几种低沸点工质余热发电系统的热力性能比较

王志奇^{1, 2}，周乃君¹，罗亮¹，张家奇¹，童道辉¹

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭，411105)

摘  要：基于低品位余热的有机朗肯循环(ORC)发电系统，以某工业装置排出的流量为3×10⁵ m³/h、温度为120 ℃的低温烟气为研究对象，针对几种高温有机工质，分析工质流量以及汽轮机膨胀比对系统性能的影响。研究结果表明：当工质流量小于15 kg/s时，汽轮机及循环热效率随着工质流量增大而迅速提高；但当工质流量超过15 kg/s时，汽轮机效率及热效率变化不大；工质的沸点越大，汽轮机内效率越高；随着汽轮机膨胀比的增加，系统所需的质量流量减小，而系统的热效率及效率提高；当工质流量或吸热量相同时，几种工质中R123的循环热效率最高，输出功率最大，是系统工质的较好选择。

关键词：余热发电；低沸点工质；有机朗肯循环；热力性能

中图分类号：TK11         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)06-2424-06

Comparison of thermodynamic performance for waste heat power generation system with different low temperature working fluids

WANG Zhi-qi^{1, 2}, ZHOU Nai-jun¹, LUO Liang¹, ZHANG Jia-qi¹, TONG Dao-hui¹

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Institute of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

Abstract: Based on the organic Rankine cycle (ORC) for low temperature heat recovery the relationship between system performance and mass flow rate and pressure ratio of several low temperature working fluids was researched. The heat resource is the flue gas whose volume flow rate is 3×10⁵ m³/h and temperature is 120 ℃ from a industrial installation. The results show that when the mass flow rate is less than 15 kg/s, the efficiency of turbine and system increases rapidly with the increment of it. However, it changes little when mass flow rate is more than 15 kg/s. The turbine efficiency improves with the boiling point temperature of working fluids. Mass flow rate decreases with the increase of turbine pressure ratio. On the contrary, the system efficiency and exergy efficiency increase with the increment of turbine pressure ratio. For ORC system, R123 owns maximal thermal efficiency and net output at the same mass flow rate or heat input, R123 is the best choice among the several researched working fluids.

Key words: waste heat power generation; low temperature wording fluid; organic Rankine cycle; thermodynamic performance

我国的能源利用率仅为30%，其余都以中低温余热形式排放到环境中，不但造成了巨大的能量浪费，而且给环境造成了巨大的热污染^[1]。据统计，在工业生产中排放的低品位余热约占总量的50%^[2-3]。随着化石燃料的枯竭及环境问题的日益严峻，中低温余热的回收利用技术成为节能领域研究的重要课题。有机朗肯循环(ORC)是回收低品位热能的有效技术途径^[4-5]。Badr等^[6]从临界压力、温度特性等方面研究有机工质的选用原则,并指出R113是一种比较理想的有机工质。当考虑工质的环保性能时，Maizza等^[7]认为R125及R134a是最适宜于ORC系统的工质。文献[8]的研究结果表明：采用混合工质能提高系统的发电量。Zhang等^[9]对太阳能ORC系统的性能进行分析，认为CO₂是一种具有广阔前景的有机工质。魏东红等^[10]以R245fa为工质，研究环境温度对系统性能的影响。研究结果表明：当环境温度为25 ℃时，系统输出功率偏离额定功率可达30%。然而，这些研究中一些工质因环保问题(如R113)而被禁用，而某些有机工质(如R125，R134a及CO₂等)在较高温度范围时，系统的蒸发压力和冷凝压力较高，导致系统承受的压力偏高，降低系统的经济性。本文作者根据工质的选用原则选用几种典型的有机工质，运用热力学第一定律及第二定律，比较分析工质流量及汽轮机膨胀比对系统性能的影响，以便为回收低温烟气余热提供理论依据。

1  ORC系统工质分析

在ORC系统中，工质的特性对系统性能有很大影响。在选用工质时，应考虑以下几点^{[6, 11-12]}：

(1) 临界温度应该高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸多问题。

(2) 循环中最高温度所对应的饱和压力不应过高，过高的压力将会导致机械承压问题，进而增加不必要的设备费用。

(3) 循环中最低饱和压力不宜过低，最好能保持正压，以防止外界空气的渗入而影响循环性能。

此外，工质在满足热力学性质方面要求的同时，也必须满足环保要求。臭氧层衰减指数(ODP)和温室效应指数(GWP)是工质的2个重要环保指标，应选用ODP与GWP较低的工质。通过对多种有机工质的调查和研究，选择几种适合上述要求的工质，其基本参数如表1所示^{[3, 12-14]}。

2  系统热力过程分析

ORC系统构成及热力循环如图1所示^[15-16]。其中：1~2为密封泵对工质加压过程；2~3为工质在蒸发器中吸收低品位余热的过程，为等压吸热过程；3~4a为工质在汽轮机中膨胀做功过程，为绝热过程(在理想状态下，即汽轮机内效率为1时，该过程在图1中为3~ 4 s)；4a~4~1为工质在冷凝器中的放热过程，为等压放热过程。当系统处于稳定状况时，在过程1~2中，泵消耗的功率为：

              (1)

式中：为工质的质量流率，kg/s；为泵的效率，%；h₁和h₂为状态1和2工质的比焓，J/g。

在过程2~3中，蒸发器中工质的吸热量为：

              (2)

式中：h₃为状态3工质的比焓，J/g。

根据能量平衡原理，烟气出口温度为：

             (3)

式中：T_in为烟气的进口温度，K；为烟气的质量流率，kg/s；C_in和C_out分别为烟气进、出口温度对应的定压比热容，J/(g·K)。

表1  几种有机工质的基本参数

Table 1  Properties of several organic working fluids

图1  ORC系统示意图

Fig.1  Sketch of ORC system

在过程3~4a中，汽轮机的输出功率W_t为：

             (4)

汽轮机采用单级形式，根据文献[17]对汽轮机通流部分进行计算，循环过程中汽轮机内效率可表示为：

                 (5)

式中：h_4s和h_4a分别为状态4s和4a工质的比焓，J/g。

在过程4a~1中，工质在冷凝器中的放热量为：

              (6)

根据热力学第一定律，循环系统的热效率，即：

        (7)

式中：为泵的效率；为汽轮机的效率；h₁，h₂和h₃分别为状态1，2和3下工质的比焓，J/g；h_4s为状态4s下工质的比焓，J/g。

烟气的可表示为：

       (8)

式中：h_in为烟气进口处的比焓，J/g；T_a为环境温度，K；s_in和s_a分别为进口温度和环境温度下烟气的比熵，J/(kg·K)。根据热力学第二定律，循环系统的效率为：

                (9)

3  计算结果分析

本文以某工业装置排出的120 ℃的低温烟气为研究对象，烟气流量为3×10⁵ m³/h，计算并分析工质流量、汽轮机膨胀比对系统性能的影响。在热力计算中，设定环境温度为25 ℃，工质泵的绝热效率为0.8。

3.1  工质流量对系统性能的影响

当工质在汽轮机进口处的温度为100 ℃(过热度为3 ℃)，冷凝温度为28 ℃时，计算得到不同工质流量与ORC系统性能间的关系，如图2~4所示。

从图2可以看出：工质流量对汽轮机内效率有较大影响；对于不同工质，汽轮机内效率随着工质流量的变化趋势一致；当工质流量小于15 kg/s时，汽轮机内效率较低，随着工质流量的增大，汽轮机内效率迅速提高。这主要是由于工质流量较小时，汽轮机的级内损失增加。所谓的级内损失包括叶高损失、扇形损失、叶轮摩擦损失，部分进气损失、漏气损失等几个部分；随着工质流量的减小，汽轮机的叶片高度降低，导致叶高损失和叶轮摩擦损失明显增大，使得汽轮机内的级内损失增加；当工质流量超过15 kg/s时，汽轮机的内效率变化不大；当工质流量相同时，在几种工质中，R141b的汽轮机内效率最高，而R236ea的内效率最低；当工质流量超过30 kg/s时，不同工质的汽轮机内效率基本相同。此外，随着工质沸点的提高，汽轮机内效率增大。

图2  不同工质流量时汽轮机内效率

Fig.2  Turbine efficiency at various mass flow rates

图3  不同工质流量时系统热效率

Fig.3  System efficiency at various mass flow rates

图4  不同工质流量时系统效率

Fig.4  Exergy efficiency at various mass flow rates

从图3可以看出：随着工质流量的增加，由于汽轮机的内效率增加，系统的热效率提高。由于各工质的热物性参数不同，不同工质的热效率存在一定差异。在同一工质流量下，R123的循环热效率最高，而R236ea的热效率最低；当工质流量为30 kg/s时，R123的热效率为13.4%，比R236ea的热效率高17.5%。

与热效率不同，在几种工质中，异戊烷(Iso-C₂H₅)的系统效率最高，R236ea的效率最低，如图4所示。这主要是由于工质流量相同时，系统效率取决于工质在汽轮机内等熵膨胀过程中的焓降。当工质流量为20 kg/s时，异戊烷和R236ea的焓降分别为70.6和30.2 J/g，对应的效率分别为76.0%和30.2%。这表明：对于单位工质，异戊烷的做功能力最大，而R236ea最小。

图5所示为不同工质流量时烟气出口温度。由图5可知：随着工质流量的增大，工质的吸热量也线性增加，烟气出口的温度逐渐降低。在几种工质中，异戊烷出口的烟温下降最快，而R236ea下降最慢，这与不同工质蒸发潜热相对应。然而，受传热因素及工艺要求的制约，装置的排烟温度应不低于60℃，此时，R123的循环热效率及效率最高，分别为13.3%和77%，系统的净功最大，为1121.8 kW，对应的质量流量为39.5 kg/s；R236ea的热效率及效率最低，分别为11.36%和64.7%，净功为953.7 kW，质量流量为41.4 kg/s。这表明：当ORC系统吸热量一定时，采用R123能产生最大的有用功。

图5  不同工质流量时烟气出口温度

Fig.5  Gas outlet temperature at various mass flow rates

3.2  膨胀比对系统性能的影响

汽轮机膨胀比为汽轮机进出口压力的比值。当工质进入汽轮机的温度不变，烟气出口温度为60 ℃时，不同膨胀比下系统的工质流量、热效率及循环效率如图6~8所示。

从图6可以看出：对于同一工质，系统所需的质量流量随着膨胀比的增加而减小。这是因为膨胀比增加时，单位质量工质的吸热能力增加，吸收相同热量所需要的工质流量相应减小。例如对R123，当膨胀比为2.0时，单位工质的吸热量为169.2 J/g；当膨胀比为6.0时，吸热量为206.9 J/g。对不同工质，当膨胀比相同时，蒸发潜热大的工质所需的流量小；反之，蒸发潜热小的工质，所需质量流量大。又如，当膨胀比为5.0时，异戊烷所需的质量流量最小，为19.22 kg/s；R236ea的质量流量最大，为43.6 kg/s。

图6  不同膨胀比时的工质流量

Fig.6  Mass flow rate at various pressure ratios

图7  不同膨胀比时系统热效率

Fig.7  System efficiency at various pressure ratios

图8  不同膨胀比时的效率

Fig.8  Mass flow rate at various pressure ratios

从图7和图8可以看出：系统热效率及效率随着膨胀比的变化规律基本相同，都随着膨胀比的增加而逐渐提高。这主要是当膨胀比增加时，工质在汽轮机内的焓降增大。在几种工质中，R123的效率最高，而R236ea的效率最低；当膨胀比为5.0时，R123的热效率为11.7%，此时效率为66.6%，对应的输出功率为981.4 kW；R236ea的热效率为10.1%，效率为61.9%，对应的输出功率为863.6 kW。

4  结论

(1) 工质流量对汽轮机的内效率、热效率有较大影响。针对流量为3×10⁵ m³/h、温度为120 ℃的低温烟气，当工质流量小于15 kg/s时，汽轮机内效率及热效率变化较大；当流量大于15 kg/s时，变化趋于平缓；当流量大于30 kg/s时，不同工质的汽轮机基本相同。

(2) 随着汽轮机膨胀比的增加，系统所需的工质流量逐渐减少，而热效率及效率提高。工质的蒸发潜热越大，所需的工质流量越小。

(3) 在几种工质中，当工质流量或吸热量相同时，R123的循环热效率最高，输出功率最大，是ORC系统工质的较好选择。

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(编辑 陈爱华)

收稿日期：2009-10-15；修回日期：2009-12-28

基金项目：科技部创新基金资助项目(08C26224302178)；湖南省科技厅计划项目(2009GK2009)；湘潭大学校级科研项目(08XZX21)

通信作者：周乃君(1963-)，男，湖南临澧人，教授，博士生导师，从事工业节能技术研究；电话：13973160806；E-mail: njzhou@mail.csu.edu.cn