废热源驱动的有机朗肯循环系统夏冬季节性能比较

1、废热源驱动的有机朗肯循环系统夏冬季节性能比较魏东红 陆震 鲁雪生 顾建明 摘要： 比较了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC)系统在夏冬季节的性能变化，循环工质为HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）。在回收利用微型燃气轮机排放废热的 方法 中，ORC系统具有良好的机动性、高度的安全性、对于维护保养的要求比较低等优点。对于空气冷却的ORC系统，由于夏冬季节环境温度的差异，其性能有很大的差别，对于所 研究 的系统输出功偏离额定工况达30 % 以上。根据各地的实际情况，合理选择额定工况点，使系统四季均工作在额定工况点周围，有助于有效、稳定的工作。同时，由于夏季循环的平均温度与环境间的温差减

2、小，使系统总不可逆 损失减小，即系统对废热的利用更加充分。 关键词： 废热 朗肯循环 系统性能 1 前言 我国虽然是个能源大国，但是能源的人均占有量非常低，且能源的利用率也不高。随着 经济 的不断 发展 ，能源的生产和消费、能源与环境之间的矛盾不断增大。如何提高能源的利用率，减小能源对环境的污染越来越引起 社会 的广泛关注。大多数 工业 过程或电厂排放大量的烟气，温度一般低于370。如果直接排放到空气中，大量的热能被浪费掉且会造成环境的热污染；如果以传统的方式加以回收，其经济效益又非常有限。有机朗肯循环(ORC)系统具有良好的机动性、高度的安全性及对于维护保养的要求比较低等优点。将其整合到能源

3、系统，即以烟气余热驱动有机朗肯循环发电，可以实现用低品位能源(废热)提供高品位能源(电能)，减轻电力负担，提高总的发电效率及发电量，在相同输出的条件下，减少了二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护 1 。根据需要，经过有机朗肯循环利用后的废气还可以用来驱动吸收式制冷机制冷，进一步提高系统的能源利用率。有机朗肯循环(ORC)系统的工作状况主要取决于以下两个因素：循环工作条件及工质热力性能。循环工作条件取决于热源。工质的热力性能在选取工质时应充分考虑。根据饱和蒸汽曲线的斜率，工质可分为三种：(1)斜率为负的湿流体，大多为低分子量工质，如水、氨，它们的等熵膨胀一般会产生冷凝现象；(2)斜率为正的干流

4、体，大多为高分子量流体，如CFC-113及苯等；(3)具有近乎垂直的饱和蒸汽曲线的等熵流体，如CFC-11、HCFC-134a等。干流体及等熵流体在饱和蒸汽状态下，即可推动涡轮机做功，且不会使得状态点落到变相饱和区内，造成液滴侵蚀涡轮机叶片的情形。一般来说，干流体适于较高的工作温度，等熵流体则在低温区中有较佳表现 2 。据Tzu-Chen Hung 1 报道对二甲苯（p-xylene）适合于回收温度在300 左右的高温废热，而R113和R123在回收200 的低温废热时有很好的性能。而据 文献 3报道，当废热的温度在150 200 的范围内HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）的性

5、能比R123好。文献3讨论了HFC-245fa在利用分布式发电系统废热来驱动的有机朗肯循环中的 应用 。HFC-245fa是Honeywell公司推出的应用于发泡工业的一种新的不易燃(non-flammable)、低压HFC制冷剂 3 。它属于等熵流体 4 ，具有较高的临界温度(427.2K)。在废热回收中的操作条件下它处于中压范围 5 。表1 HFC-245fa的相关参数 化学名称 1,1,1,3,3-五氟丙烷 分子式分子式 CF3CH2CHF2 临界压力(kPa) 3640 临界温度(K) 427.20 临界密度(kg/m 3 ) 517.0 本文研究了回收温度在630 K左右的烟气废热的

6、ORC系统夏冬季节的性能，系统采用HFC-245fa作为工质。2 ORC系统热力 分析 6、7 (a) ORC系统流程图(b) ORC系统温熵图图1 ORC系统流程图和温熵图图1 (a) 是ORC系统流程图，包括高温废气加热的干式蒸发器，空气冷却的冷凝器，储液器，液体泵和单级蒸汽透平发电机组。循环工质R245fa在蒸发器内被高温废气加热、汽化，变成高温高压蒸汽。随后进入蒸汽透平，膨胀作功发出电力。作功后的乏气进入冷凝器冷凝成液体，然后进入储液器。自储液器流出的循环工质由液体泵加压后进入蒸发器，开始下一个循环。图1（b）给出了系统的温熵图。3 环境温度对ORC系统性能的 影响 分析和讨论 本文主

7、要考察环境温度变化时，ORC系统对外输出功、系统效率、能源利用率及系统各部件 损失的变化。所研究的ORC系统的额定功率为100 kW，废气的进口温度在610650 K之间。工质HFC-245fa的物性参数来自美国NIST(National Institute of Standards and Technology) Laboratories 所开发的物性软件REFPROP 6.0 8 。采用Modelica/Dymola平台 9 、 10 ，编制仿真模型。(a) 环境温度与系统效率、输出功(b) 环境温度与系统效率、能源利用率图2 环境温度与系统效率、输出功、能源利用率由图2 (a) 知，随着环境温度的提高，系统效率与系统输出功均降低，基本呈线性关系。换句话说，相对于冬季（假定室外气温在6 左右），夏季系统（假定室外气温在25 左右）的输出功和效率均会大大降低，比额定工况低30% 以上。近年来夏季持续高温，环境温度远远高于25 ，此时系统性能将大大恶化，甚至不能工作。因此，应根据所在地四季的温度，合理选择额定工况设计温度值，减少实际运行过程中系统输出功过分偏离额定工况，系统不能有效工