回热式有机朗肯循环冷能发电系统变热源温度实验研究

王峰,高文忠,张桂臣,王晓中,李根

(上海海事大学商船学院,201306,上海)

在世界各国能源短缺和环境污染等问题日益严峻的背景下,开发清洁能源并提高能源利用效率已成为人类社会普遍关注的话题[1]。液化天然气(LNG)作为清洁能源的一种,由于其较高的燃耗效率、温室气体和NOx排放量低、且几乎不产生SOx等特点近年来在一次能源消费中的比例正逐渐增大[2]。LNG由液态(-162 ℃)转化为常温气态时,将释放冷能约830 kJ/kg,然而这部分冷能往往得不到有效利用[3-4]。因此,如何回收利用这部分冷能,将对优化能源结构,提高能源利用率,并且为实现我国“双碳”目标的宏观愿景有着重要的社会和经济意义。

有机朗肯循环(ORC)不仅能有效实现高品位冷能到高品位电能的转化[5-6],还具结构简单、操作成本低、环境友好、可靠性高、运行方便和发电效率高等优点[7-9],近年来正逐渐成为研究的热点。而ORC发电系统热源的选择至关重要,它会对系统多个参数产生重要影响[10-11],同时也是影响整个系统性能的重要外部变量之一[12-13]。鲁广栋等[14-16]研究了热源温度对ORC发电系统性能的影响,得出的结论一致,即系统热效率和净输出功随热源温度的升高而升高。Jang等[17]建立以R245fa为工质的ORC发电系统,结果表明热源温度和膨胀机进出口压差是影响发电系统电力输出的关键因素。韩江涛等[12]以R245fa为工质,导热油为热源建立实验平台,研究表明在同一热源流量下,热源温度的增加有利于提升膨胀功、系统净功、热效率和效率,且对系统各主要设备的损率较小。Unamba等[18]以120～140 ℃的导热油为热源,以R245fa为工作流体建立了1 kW的有机朗肯循环,通过分析法评估系统部件和性能,得出热源温度的升高有利于提高系统总体效率。Minea等[19]对以85～116 ℃的工业废热为热源,以HFC-245fa为循环工质的ORC系统进行了研究,研究表明,系统的净输出功率和热电转换效率主要取决于废热入口温度及系统的控制策略。

上述研究大多以回收利用中低温余热为主要目标的ORC余热发电系统,并采用常温水作为系统冷源,且冷热源温差较小,其系统热效率不高。如若采用超低温物质(例如LNG)为冷源,可显著提高冷热源温差,降低冷凝温度,提高系统效率。但由于LNG易燃易爆的属性,且气化后不易处理,导致开展相关的实验研究具有较大难度,从一定程度上限制了LNG冷能发电技术在我国的应用。因此,在前人研究的基础上,搭建以低温水为热源、液氮为冷源(替代LNG)、R290为循环工质的小型回热式ORC冷能发电实验平台,研究热源温度的变化和回热循环对ORC冷能发电系统的机械输出功、发电量、功电转换效率、热效率和冷能利用率等性能参数的影响,从而为ORC冷能发电系统的设计、优化和工程应用提供一定的数据参考。

1 回热式低温ORC冷能发电系统

1.1 实验系统介绍

回热式ORC冷能发电实验装置的系统原理图如图1所示,它主要包括热源系统、回热式ORC冷能发电系统和冷源系统。实验装置实物图如图2所示。

图1 回热式低温ORC冷能发电系统原理图

1—涡旋膨胀机;2—三流体换热器;3—蒸发器;4—低温工质泵;5—储液罐;6—空气汽化器;7—液氮罐;8—控制间。

热源系统主要由20 kW电加热器、变频水泵、膨胀水箱和流量计组成,以水作为传热介质,通过PID控制器调节电加热器的功率进而改变进入到蒸发器内水的温度。回热式ORC冷能发电实验平台主要由绕管式蒸发器、气液分离器、Air Squared无油润滑式涡旋膨胀机(1 kW)、储液罐、往复式低温变频工质泵和绕管式三流体换热器等设备组成。冷源系统主要包括液氮罐、空气汽化器和流量计。

液态有机工质经工质泵加压后进入到三流体换热器的管程Ⅱ,并吸收乏气工质的热量实现预热,进入蒸发器管程中与循环水进行热量交换,工质吸收热量后以高温、高压的气态工质进入气液分离器分离后,以过热状态进入到涡旋膨胀机内做功,做功后的乏气返回至三流体换热器壳程,并将热量分别传递给管程Ⅰ中的液氮和经工质泵加压后返回至三流体换热器管程Ⅱ的液态有机工质,并被冷却为液态工质重新进入到工质泵,完成一个循环。

1.2 工质选择

影响ORC冷能发电系统的因素众多,其中选择合适的循环工质能有效提高系统发电量和冷能利用效率[20]。由于液氮的低温特性,冷能发电系统的冷凝温度远低于环境温度,导致系统内循环工质的选择与以回收中低温余热(70～350 ℃)为主的ORC余热发电系统完全不同。所选工质除了具有安全性、化学稳定性、经济性和环保特性外[21],结合设计的实验系统本身特点还需具有4个特征[22]:①足够低的冰点避免与液氮换热时出现结晶,导热系数大;②常温下饱和压力应高于环境压力并小于系统设计压力;③低比容积或高密度;④干式或等熵工质以避免膨胀机出口形成液滴。

针对上述原则,并结合相关文献[23-24]的研究成果,选取R290作为循环工质,其物性参数如表1所示。

表1 R290物性参数

1.3 实验数据采集和不确定度分析

实验系统所需采集的数据主要包括压力、温度、流量和膨胀机带动发电机输出的电压、电流、频率和功率,并通过NI信号采集设备输入到数据采集软件中。测量仪器基本参数如表2所示。

表2 各测量仪器基本参数

实验中间接测量物理量的不确定度可由误差传递公式计算所得[12],即

(1)

式中:Y=Y(X1,X2,…,XN)为间接测量物理量;Xi为直接测量的独立变量;xi为独立变量的不确定度。

综合考虑表2中各测量仪器的精度,经过计算,与实验相关的间接测量物理量的不确定度如表3所示。

表3 间接测量物理量的不确定度

2 实验数据处理

区别于水蒸气朗肯循环,ORC冷能发电系统采用有机工质代替水蒸气,其热力过程的T-s图如图3所示。通过数据采集软件将1～9点的温度和压力值输入到NIST PEFPROP 9.1软件中,查出不同温度和压力条件下R290的热力学参数值,依据热力学原理计算出ORC冷能发电系统的性能参数值。

图3 ORC发电系统T-s图

考虑到实际情况,在实验和数据处理的过程中做了如下假设:①由于LNG易燃、易爆的属性,从校园安全的角度考虑,系统冷源用液氮替代;②选取的数据点为系统稳态工况的数点;③忽略整个系统管路内的压降;④用聚氨酯和玻璃棉材料对实验系统进行保温防护,忽略系统与环境之间的散热损失。

工质在蒸发器内的吸热量Qevap、膨胀机的等熵效率ηis,exp、系统输出功Wexp、工质泵的功耗Wpump、膨胀机功电转换效率ηele、系统热效率ηth、冷能利用率ηc分别表示为

Qevap=mwf(hevap,out-hevap,in)

(2)

(3)

Wexp=mwf(hexp,in-hexp,out)

(4)

Wpump=mwf(hpump,out-hpump,in)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:mwf为工质质量流量,kg/h;mN2为液氮质量流量,kg/h;hexp,in、hexp,out分别为工质在膨胀机进出口焓值,kJ/kg;hexp,out,is为工质等熵膨胀后焓值,kJ/kg;hevap,in、hevap,out分别为工质在蒸发器进出口焓值,kJ/kg;hpump,in、hpump,out分别为工质在低温工质泵进出口焓值,kJ/kg;hN2,in、hN2,out分别为液氮在三流体换热器进出口焓值,kJ/kg;Wele为智能电参数测量仪测量的发电量。

3 实验结果讨论与分析

调节图1中低温截止阀V1、V2、V3的开关,可实现回热式有机朗肯循环(R-ORC)和常规式有机朗肯循环(B-ORC)两种不同的循环架构。分别保持系统热源(2 m3/h)和冷源(100 kg/h)的流量不变,比较分析不同循环架构下系统热源在20～55 ℃范围内变化对ORC冷能发电系统性能的影响。

3.1 热源温度对蒸发压力和冷凝压力的影响

热源温度对系统蒸发、冷凝压力的影响如图4所示。随着热源温度的升高(由于涡旋膨胀机最大进口压力为1.38 MPa,实验中热源温度最高为55 ℃),蒸发器内部循环热水与工质间的平均换热温差逐渐增加,蒸发器换热量增大,工质在蒸发器出口处温度上升,导致蒸发压力近似呈线性增长。而冷凝压力前期基本保持不变或有小幅增加,后期增速则明显加快且增速大于蒸发压力。这是因为热源温度的增加使三流体换热器内的负荷逐渐增大,在冷源流量不变的情况下,工质在三流体换热器内与冷源的平均换热温差下降,导致冷凝压力逐渐上升,进一步使膨胀机背压升高和前后压差ΔP下降,进而影响膨胀机的工作性能。R-ORC中工质在三流体换热器内除了将热量释放给冷源外,还有一部分用于工质的预热,故在R-ORC中冷凝压力快速增长所对应的热源温度相对于B-ORC要高。

(a)R-ORC

3.2 热源温度对涡旋膨胀机性能的影响

图5为热源温度变化对膨胀机前后焓差(Δh)和工质流量(mwf)的影响。由图5可知,随着热源温度的升高,mwf总体呈上升趋势,且R-ORC高于B-ORC,这是因为工质在蒸发器内吸收的热量随着热源温度的增加而增加,同时由于R-ORC中回热循环的作用,使得在同一热源温度下,工质的吸热量高于B-ORC。而Δh的变化趋势基本与mwf相同,但当热源温度超过40 ℃后,Δh开始下降,这是因为由图4可知,此时系统的冷凝压力开始快速增长,使膨胀机入口焓值的增加速率低于出口,导致Δh下降,而整个过程由于回热循环的作用,使得R-ORC的冷凝压力相对较低,导致R-ORC系统的Δh高于B-ORC。实验中,两种ORC系统最大mwf分别为118.2、108.4 kg/h,最大Δh分别为29.14、25.86 kJ/kg。

图5 热源温度对膨胀机前后焓差和工质流量的影响

膨胀机作为ORC系统的关键部件,其工作性能的优劣将直接影响整个系统的性能。图6为膨胀机前后压比和等熵效率ηis,exp与热源温度变化的关系。由图6可知,热源温度在20～55 ℃变化时,R-ORC的压比从6.7降至2.57,B-ORC从5.7降至2.41,且R-ORC略高于B-ORC,这主要是R-ORC冷凝压力相对较低。而ηis,exp随着热源温度升高,前期缓慢增加,当压比下降至3.5左右时快速增加,此时膨胀机内部工质从过膨胀状态接近理想状态。

图6 热源温度对膨胀机的等熵效率和压比的影响

随着压比继续下降,膨胀机转速下降,工质通过膨胀机后处于欠膨胀状态,ηis,exp增速趋于平缓。当热源温度为55 ℃时,R-ORC的ηis,exp最大值为60.6%,对应压比2.57,高于B-ORC的53.1%和2.41。实验中ηis,exp最大时对应的压比均小于3.5,说明此时工质并不是理想膨胀过程,可能原因是部分压比用于克服膨胀机的吸气阻力和动静涡盘间的摩擦力。

图7为膨胀机的机械输出功Wexp和发电量Wele随热源温度变化的关系。随着热源温度的升高,Wexp呈现先上升后下降的趋势,但R-ORC的输出功高于B-ORC,因为在三流体换热器内,工质泵出口循环工质因预热吸收部分乏气的热量,使R-ORC的冷凝压力低于B-ORC。热源温度的增加,使两种ORC系统的蒸发压力上升,且增速高于冷凝压力,面积增加,导致膨胀机的Wexp增加。

图7 热源温度对膨胀机机械输出功和发电量的影响

当Wexp达到峰值后,由于冷源冷却能力的下降,使膨胀机背压快速上升,转速降低,做功能力开始下降。当Wexp最大时,系统内冷热源处于最佳匹配状态。实验中R-ORC和B-ORC系统对应的最大Wexp分别为865.5、686.1 W,对应的最佳热源温度分别为45、40 ℃。而Wele表示膨胀机功电转换的大小,且变化趋势与Wexp类似,R-ORC的Wele略高于B-ORC。但热源温度在25～40 ℃范围内,由于两种ORC系统的压比均大于3.5,工质处于过膨胀状态,且R-ORC的压比更高使得膨胀机内部的泄露和摩擦等不可逆损失更大,导致B-ORC的Wele总体略高于R-ORC。实验中R-ORC和B-ORC系统对应的最大Wele分别为522.1、463.3 W,对应的最佳热源温度分别为45 ℃、40 ℃。

图8为热源温度对膨胀机功电转化效率ηele和前后压差ΔP的影响。随着热源温度的升高,膨胀机的功电转换效率呈下降趋势,当热源温度在20～55 ℃变化时,R-ORC的ηele从75.8%下降至54.6%,下降了28%;B-ORC的ηele从88.6%下降至59%,下降了33.4%。这是因为ΔP增加使膨胀机转速上升,导致摩擦和泄漏的损失加大,而文献[25-26]指出,摩擦和泄漏是造成膨胀机不可逆损失的主要因素。但是R-ORC系统的ηele总体低于B-ORC,这是因为热源温度相同时,R-ORC系统的ΔP更高,不可逆损失更多。

图8 热源温度对膨胀机功电转换效率和压差的影响

3.3 热源温度对热效率和冷能利用率的影响

图9为热源温度对系统热效率(ηth)和冷能利用率(ηc)的影响。随着热源温度的升高,系统热效率和冷能利用率均呈现出先上升后下降的趋势,且R-ORC的系统热效率和冷能利用率整体高于B-ORC。当热源温度从20 ℃增加到最佳热源温度时,R-ORC的ηth从1.87%上升到5.96%,ηc从7.3%上升到11.5%;B-ORC的ηth从1.79%上升到5.12%,ηc从6.42%上升到9.86%。因为这个过程中膨胀机做功能力增强,导致循环净功和发电量呈上升趋势,而热源温度的增加使蒸发器和三流体换热器内工质与热源和冷源的平均换热温差增大而使换热量增加,但增速小于循环净功和发电量,从而使系统热效率和冷能利用率呈上升趋势。当热源温度继续增加到55 ℃时,系统冷凝压力快速增加,使膨胀机背压增大,膨胀机做功能力下降,导致循环净功和发电量开始下降,使R-ORC的ηth从5.96%下降到4.25%,ηc从11.5%下降到9.6%;B-ORC的ηth从5.12%下降到3.98%,ηc从9.86%下降到8.1%。

图9 热源温度对系统热效率和冷能利用率的影响

回热循环的作用使得相同热源温度下蒸发器和三流体换热器内的平均换热温差低于B-ORC,换热过程的不可逆损失相对较小;换言之,在相同循环净功和发电量的情况下,回热循环使得R-ORC投入的热量和冷量均低于B-ORC。实验中,R-ORC、B-ORC系统对应的最大ηth、ηc分别为5.96%、11.5%,5.12%、9.86%,分别对应热源温度为45 ℃、40 ℃。

3.4 发电系统整体性能对比

当冷源流量维持在100 kg/h左右、系统热源处于最佳温度时,R-ORC、B-ORC系统的主要参数和性能指标如表4所示。由表4可知,R-ORC在等熵效率、机械输出功、发电量、系统热效率和冷能利用率等方面优于B-ORC,其中等熵效率提升了31.1%,机械输出功提升了26.2%,发电量提升最小为12.7%,但是功电转换效率不如B-ORC,下降了10.2%。

表4 B-ORC、R-ORC系统主要参数和性能指标对比

4 结 论

以R290为循环工质,液氮为系统冷源,采用低温回热式ORC循环对LNG冷能发电进行了实验研究。实验测试了热源温度的变化及回热循环对发电系统整体性能的影响,虽然以液氮替代LNG作为系统冷源与实际存在差距,但对系统的工程应用有一定的数据参考价值,获得的主要结论如下。

(1)在一定范围内,热源温度的升高使系统蒸发压力近似呈线性增长,冷凝压力基本维持不变或有小幅增长,但超过最佳热源温度后,冷凝压力的增长速度将超过蒸发压力,且B-ORC的冷凝压力大小和增速高于R-ORC。

(2)当冷源条件不变时,系统存在一个最佳热源温度,对应最大的机械输出功、发电量、热效率和冷能利用率,且膨胀机前后压比更接近设计值。但当热源温度超过此数值后,系统的整体性能下降。实验工况下,当冷源流量维持在100 kg/h左右时,R-ORC系统最佳热源温度为45 ℃左右,高于B-ORC的40 ℃。这说明R-ORC系统可选择的热源温度范围相对较宽,可针对不同季节、不同水域的水温变化特点合理设计系统架构和选择运行工况,使整个发电系统高效运行。

(3)当系统冷热源处于最佳匹配状态时,R-ORC系统整体性能优于B-ORC,特别是在等熵效率和机械输出功方面。但R-ORC在功-电转换效率方面不如B-ORC,可通过对膨胀机、传动机构和发电机系统进行改进,提升功电转换效率。