废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析

第40卷第8期　2006年8月上海交通大学学报J OU RNAL OF SHAN GHA I J IAO TON G UNIV ERSIT YVol.40No.8　Aug.2006　收稿日期:2005208208作者简介:魏东红(19782),女,江西九江人,博士生,主要研究方向为废热利用的有机朗肯循环的系统仿真与性能分析、优化等.陆　震(联系人),男,教授,博士生导师,电话(Tel.):021*********;E 2mail :zlu @. 文章编号:100622467(2006)0821398205废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析魏东红,　陆　震,　鲁雪生,　顾建明(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200030)摘　要:预测了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC )系统在变工况下的性能,循环工质为R245fa(1,1,1,3,32五氟丙烷).在经过实验数据验证的模型基础上,对所研究的ORC 系统进行了变工况分析.结果表明:充分利用烟气余热,有助于系统性能的提高;对冷凝器中的工质应合理冷却,所研究系统的过冷度在0.5～0.6K 为宜;由于夏季环境温度大大高于冬季,所研究系统的输出功偏离额定工况30%以上;根据各地的实际情况,合理选择额定工况设计点,可以改善系统性能,使之四季工作在额定工况点周围,有利于系统有效工作.关键词:废热回收;朗肯循环;系统性能中图分类号:TB 61 文献标识码:APerformances Analysis of the Organic Rankine CycleDriven by Exhaust under Disturbance ConditionsW EI Don g 2hong ,　L U Zhen ,　L U X ue 2s heng ,　GU J i an 2mi ng(Inst.of Ref rigeration and Cryogenics ,Shanghai Jiaotong U niv.,Shanghai 200030,China )Abstract :The performance predictions of organic Rankine cycle (ORC )using R245fa (1,1,1,3,32pentaflu 2orop ropane )as organic working fluid driven by exhaust were presented.Based on t he developed and valida 2ted modeling p rogram ,t he t hermodynamic performances of an ORC system under dist urbance conditio ns were analyzed.The result s show :using exhaust as much as po ssible is a good way for t he improvement of system performance ;t he degree of sub 2cooling at t he outlet of condenser should be in an appropriate range ,0.5～0.6K is appropriate to t his cycle ;when t he temperat ure of environment is too high ,t he sys 2tem export performance would be deteriorate ,in t he summer t he deviation to nominal state would be ex 2cess 30%;and according to t he real sit uation choosing a p roper nominal state is a good idea to t he efficient working of t he system.Key words :waste heat recovery ;Rankine cycle ;system performance符号说明:h ———工质的比焓,kJ /kgI ・———火用损失,kWn ———风机个数q m ———质量流量,kg/s s ———比熵,kJ/(kg ・K )T H ———热源平均温度,KW f ———单个风机功率,kW W ———总功率,kWη———效率 ηm ———透平的机械效率 Φ———热流量,kW 下标 amb ———环境 s ———等熵 f ———风机sys ———系统 p ———泵t ———透平 我国虽然是个能源大国,但是能源的人均占有量非常低,且能源利用率也不高.随着经济的不断发展,能源生产与消费、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的大量烟气,温度一般低于370℃,如果直接排放到空气中,不仅大量的热能被浪费而且会对环境造成热污染;以传统的方式加以回收,其经济效益又非常有限.将有机朗肯循环(ORC )系统整合到能源系统,即以烟气余热驱动ORC ,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ORC 利用后的废气还可用作吸收式制冷机的驱动热源来提供冷量,进一步提高系统的能源利用率.本文研究的ORC 系统采用R245fa 作为工质,回收温度在630K 左右的烟气废热.在经过实验数据验证的模型基础上[2],对其在变工况下的工作性能进行了分析.1　系统热力分析[3,4]ORC 系统流程图参见文献[2].图1所示为本文ORC 系统典型工况的温熵图.图1　ORC 系统温熵图Fig.1　A typical T -s process diagram for theinvestigated ORC system 假定系统处于稳定工况下: (1)状态点1～2,可假定为绝热加压过程,不可逆性相对很小,即液体泵中火用损失I ・12≈0.泵所耗功为W p =q m (h 2-h 1)(1) (2)状态点2～3,为等压加热过程,热源平均温度为T H ,蒸发器中火用损失为I ・23=q m T amb (s 3-s 2)+h 2-h 3T H(2)输入系统的废热热量为Φ=q m (h 3-h 2)(3) (3)状态点3～4a ,透平将热转化为功,理想状态下,为等熵过程3到4s .实际过程中,透平中的能量转化不可能达到100%,如图1中4a 点所示.透平中的等熵效率为ηs =h 4a -h 3h 4s -h 3(4)透平对外输出功为W t =q m (h 3-h 4a )ηm(5)透平中火用损失为I ・34a =q m T amb (s 4a -s 3)(6) (4)状态点4a ～5,等压冷凝过程,冷凝器中火用损失为I ・4a5=q m T amb (s 1-s 4a )+h 4a -h 1T amb(7)冷凝器采用风机冷却,风机耗功W f =nW f (5)状态点5～1,可假定为理想绝热过程,忽略储液器的静态液压和流动阻力损失,可视为既等熵又等焓的过程,即储液器中火用损失I ・51≈0,且h 5≈h 1.系统输出净功为W sys =W t -W p -W f系统效率ηsys =W t -W p -W fΦ 结合式(2)、(6)、(7),得系统总火用损失:I ・sys =I ・12+I ・23+I ・34a +I ・4a5+I ・51≈q m T ambh 2-h 3T H +h 4a -h 1T amb2　变工况下ORC 系统性能分析 本文在单一参数扰动的条件下,研究ORC 系统性能的变化,主要是对外输出功、系统效率及系统各部件火用损失的变化.所研究的ORC 系统的额定功率为100kW ,废气的进口温度在610～650K.工质R245fa 的物性参数来自美国N IST (National Insti 2t ute of Standards and Technology )实验室所开发9931　第8期魏东红,等:废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析 的物性软件REFPROP 6.0[5].采用Modelica/Dy 2mola 平台[6、7],编制仿真模型.在经过实验验证的系统模型[2]基础上进行变工况分析.2.1　烟气质量流量对系统性能的影响图2(a )显示了系统效率、输出功与烟气质量流量的关系.可见,系统对外输出净功随着烟气质量流量的增大而显著增大,而随着烟气质量流量的增加系统效率也有所提高,均呈线性关系.因此,应根据工质的特性,尽可能充分利用烟气的余热,以提高系统的效率和输出功.需要注意的是,蒸发器出口工质的温度不能过高,超过工质临界温度时,工质将分解、变性,系统性能恶化,甚至无法工作. 图2(b )为烟气质量流量与各部件及系统不可逆火用损失的关系.可见,蒸发器中的不可逆损失最大,几乎占系统总不可逆火用损失的2/3,并且随着烟气质量流量的增大而增大,这是由于蒸发器中工质的平均温度上升的原因;冷凝器中的火用损失随着烟气质量流量的增加略有上升,这是因为环境温度恒定,冷凝器中工质的平均温度略有上升,换热温差增大,使不可逆火用损失略有增加;由于烟气质量流量增加时,透平进口压力、温度上升,在其性能曲线上,工作点上移,工质焓降增大,相应在图1中,点4a 与点4s 间的距离减小,不可逆火用损失减小.图2　烟气质量流量与系统效率、输出功及不可逆火用损失的关系Fig.2　Exergy destruction rate ,system efficiency ,net work versus exhaust flow rate2.2　烟气温度对系统的影响图3(a )给出烟气温度变化时系统效率、输出功的变化曲线.与烟气质量流量改变相似,烟气温度上升时,系统效率、输出功、能率利用率均有所提高,较高的烟气温度有助于系统性能的提高,换句话说,热源的能量品位越高,系统性能越好. 图3(b )中所示规律和图2(b )相似,原因也相似,相比于烟气质量流量对系统的影响,烟气温度的影响要大一些.图3　烟气温度与系统效率、输出功及不可逆火用损失的关系Fig.3　Exergy destruction rate ,system efficiency ,net work versus exhaust temperature2.3　空气冷却对系统的影响图4(a )为系统效率、输出功与空气质量流量的关系图.可见,在空气质量流量变化时,系统输出净功、系统效率存在一个峰值,两者几乎在同时达到峰值.空气质量流量太小时,冷凝器出口工质温度将升高,冷凝温度和冷凝压力均上升,同时进入蒸发器的工质温度升高,换热温差减小,从烟气获得的热量也减小,系统效率和系统对外输出功自然就降低;空气质量流量太高时,冷凝器出口的工质处于过冷态,使其从过冷加热到饱和态将耗费大量的热量,系统效率和系统对外输出功也将下降.运行中,合理选择空气的流量,将冷凝器中的工质冷却到一最佳温度将有利于系统效率的提高和对外输出净功的增加.由图4(b )可见,由于工质与环境间换热温差减小,冷凝器中不可逆火用损失随着空气质量流量的增大而减小;此时透平出口工质压力、温度减小,对应041上　海　交　通　大　学　学　报第40卷　在图1中,点4a 与点4s 间的距离增大,其中的不可逆火用损失增大.由于循环平均温度主要受热源温度的影响,空气质量流量对其影响很小,系统总不可逆火用损失基本保持不变.图4　空气质量流量与系统效率、输出功及不可逆火用损失的关系Fig.4　Exergy destruction rate ,system efficiency ,net work versus air flow rate 进一步研究发现,冷凝器出口过冷度在0.5～0.6K 为宜(见图5),此时系统效率在最大值附近,输出功率也在额定功率附近.图5　冷凝器出口过冷度与系统效率、输出功的关系Fig.5　System efficiency ,net work versus sub 2coolingdegree at condenser exit2.4　环境温度对系统的影响由图6(a )可见,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.由此可知,环境温度低时,系统性能较好.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.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、系统不能有效工作的情况.然而,当环境温度上升时,循环平均温度与环境间温差减小,不可逆火用损失减小(见图6(b ));此时,蒸发器中工质的温度和压力均上升,不可逆火用损失上升;冷凝器中工质的平均温度也上升,换热温差增大,不可逆火用损失略有增加;透平出口压力、温度上升,相应在图1中,点4a 与点4s 间的距离减小,不可逆火用损失减小.图6　空气温度与系统效率、输出功及不可逆火用损失的关系Fig.6　Exergy destruction rate ,system efficiency ,net work versus air temperature3　结　论(1)随着烟气质量流量或温度的增加,系统效率、系统对外输出功均有较大提高,因此,充分利用烟气的余热,有利于系统性能的提高;(2)对冷凝器应合理冷却,出口工质的过冷度为0.5～0.6K 时,本系统处于最佳运行范围内,系统效率和系统对外输出功均处于峰值附近;(3)由于夏季环境温度大大高于冬季,本系统输出性能恶化,输出功偏离额定工况30%以上,远远达不到设计要求,应根据各地的实际情况,合理选择额定工况设计点,可以改善系统输出性能,使之四季工作在额定工况点周围,有利于系统有效工作.1041　第8期魏东红,等:废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析 参考文献:[1]　Tzu2chen H.Waste heat recovery of organic rankinecycle using dry fluids[J].E nergy Conversion andManagement,2001,42:539-553.[2]　魏东红,鲁雪生,顾建明,等,移动边界模型仿真应用于废热驱动的有机朗肯循环的动态仿真[J].上海交通大学学报,2006,40(8):1394-1397. 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