计的R123为工质的温度120℃左右的有机朗肯循环进行实验研究及分析，计算得到了各设备及管路段的不可逆损失，结果表明：蒸发器、冷凝器、膨胀机、泵的不可逆损失依次降低，且膨胀机出口到冷凝器入口段管路的不可逆损失占总不可逆损失的7.47%，不可忽略。
　　【关键词】余热发电；有机朗肯循环；实验研究；不可逆损失
　　0.引言
　　据有关统计，有50%以上的工业耗能，它们以不同形式的低品位废热或余热排放到大气中，其中包含CO2、NOX、SO2、粉尘等污染物，既浪费了能源，又污染了环境，在中国，能源利用率仅为33% 左右。低温余热发电有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC），能将低品位的余热转换为高品位的电能，有助于解决能源问题，还能减少能源利用过程中污染物的排放，同时又提高了能源的综合利用率，并且具有操作温度低、机动性好、安全性高、维修保养简单等特点，被认为是一种切实可行的热电转换技术[1-5]。
　　近些年，有机朗肯循环系统性能的研究引起了国内外学者的关注。Chandramohan Somayaji[6]用火用轮法和拓扑法对热源温度为300℃，蒸发压力为2.5MPa的基本有机朗肯循环进行了火用分析，研究表明：蒸发器是具有最大火用损失（40kW）的部件，其次是膨胀机，火用损失为11.1kW；李晶[7]等分别对以R123为工质，热源温度为100℃、90℃、80℃、70℃的基本有机朗肯循环进行了实验研究，并计算了系统和各设备的火用效率和火用损失，结果表明：ORC系统在热源温度为80℃，膨胀机的转速40000rpm左右时，膨胀机的等熵效率为0.68，系统热效率为7.4%，且当热源温度为100 ℃时，系统的总不可逆损失为4.7kW，火用效率为40%，蒸发器的火用损失最大占41%，冷凝器占33%，主要是换热过程中较大的不可逆传热温差引起的。
　　文献表明，有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）采用低沸点的有机工质，膨胀后处于过热状态，不会对膨胀机叶片产生侵蚀，因此本文采用R123工质，对热源温度为120℃左右的有机朗肯循环余热发电系统进行了实验研究，对实验数据进行处理，计算了系统各设备及管路的不可逆损失情况，指出系统优化改进的方向。
　　1.有机朗肯循环发电系统的原理
　　采用R123作为循环工质的有机朗肯循环系统简图如图1所示，系统主要由蒸发器、向心透平膨胀机、冷凝器、泵4组设备组成，低压液态的R123经工质泵增压后进入蒸发器与电加热的导热油进行换热转变为高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，然后进入膨胀机推动叶片高速旋转做功，经机械设备连接发电，膨胀机出口的过热乏汽进入冷凝器，由冷却水冷凝为液态，进入工质泵，完成循环。
　　上述式中，hi为各状态点的比焓值，kJ/kg；his为各状态点的等熵比焓值，kJ/kg； si为各状态点的比熵值，kJ/（kg·K）；Q1、Q2分别为蒸发器的吸热量和冷凝器的放热量，kW；Ie、It、Ic、Ip分别为蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵的不可逆损失，kW；Ii为管路段的不可逆损失，kW；qm为工质的质量流量，kg/s； T0、TH、TL分别为环境、高温热源、低温热源的温度，K；Wt，ideal、Wp，ideal分别是理想状态下膨胀机的输出功和泵的耗功，kW；ηt、ηp分别是膨胀机和泵的等熵效率。
　　三、对实验数据进行处理
　　利用有机工质R123回收温度为120℃左右的余热进行发电时，对自行研发的有机朗肯循环系统进行实验，记录实验数据，取一组实验数据，工质流量为0.2298 kg/s，导热油进口温度为124.42℃，出口温度为89.46℃，对各状态点运用制冷剂物性软件REFPROP 9.0 查询并进行计算，结果如表1所示。
　　根据表1各点的状态参数值及1-11计算公式进行计算，得到系统各设备的性能指标如表2，由表可知，循环系统的热效率为5.04%，火用效率为19.34%，比较低，总的不可逆损失为12.25 kW。
　　由实验数据分析得出，蒸发器是有机朗肯循环系统不可逆损失最大的设备，为6.44 kW占总不可逆损失的51.71%，主要是因为导热油出口温度为89.46℃，蒸发器工质入口温度仅为21.058℃，温度相差68℃左右，也就说蒸发器在换热过程中工质之间温差大，造成的不可逆损失大，因此可以增大工质的蒸发温度，减少蒸发器内的换热温差，从而减小不可逆损失。
　　其次是冷凝器，为4.45kW，占35.78%，冷凝器入口工质的温度为95.854℃，而冷却水出口温度根据实验可知为30℃左右，相差65℃，同样温差大，造成的不可逆损失大，可以想法降低冷凝器入口工质温度，即膨胀机出口乏汽温度，可以增加一回热器，经回热后，温度降低，传热温差小，不可逆损失小。
　　膨胀机和工质泵的不可逆损失小，基本可以满足实验要求。
　　膨胀机出口到冷凝器入口管路段，不可逆损失占总损失的比例较大为7.47%，主要是因为在试验台的搭建过程中，为了避免路线密集交叉，管路走旁路，弯管段多，且弯度大，湍流严重，能量损失大，造成的不可逆损失大，与实验前的预期基本符合，可以再实验的基础上对管路走向改进，降低损失。
　　四、结论
　　对自助搭建的试验台，选择低沸点的R123为工质，热源温度为120℃左右的低温余热发电系统进行实验，并分析得到的结论如下：
　　（1）对实验数据处理得到，系统蒸发器、冷凝器、膨胀机、工质泵四组设备的不可逆损失依次降低，且蒸发器和冷凝器的不可逆损失都是因为换热过程中大的不可逆损失造成的，以后的实验中，可以增大蒸发温度和添加回热器减少不可逆损失，提高系统性能。
　　（2）膨胀机出口到冷凝器入口管路段管路铺设不合理，弯管多，造成的不可逆损失大，可以对管路的走向合理布局，减少弯管数量和弯度，减少不可逆损失。
　　参考文献：
　　[1] 王建财.低温余热发电模型的研究[D]. [硕士学位论文]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003.3.
　　[2] 张红.用低沸点工质的朗肯循环（ORC）方法回收低位工业余热[J].节能，2004，（11）：22-25.
　　[3] 徐晓村.纯低温余热发电的动力利用分析[J].能源工程，2005，（4）：22-25.
　　[4] 顾伟. 低品位热能有机物朗肯动力循环机理研究和实验验证[D]. [博士学位论文].上海：上海交通大学，2009， 12.
　　[5] 顾伟，翁一武，曹广益等. 低温热能发电的研究现状和发展趋势[J].热能动力工程，2007，22（2）：115-222.
　　[6]Somayaji C. First and second law analysis of Oragnic Rankine Cycle [D]. USA：Mississippi State University，2008.
　　[7]Jing Li， Gang Pei， Yunzhu Li， Dongyue Wang， Jie Ji，Energetic and exergetic investigation of an organic Rankine cycle at different heat source temperatures.Energy，2012，38（16）：85-95.

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