(1. 国电浙江北仑第一发电有限公司 浙江宁波 315800; 2. 国电电力发展股份有限公司 北京 100101;
3. 山东齐鲁电机制造有限公司 山东济南 250100; 4. 华北电力大学控制与计算机工程学院 北京 102206)
摘要:建立有机朗肯循环低温余热发电过程的物理模型,分析热力系统参数和运行效率的关系,揭示有机工质热物性、蒸发温度、冷凝温度和过热度等因素对循环热效率和净输出功率的影响规律。结果表明在本计算工况下,有机工质R141b的循环热效率和净输出功率最大,为最优工质。净输出功率随膨胀比和过热度的增加而单调增大。循环热效率随蒸发温度和过热度的增加,均先增大,后减小。蒸发温度为140℃时,循环热效率取得最大值17.86%。循环热效率、膨胀比和净输出功率均随冷凝温度的增加而单调降低。
关键词:有机朗肯循环;低温余热发电;有机工质;循环热效率;蒸发温度
1.引 言
为了利用冶金、水泥、化工和电力等工业生产过程中200℃以下的余热废气,有必要开发新技术利用这部分能量品味较低、难以充分利用的低温余热,以提高能源综合利用效率[1-3]。目前最有前景的低温余热利用方法是基于低沸点有机物作为循环工质的有机朗肯循环(简称ORC)发电技术,能将热水、废烟气或废蒸汽中的余热热能转化为机械能和电能[2-5]。
本研究拟建立有机朗肯循环低温余热发电过程的物理模型,分析热力系统参数和运行效率的关系,揭示有机工质热物性、蒸发温度、冷凝温度和过热度等因素对循环热效率和净输出功率的影响规律。本文的分析有助于了解有机工质和运行参数的选择对基本ORC循环的影响规律,优化系统指标,提高能量的综合利用效率。
2.工作原理
图1示出有机朗肯循环系统主要包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和压缩泵4个部分。图2示出理想有机朗肯循环包括定压加热(5-6-7-1)、绝热膨胀(1-2)、定压冷却(2-3-4)和绝热加压(4-5)四个热力过程[1-5]:
(1)绝热加压(4-5)。储液器中的液态工质通过压缩泵,近似等熵绝热压缩,升压成为低温高压的过冷液体,再送入蒸发器。
(2)定压加热(5-6-7-1)。有机工质在蒸发器中被热源加热,有机工质等压吸热,升温转变成高温高压的饱和蒸气或过热蒸气,随后进入膨胀机。
(3)绝热膨胀(1-2)。高温高压的蒸气在膨胀机中近似等熵膨胀,推动膨胀机的转轴旋转做功,将热能转化为机械能,进而带动发电机转子转动发电,将机械能转化为电能。
(4)定压冷却(2-3-4)。做功后的低温低压乏气进入冷凝器中,被低温热源定压冷凝成饱和液体,回到储液器,再由压缩泵升压,送入蒸发器,完成一个热力循环。如此反复循环,实现将余热热源的内能转换成有用功。
3.物理模型
模型假设条件包括1)系统处于稳定流动状态;2)忽略向环境的散热损失;3)蒸发器、冷凝器和连接管道的压力损失和焓降忽略不计。
(1)定压加热过程(5-6-7-1),有机工质吸收的热量Qev为:
4.结果分析与讨论
4.1 工质类型的影响
冷凝温度Tcond选定为25℃,蒸发温度Tev选定为110℃,膨胀机入口过热度为20℃。选择常见的六种有机工质R245fa、R245ca、R236ea、R236fa、R141b、R142b,工质的选择保证基本ORC系统为亚临界热力循环,工质的物性参数来自NIST 提供的REFPROP9.0程序。
表1示出在同样的蒸发温度、冷凝温度和过热度条件下,ORC循环热效率从高到低依次为R141b>R142b>R245ca>R245fa>R236ea>R236fa,ORC循环净输出功率从高到低依次为R141b>R245ca>R142b>R245fa>R236ea>R236fa。不同工质的热物性有较大的差别,不同的蒸发温度、冷凝温度和过热度,对应不同的最优的工质。
在本计算工况下,有机工质R141b的循环热效率和净输出功率最大,为最优工质。R142b、R245ca和R245fa的性能次之,R236ea和R236fa的性能最差。
4.2 蒸发温度的影响
图4 基本ORC循环热效率和净输出功率随冷凝温度的变化关系
冷凝温度Tcond选定为25℃,蒸发温度Tev为80~180℃,过热度为20℃,有机工质为R141b。图3示出ORC循环热效率随蒸发温度的增加先增大,后减小,在蒸发温度140℃时,循环热效率取得最大值17.86%。净输出功率随蒸发温度的增加而单调增大,但当蒸发温度大于140℃时,净输出功率的增长速度变缓慢。
4.3 冷凝温度的影响
蒸发温度Tev为110℃,冷凝温度Tcond选定为25~40℃,过热度为20℃,有机工质为R141b。图4示出基本ORC循环热效率和净输出功率随冷凝温度的增加而单调降低。所以应尽量降低冷凝温度,以获得更高的热力循环热效率和净输出功率。降低冷凝温度需降低冷却水温度或者增大换热面积。冷却水温度受环境温度的影响,增大换热面积受到材料体积和成本的限制。
4.4 膨胀机入口过热度的影响
蒸发温度Tev为110℃,冷凝温度Tcond选定为25℃,膨胀机入口过热度为0~80℃,有机工质为R141b。图5示出基本ORC循环热效率随膨胀机入口蒸气过热度的增加先增大,后降低。在过热度为50℃时,循环热效率的最大值为15.054%。基本ORC循环净输出功率随膨胀机入口蒸气过热度的增加而单调线性增大。
图5 基本ORC循环热效率和净输出功率随蒸气过热度的变化关系
5.结 论
建立有机朗肯循环低温余热发电过程的物理模型,分析有机工质热物性、蒸发温度、冷凝温度和过热度等因素对循环热效率和净输出功率的影响规律。结果表明:
(1)在本计算工况下,有机工质R141b的循环热效率和净输出功率最大,为最优工质。R142b、R245ca和R245fa的性能次之。
(2)循环热效率随蒸发温度和过热度的增加,均先增大,后减小。蒸发温度为140℃时,循环热效率取得最大值17.86%。
(3)净输出功率随膨胀比和过热度的增加而单调增大。循环热效率、膨胀比和净输出功率均随冷凝温度的增加而单调降低。
参考文献:
[1]刘超, 徐进良. 中低温地热发电有机朗肯循环工质筛选[J]. 可再生能源, 2014, 32(8): 1188-1194.
[2]彭继慎,鲁广栋,宋立业,李逃昌. 喷射器对地热有机朗肯循环发电系统性能的影响[J]. 热能动力工程, 2016, 31(7): 30-35, 132.
[3]杨凯, 张红光, 宋松松, 贝晨, 常莹, 王宏进. 车用柴油机-有机朗肯循环联合系统的设计及分析[J]. 内燃机工程, 2016, 37(3): 117-122.
[4]梁志辉,罗向龙,陈颖,莫松平. 气液分离双压有机朗肯循环系统的热力学分析及优化[J]. 热能动力工程, 2016, 31(4): 24-32.
[5]张丽娜, 朱彤, 王海鹰. ORC系统热力性能计算程序开发[J]. 热能动力工程, 2014, 29(1): 41-45.
论文作者:任海峰1,韩冰2,包海斌1,刘德刚3,王锐4,赵俊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第7期
论文发表时间:2017/6/28
标签:工质论文; 热效率论文; 温度论文; 输出功率论文; 热度论文; 余热论文; 低温论文; 《电力设备》2017年第7期论文;