废热源驱动的有机朗肯循环系统夏冬季节性能比较.doc

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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小，使系

2、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。将其整合到能源系统，即以烟气余热驱动有

3、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)斜率为正的干流体，大多为

4、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-ChenHung[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℃5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

5、）的性能比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1HFC-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/m3)517.0本文研究了回收温度在630K左右的烟气废热的ORC系统

6、夏冬季节的性能，系统采用HFC-245fa作为工质。2ORC系统热力分析[6、7](a)ORC系统流程图(b)ORC系统温熵图图1ORC系统流程图和温熵图5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要考察环境温度变

7、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100kW，废气的进口温度在610~650K之间。工质HFC-245fa的物性参数来自美国NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)Laboratories所开发的物性软件REFPROP6.0[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