魏新利 有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化

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1、有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化马新灵，魏新利，孟祥睿（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）摘要：应用热力学第一定律和第二定律对有机朗肯循环低温余热发电系统进行了热力计算、能量分析和火用分析。为了提高系统的性能，以R245fa为工质，针对120℃左右的热源，在给定工况下用AspenPlus软件对系统流程进行模拟和优化。研究结果表明：降低膨胀机入口工质的过热度，提高膨胀机入口工质的压力，改进设备在膨胀机后加装回热器都能提高系统的热效率和火用效率，同时降低系统的不可逆性。关键词：有机朗肯循环；余热回收；分析；优化AnalysisandOptimizationof

2、ORCforLow-temperatureWasteHeatPowerGenerationAbstract:Thispaperpresentsenergyanalysis,thermodynamiccalculationandexergyanalysisforwasteheatpowergenerationsystemofOrganicRankineCyclebasedonthefirstandsecondlawsofthermodynamics.Inordertoimprovesystemperformance,forlow-temperaturewasteheatof12

3、0℃andR245faorganicworkingfluid,usingAspenPlussoftwareconductedsimulation,optimizationandimprovement.Resultsfromtheseanalysesshowthatdecreasingtheexpanderinlettemperature,increasinginletpressureoftheexpander,andaddingregenerativeheatercanincreasethermalandexergyefficiencies,atthesametimeredu

4、cesystemirreversibility.Keywords:OrganicRankineCycle,wasteheatrecovery,Analysis,Optimization1.引言大量工业过程产生的低温余热资源不能被有效地回收利用，不仅浪费了能源，还使得热污染成为了严重的环境问题。用有机朗肯循环可以很好地解决这一问题，它可以用有机工质将低温余热回收后进行发电。有机朗肯循环的基本原理与常规的朗肯循环类似。两者最大的区别是有机朗肯循环的工质是低沸点、高蒸汽压的有机工质，而不是水。有机朗肯循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所示。工质在蒸发器中从低温热源

5、中吸收热量产生有机蒸气，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发电，在膨胀机做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环。主要可以用于有机朗肯循环发电的热源有工业废热、地热能、太阳热能、生物质能等。有机朗肯循环主要的优势在于它能很好地回收低温到中温废热。一些典型的工业废热源包括：钢铁工业的高炉热温气体，燃气轮机的排气和柴油发动机的尾气，陶瓷工业窑炉排出的高温气体，造纸和纸浆工业的高温液体。这些低品位的工业废热占整个工业生产热量的50%以上[1,2]。图1有机朗肯循环余热发电系统原理图Figure1.AsimpleschematicofaOrganicRan

6、kineCycle2.热力过程和分析本研究利用的热源是120℃左右的工业废热，根据前人的研究[3~7]使用R245fa（五氟丙烷，CF3CH2CHF2）这种干性有机物质做工质。热力学模型的假定如下：1）稳定状态条件，2）蒸发器、冷凝器以及管道中没有压降，3）膨胀机和泵中按等熵效率。有机朗肯循环的温熵图如图2所示的1-2-3-4-5-6-1，由四个热力过程组成，各部件的热力过程及能量分析如下（以单位质量工质为基准）：图2R245fa为工质的ORC系统的温-熵图Figure2.T-sdiagramofORCforR245fa2.1.蒸发器中的等压吸热过程（4-5-6-1）。有机工

7、质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工质吸收的热量为：（1）该过程的火用损失为：（2）2.2.膨胀机中的膨胀过程（1-2）。工质对外输出的功为：(3)该过程的火用损失为：（4）2.3.冷凝器中的等压放热过程（2-3）。由膨胀机排出的乏气进入冷凝器被循环水冷凝，工质放出的热量为：（5）该过程的火用损失为：（6）2.4.工质泵中的压缩过程（3-4）。冷凝后的液体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器，外界对工质做的功为：（7）该过程的火用损失为：（8）2.5.循环的热效率为：（9）2.6.整个系统的火