低温热水源有机朗肯循环参数理论优化与实验研究

低温热水源有机朗肯循环参数理论优化与实验研究

有机朗肯循环（orc）技术作为中低温热能发电技术之一，引起了人们的广泛关注。工艺质量优化、系统部件优化和循环参数优化是奥克技术研究的重要内容。关于每个内容，有很多[6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16]。工质优选是ORC研究的核心,文献分别以热效率、单位输出功系统的换热面积最小、膨胀比、理论效率和系统输出功率等为目标函数,对众多工质进行优选;系统部件优化研究的重点是动力部件及蒸发器的优化.文献研究了涡旋膨胀机的吸排气压力、温度和转速对膨胀机容积效率的影响.文献[10-11]则采用螺杆机为动力部件,进行了螺杆机性能理论和实验研究;文献[12-16]对不同系统的蒸发温度、冷凝温度、过热度、工质流量等循环参数进行优化.循环参数优化研究方面,文献多采用单参数优化的方法,如指定冷凝温度优化蒸发温度,很少采用蒸发、冷凝温度同时优化的双参数优化法.系统部件优化方面实验研究较少.笔者在课题组前期研究基础上,以系统比净功(单位质量载热流体的系统净输出功)最大化为目标函数,对蒸发、冷凝温度进行理论和实验优化,并对涡旋膨胀机定熵效率的影响因素展开实验研究,探讨实验所用膨胀机最优工况与循环最优工况的匹配性.1有机朗肯循环参数的理论优化1.1热汽系统的循环过程图1为ORC的热力过程示意,图中包含了冷、热源载热流体(本文计算中取为水)的过程.循环流程为:工质在蒸发器中经历定压吸热过程,其状态由过冷液(状态7)变化为过热汽(状态3);之后在膨胀部件中经历绝热膨胀过程,成为乏汽(状态4);乏汽在冷凝器中经历定压放热过程,成为饱和液(状态6);在工质泵中经历绝热压缩过程,回到状态7,完成循环.图中的点8、10、9分别为热源水的蒸发器进出口点和与工质泡点(状态1)相对应的点;点11、13、12分别为冷却水的冷凝器进出口点和与工质露点(状态5)相对应的点.在工质状态1、5处,工质与热源水、冷却水的换热温差,分别为蒸发器、冷凝器中的最小换热温差,分别称为蒸发器、冷凝器的换热窄点温差.1.2运行效率以R245fa为工质,指定热源水进口温度90,℃、质量流量1,kg/s,蒸发器、冷凝器换热窄点温差为5,℃,蒸发器出口过热度2,℃,膨胀部件(膨胀机)定熵效率为0.8,发电机效率为1,工质泵效率为0.75,冷却水泵定熵效率为0.75,冷却水回路流动压降为0.2,MPa.1.3优化保鲜温度,确定初始密度标准以NISTRefprop软件计算R245fa的热物理性质.以单位质量热源流体净输出功(比净功)最大化为目标函数,优化ORC的蒸发温度和冷凝温度.采用迭代性优化方式,即:指定一个冷凝温度tcond,0,以比净功最大化为目标函数,优化蒸发温度,得到一个蒸发温度初步优化值tevap,opt;在固定的tevap,opt下,以比净功最大化为目标函数,优化冷凝温度,得到tcond,opt;以tcond,opt作为新的tcond,0,重复以上步骤,得到tevap,opt和tcond,opt.采用迭代性优化方式的必要性,可由图2和图3来说明.图2为在第1.2节指定条件下,进一步指定冷凝温度固定为40,℃时,系统各性能参数、特别是比净功随蒸发温度的变化.其中膨胀机输出功、工质泵功、水泵功、净输出功数值对应左侧纵坐标值,泵功比、热效率对应右侧纵坐标值.由图2可见,指定热源进口温度、冷凝温度下,存在一个最优的蒸发温度使得系统比净功最大.道理在于,比净功是系统自单位质量热源水的吸热量与系统效率的乘积.前述指定条件下,系统比净功在蒸发温度为64,℃时取得最大值.图3为在第1.2节指定条件下,进一步指定蒸发温度为64,℃,考察系统各性能参数、特别是比净功随冷凝温度的变化.由图3可见,指定热源进口温度、蒸发温度下,同样存在一个最优的冷凝温度使得系统比净功最大.影响最优冷凝温度数值的主要因素为冷却水泵功率随冷凝温度的非线性变化.本文指定条件下,最优冷凝温度为33,℃.由于蒸发温度、冷凝温度的优化既相互关联,又各有不尽相同的主要影响因素,故有必要采取迭代性优化方法.1.4最优循环参数下系统比净功比第1、2次迭代结果确定的问题按照第1.3节给出的计算方法,得到了在第1.2节指定条件下的最优蒸发温度、最优冷凝温度的数值,分别为62,℃和33,℃.表1给出了循环参数优化值在迭代优化过程中的变化情况.最优循环参数下系统比净功比第1、2次迭代结果高出23%和1%,迭代4次以后最优循环参数不再发生改变.需要指出的是,最优蒸发、冷凝温度值受窄点温差、膨胀机效率、工质泵效率、水泵效率、冷热源温度等指定值的影响,不同指定值下,均可用以上迭代方法求出相应的最优循环参数.对于具体的低温发电系统而言,特定的系统部件(特别是动力部件)的效率未必与理论优化中指定的数值相一致,部件效率有其影响因素,其中包括循环参数.具体系统的ORC参数优化,要求开展实验研究.2循环参数的实验优化2.1实验装置和数据采集单元本课题组搭建的低温发电ORC实验系统由热水回路、冷水回路、ORC回路、润滑油回路组成.其中ORC回路的流程为:工质从预热器及蒸发器吸热后成过热蒸气,经膨胀机膨胀做功后成低压气体,经过油分离器到冷凝器放热,成低温低压的液体流到储液罐,之后由工质泵提压,经过工质流量计,重新回到预热器,完成循环.润滑油回路是本文实验新引入的,旨在确保膨胀机的润滑.工质中分离出来的油经油泵重新送回膨胀机的入口.此外,考虑到实验用发电机的额定转速与膨胀机的最佳转速经常不能匹配,为排除发电机效率对膨胀机性能分析的影响,引入扭矩分析仪直接测量膨胀机的输出功,同时采用PT100铂电阻以及T型热电偶测量温度.采用精密压力表测量压力,分别装在预热器、蒸发器、冷凝器、膨胀机以及工质泵的进出口.涡旋膨胀机和发电机的转速均通过光电式数字转速仪测量.温度、流量参数被转换为电压或电流信号,由数据采集单元直接采集,通过RS232串口通讯协议接口输送到计算机自动数据采集系统.实验用数据采集单元的型号为Agilent34970A.其他部件型号见表2.2.2大流量膨胀机随转速的控制以入口温度为90,℃的热水模拟热源流体,保持冷凝压力为0.3,MPa及较小的膨胀机进口过热度(10,℃以内).控制膨胀机在一个相近的转速范围内,改变蒸发压力以寻找最优蒸发温度.同时考察压比(蒸发压力与冷凝压力的比值)对膨胀机定熵效率的影响.在相同的蒸发温度及冷凝温度下,通过调整负载的大小来改变发电机的转速,进而改变膨胀机的转速,寻找膨胀机定熵效率和转速的关系.2.3结果与讨论2.3.1最优蒸发温度m图4给出3组不同转速下系统比(净)功随蒸发温度的变化曲线,其中比功为单位质量热水相应的膨胀机输出功,比净功为膨胀机输出功减去工质泵耗功.第1组曲线膨胀机转速为765~814,r/min,比功在蒸发温度为69,℃时达到最大值,最大值为5.13,kJ/kg.工质泵功耗占系统输出功的比例较小,所以比净功的变化趋势与比功的变化趋势一致,也在69,℃时取得最大值,最大值为4.31,kJ/kg.第2、3组曲线分别在膨胀机转速为495~513,r/min和1,255~1,333,r/min范围内测得,最优蒸发温度分别为70,℃、68,℃,比净功最大值分别为3.97,kJ/kg、3.51,kJ/kg.以上3组数据说明,在每一组相近的膨胀机转速下,均存在最优蒸发温度使得比净功值最大.不同的部件效率使得最优蒸发温度的数值有所不同,但并不影响系统比净功随蒸发温度的变化趋势,这样的变化趋势与理论分析吻合.实验最优工况受系统部件效率的影响,实验中工质泵、膨胀机、冷却水泵效率,蒸发器、冷凝器、窄点温差和冷却水回路压降等参数与理论优化中的指定值不尽一致,故实验的最优工况及相应的性能参数与理论计算值有差别.2.3.2年，压缩比和膨胀机旋转对膨胀机定熵效率的影响1膨胀机循环压比a图5给出了膨胀机在1,255~1,333,r/min、495~513,r/min、765~814,r/min3个转速范围内定熵效率随压比的变化曲线.3条曲线分别在压比1.90、1.96和1.90时取得最大值,最大值分别为0.665、0.732和0.827.综合以上3条曲线可以看出,本试验台选用的膨胀机在压比为1.9~2.0之间时定熵效率最高.这是由于,特定的涡旋膨胀机有确定的容积比,当膨胀机吸排气口压比使得工质容积膨胀比与膨胀机的容积比不同时就会产生工质欠膨胀或过膨胀的问题.当工质膨胀比大于内工质膨胀比时,工质膨胀不完全,在膨胀机的出口,工质压力高于冷凝器压力,继而发生工质的自由膨胀,造成做功能力损失.当膨胀机出口的压力低于冷凝器的压力,就产生了过膨胀的问题,也不利于膨胀机的定熵效率.实验结果表明,本实验系统所用膨胀机在循环压比为1.9时,定熵效率取得最大值0.827.2膨胀机运行参数分析由图5可以看出,整体上膨胀机转速在765~814,r/min时,定熵效率要高于转速在419~513,r/min时的,转速为1,255~1,333,r/min时定熵效率最低.图6给出不同压比下,膨胀机定熵效率随转速的变化,由图中的实验数据可按转速大致分为500、800、1,300,r/min3个区域,同一个转速下由于压比的不同,定熵效率上下浮动但相对集中.3个转速范围下,膨胀机定熵效率的平均值分别为0.702、0.785和0.622.邻近的压比下,发现膨胀机定熵效率总是在800,r/min左右取得最大值.在所有的实验数据中,转速为800,r/min、压比为1.90时膨胀机定熵效率取得最大值0.827.以上现象可以用热力过程的不可逆性及膨胀机内部泄漏来解释,在一定的膨胀机进口压力下,涡旋膨胀机相邻腔之间的压差可输出一定大小的扭矩,而带着负载的发电机则会形成一个阻力矩,膨胀机的输出扭矩必须大于发电机的阻力矩及各种摩擦阻力矩之和才能转动,随着膨胀机转速的上升,各种摩擦阻力矩加大,定熵效率降低.如果发电机的阻力扭矩太大,膨胀机转速过低,摩擦减小,但此时膨胀机中的径向和轴向泄漏增加,极限情况下膨胀机转速为0,工质以泄漏的方式流走,这就相当于一个节流过程,不可逆熵增很大.综合考虑摩擦泄漏等问题,膨胀机存在最优转速,实验测得本系统所用膨胀机最优转速为800,r/min左右.由以上分析可知,膨胀机的效率受循环参数及本身转速的影响,本实验用涡旋膨胀机在压比1.90、膨胀机转速800,r/min左右时定熵效率取到最大值,该压比所对应的蒸发温度为67,℃.而本实验系统的循环最优蒸发温度为69,℃,对应的压比为1.98.即系统整体的性能最优与膨胀部件效率最高对应的蒸发温度有所不同.提示实际系统的设计中,应注意膨胀部件选型与系统最优工况相适应.3循环参数对膨胀机性能的影响(1)通过迭代优化得到在本文热源条件下的理论最优蒸发、冷凝温度分别为62,℃和33,℃,理论比净功最大值为6.15,kJ/kg.(2)实验分析中,在不同膨胀机转速下,寻找并发现本文实验系统最优的蒸发温度为69,℃.在最优蒸发温度、膨胀机转速