有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化

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、能量分析和火爵析。为了提高系统的性能，以R245fa为工质，针对120C左右的热源，在给定工况下用Aspen Plus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房率，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Analysis and Optimization of ORC

2、for Low-temperature Waste Heat Power GenerationAbstract: This paper presents energy analysis, thermodynamic calculation and exergy analysis for waste heat power generation systemof Organic Rankine Cycle based on the first and second laws of thermodynamics. In order to improve system performance, for

3、low-temperature waste heat of 120 C and R245fa organic working fluid, using Aspen Plus software conducted simulation, optimization andimprovement. Results from these analyses show that decreasing the expander inlet temperature, increasing inlet pressure of the expander, andadding regenerative heater

4、 can increase thermal and exergy efficiencies , at the same time reduce system irreversibility. Key words: OrganicRankine Cycle, waste heat recovery ,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

5、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

6、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Figure 1. A simple schematic of a Organic Rankine Cycle2.热力过程和分析本研究利用的热源是120C左右的工业废热，根 据前人的研究37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）膨胀机和泵中按等痼效率。有机朗肯循环的温痼图如图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）：JTk

7、J （kt - K）图2 R245fa为工质的ORC系统的温-嫡图Figure 2. T-s diagram of ORC for R245fa2.1.蒸发器中的等压吸热过程(4-5-6-1)。有 机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工 质吸收的热量为：qi=hi-1%(1)该过程的火桐失为：|；=就(赤4)-、-TH-2.2.膨胀机中的膨胀过程(1-2)。工质对外输 出的功为：Wt = hi- h2= Wt,ideal t =hl- h2s t(3)该过程的火桐失为：k=To(S2)(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

8、量为：q2= h2- h3kJ / kg (5)该过程的火桐失为：,九一h2lc =To .|(& f一:(6)-TL2.4.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：Wp,ideal血一也Wp = = - -5-炫kJ/ kg (7)pp该过程的火桐失为：Ip=T。S4 -&(8)2.5.循环的热效率为：i叫etW-Wpn-屁t-Ss-f七cle =-（9）q h-加h-n2.6.整个系统的火般失由（2）、 （4）、 （6）和（8）可以得到总火用 损失为：/ r，- ，- ，- ，- /（h-n冗-底Lycl

9、e=L1j刁e*kFp =W . -（10）jVTHTLJ2.7.火慝率n_Wnet_ （K h2s，t （h!s h3）V|（）以iTLlf TL、q1 1（hf ）11-一D D上述式中，h1、h2s、h2、h3、h4、h4s分别为各状态点的比粉值，kJ/kg; s1、s、s3、s4分别为各状态 点的比痼值，kJ/(kg - K) ; To、TH、TL分别为环境、 高温热源、低温热源的温度，K； Wt,ideal、Wp,ideal分别是理想状态下膨胀机的输出功和泵的耗功，kJ/kg；昨、勺分别是膨胀机和泵的等痼效率。3.用Aspen Plus软件对系统进行模拟和优化3.13.1用Aspen

10、Aspen PlusCPlusC件对系统流程进行模拟为了找到合适的工况条件， 使该ORC余热发电系统取得较好的热效率和 火廉率，使用Aspen Plus软件对系统流程进行模拟和优化，采用PENG-ROB为了便于分析，余热源选用120 C的导热油代替,导热油的摩尔成分为联苯(C12H10)26.5%:联苯酰(C12H10O)73.5%。冷凝器中的冷却介质选用 环境温度下的水，入口水温为20C;膨胀机入口压 力p= 0.5 MPa，出口压力p2= 0.15MPa；膨胀机的 等痼效率n=0.7,泵的等痼效率物性计算方法进行模拟计算。图3为用该软件建立的实验模型,B1、B2、B4、B5分别为蒸发器、膨

11、胀机、冷凝器和工质泵。图3有机朗肯循环的Aspen Plus流程图Figure 3. FIOWchart of ORC0=0.92。蒸发器的热负荷按目前实验台的板式换热器的额定热负荷，取为7.9kW。图4为膨胀机的输入参数截面。用Aspen Plus软件得到的模拟结果如表1所示。Moda andModel L CompressorC*泡危词Tg |l$eniiapc：i-Outlei specifcatonDischaige pressure:1.5bar二C Pressure decrease:baf二厂Pressuie ratio:C Pgwef producedC Use petform

12、anc-e curves to- dermine discharge condiiiansEMiciencies-Isenlropic: |0 7Mechanical:图4膨胀机的输入参数Figure 4. Input parameters interface of the expander可以看出，系统的热效率和火廉率都较低。可以从工质参数和装置结构上对该循环系统进行优化 和改进。3.23.2系统的优化.1 膨胀机入口过热度对系统性能的影响由模拟结果可知，膨胀机入口工质的温度为79.7 C,而0.5MPa的工作压力下对应的饱和温度为63.1 C,工质的过热度达16.6C。R2

13、45fa为干工质, 在膨胀机中膨胀做功后不会冷凝为液体，因此不需要太高的过热度。在工质流量0.90kmol/h不变的情 况下，通过减少在蒸发器中的吸热量q来降低过热 度，得到表2所示的结果。Table1.Simulation results of ORC system设备名称工质温度t/工质流量能量/kW出口/(kmol/h)蒸发器25.579.70.907.9膨胀机79.757.20.900.5524019冷凝器0-7.3588351工质泵25.325.50.900.0087567由公式（9）和（11）得该循环的热效率和火用效率分别为：叫et0.55240190.008

14、75670.5436452-netcycleq17.97.9表1 ORC系统的模拟结果v-Wnetex/0.5436452=27%Z9手TLTH表2膨胀机入口工质过热度对系统性能的影响Table 2. Effect of the expander inlet temperature on systemperformance吸热量qJkW入口温度/C机做功/kW泵功/kW热效率火爆率7.979.70.5520.00875676.88%27.01%7.876.70.5460.00875676.89%27.06%7.773.70.54037380.00875676.90%27.10%7.670.70

15、.53428540.00875676.91%27.15%7.567.70.52814580.00875676.93%27.20%7.464.60.52195350.00875676.94%27.24%可见， 随着吸热量的减小， 膨胀机入口工质的 过热度减小，虽然工质在膨胀机中的做功量减少， 但由于在蒸发器中的吸热量也随之减少，循环的热 效率和火用效率都不断升高。研究表明810,为了减少整个系统的不可逆性，有机工质应在饱和状态 下工作。.2 膨胀机入口压力对系统性能的影响在蒸发器的热负荷为7.9kW,环境温度保持20C,膨胀机出口压力不变的情况下，提高入口压 力，即增大压缩比，得

16、到表3所示的结果。为了消除过热度的影响，令膨胀机入口的工质为饱和蒸气 状态。表3膨胀机入口压力对系统性能的影响Table 3 Effect of the expander inlet pressure on system performance膨胀压力bar流量kmol/h机入 口温 度/C膨胀机热效做功/kW泵功/kW率火火率5.00.96863.10.55770.00946.94%27.31%5.50.95666.60.59670.01067.42%29.15%6.00.94669.90.63170.01187.85%30.84%可见，在其它条件不变的情况下，入口压力越高（即膨胀机的压比越

17、大）循环的热效率和火廉率就越高。这是因为循环的净功量随着膨胀机入口压 力的增加而提高。.3 增加回热器之后系统性能的改善在模拟中发现，无论哪种情况，膨胀机出口工 质的温度仍然较高，远高于冷凝器内的冷凝温度。 此时直接将工质冷凝，不但造成了能量的浪费，还 将加大冷凝器内由于传热温差引起的不可逆损失。 可以让乏气在进入冷凝器之前，先通过一回热器放 出部分热量，用于预热进入蒸发器的液体。工质泵3图5有回热的ORC余热发电系统图Figure 5. Schematic diagram of ORC waste heat powergeneration with recuperator有回

18、热装置的系统简图如图5所示，温痼图如 图6所示。图7为其对应的用Aspen Plus软件建立 的实验模型，B3为回热器。为了与没有回热的基本有机朗肯循环做比较，取蒸发器的热负荷仍为7.9kW ,工质流量选为0.968kmol/h，环境温度20C，膨胀机入口压力p= 0.5MPa，出口压力p2= 0.15MPa。由表3可知基本 循环在上述条件下，膨胀机入口工质为饱和蒸气， 循环的热效率、火瞰率分别为6.94%和27.31%。有回热循环的模拟结果如表4所示。情* kJkJ蛙图6.有回热器的ORC系统的温-嫡图Figure.6. T-s diagram of ORC system with recu

19、perator表4有回热的ORC的模拟结果Table 4. Simulation results of regenerative ORC system设备名称t/(kmol/h)能量/kW出口蒸发器39.080.80.9687.9膨胀机80.858.40.9680.5965948回热器热端58.439.10.9680.6399664冷凝器68-7.3136508工质泵25.325.50.9680.0094183回热器冷端25.539.00.9680.6399664得到此时循环的热效率和火戚率分别为：wnet0.59659480.00941830.5871765可见，二者的

20、值都比基本循环的高。这是由于 回热器回收了乏气的部分热量，减少了排入大气中 的冷源热损失，使工质在膨胀机中的做功量增大， 也降低了冷凝器内的传热温差。根据上述分析，在给定工况下，有机朗肯循环 回收低温余热进行发电是可行的。对系统进行优化 的结果表明，降低膨胀机入口温度、提高膨胀机入 口压力、采用有回热的装置都可以提高系统的性能， 使系统的热效率和火庶率提高，而使其不可逆性减 小。4.结论本文运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 析和火房析。 并用AspenPlus软件对采用R245fa为 工质，以回收120C左右的工业余热为目的的系统- =7.4

21、3%7.9cycle q7.9n nexwnetq1ITHJ0.5871765=29.2%7, f图7有回热的有机朗肯循环的Aspen Plus流程图Figure 7. Flow chart of ORC with recuperator进行了模拟、优化和改进，得到以下结论：Chicago,Illinois, USA(1)有机朗肯循环可以利用低温余热进行发10Hung,T.C., Shai, T.Y., and Wang, S.K.A Review of电。Organic Rankine Cycles (ORCs) for the Recovery of Low-grade(2)随着膨胀机入口

22、工质过热度的降低， 系统 Waste Heat. Energy, 22, 7, 1997, pp.6667.的性能越来越好，工质处于饱和状态时，系统的性 能最好。(3)增大膨胀机入口工质的压力，可提高系统 的热效率和火感率。(4)有回热的有机朗肯循环与基本有机朗肯循环相比，不仅具有较高的热效率和火慝率，同时还有较低的不可逆性。参考文献1 C. Somayaji. First and second law analysis of Oragnic Rankine Cycle D. Amecia:Mississippi State University .2008.2 Gurgenci, H. Pe

23、rformance of Power Plants with OrganicRankine Cycles under Part-Load and Off-Design Conditions.Solar Energy, 36, 1, 1986, pp. 45-52.3 Donghong Wei, Xuesheng Lu, Zhen Lu, Jianming Gu.Dynamic modeling and simulation of an Organic Rankine Cycle(ORC) system for waste heat recovery. Applied Thermal Engin

24、eering, 28 (2008), 1216 12244 G. Kosmadakis, D. Manolakos, S. Kyritsis, G. Papadakis.Comparative thermodynamic study of refrigerants to select thebest for use in the high-temperature stage of a two-stage organic Rankine cycle for RO desalination. Desalination. 243 (2009)74 句 4.5 X.D. Wang, L. Zhao *, J.L. Wang, W.Z. Zhang, X.Z. Zhao,W. Wu. Performance evaluati