摘 要

摘　要：介紹采用有機(jī)朗肯循環(huán)回收利用燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱用于發(fā)電的復(fù)合供能系統(tǒng)流程。篩選有機(jī)工質(zhì)，建立有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)模型。關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄岜茫? 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)； 有機(jī)朗肯循環(huán)； 余

摘　要：介紹采用有機(jī)朗肯循環(huán)回收利用燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱用于發(fā)電的復(fù)合供能系統(tǒng)流程。篩選有機(jī)工質(zhì)，建立有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)模型。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄岜茫?span lang="EN-US">  燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)；  有機(jī)朗肯循環(huán)；  余熱利用；  發(fā)電

Power Generation by Waste Heat from Gas Engine Heat Pump Using Organic Rankine Cycle System

Abstract：The process of the compound energy supply system using organic Rankine cycle(ORC)for recycling the waste heat from gas engine heat pump to generate electricity is presented．The ORC working mediums are screened，and thermodynamic model of ORC is established．

Keywords：gas heat pump；gas engine；organic Rankine cycle；waste heat utilization；power generation

 

燃?xì)鈾C(jī)熱泵^[1-5]采用天然氣或沼氣等清潔能源作為一次能源，為建筑物提供冷、熱及生活熱水。因有效回收和利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的缸套和煙氣余熱，燃?xì)鈾C(jī)熱泵性能系數(shù)、一次能源利用率比電驅(qū)動熱泵有大幅提高。但燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱僅用于輔助供暖及制備生活熱水，余熱品質(zhì)沒有得到進(jìn)一步提升^[6-8]。有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle．ORC)具有效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)低品位熱能品質(zhì)提升的有效途徑之一^[9]。本文建立燃?xì)鈾C(jī)熱泵一有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)復(fù)合供能系統(tǒng)(以下簡稱復(fù)合供能系統(tǒng))，利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套冷卻水和煙氣余熱進(jìn)行有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，并建立有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)模型。

1　復(fù)合供能系統(tǒng)流程

復(fù)合供能系統(tǒng)流程見圖1。復(fù)合供能系統(tǒng)由燃?xì)鈾C(jī)熱泵與有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)組成。燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)驅(qū)動壓縮式熱泵機(jī)組向用戶供冷、供熱，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的缸套冷卻水及煙氣余熱，作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱源。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、儲液罐、透平膨脹機(jī)(以下簡稱透平)、發(fā)電機(jī)、冷凝器等。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)與經(jīng)煙氣換熱器升溫的缸套冷卻水進(jìn)行換熱后，高溫高壓的氣態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入透平膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。透平尾部排出的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器定壓(也定溫)冷凝，冷凝器出口的有機(jī)工質(zhì)冷凝為液態(tài)，進(jìn)入儲液罐，再由工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器完成一次發(fā)電循環(huán)。

 

2　有機(jī)工質(zhì)選取

有機(jī)工質(zhì)對有機(jī)朗循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的性能影響較大。有機(jī)工質(zhì)可根據(jù)溫-熵圖飽和節(jié)氣曲線的右半部分的斜率分3類(見圖2)：第一類：斜率為負(fù)的濕流體，這些流體的等熵膨脹易產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，在透平內(nèi)膨脹做功后凝結(jié)，易對透平造成危害。第二類：斜率為正的干流體。第三類：近似垂直的等熵流體。干流體與等熵流體可避免濕流體造成的危害，另外還應(yīng)要考慮有機(jī)工質(zhì)的熱力學(xué)性能和環(huán)保特性。

 

可選擇的5種有機(jī)工質(zhì)性能參數(shù)見表1。由表1可知，在5種有機(jī)工質(zhì)中，Rl23、R245fa均為等熵流體，安全等級同為B1。R123的臨界溫度較高，適用于回收較高溫度的余熱，消耗臭氧潛能值(Ozone Depression Potential，ODP)為0.0012。R245fa的臨界溫度較低，與燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的余熱溫度相適應(yīng)，ODP為零。綜合比較，選取R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)。

 

3　有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)模型

有機(jī)工質(zhì)采用R245fa的有機(jī)朗肯循環(huán)溫一熵圖見圖3。1-2為工質(zhì)在透平內(nèi)實(shí)際膨脹做功過程，1-2s為工質(zhì)在透平內(nèi)等熵膨脹做功過程；2(2s)-3-4為工質(zhì)在冷凝器中的定壓(也定溫)的冷凝過程；4-5為工質(zhì)在工質(zhì)泵中實(shí)際壓縮過程，4-5s為工質(zhì)在工質(zhì)泵中的等熵壓縮過程；5(5s)-6為工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)由未飽和狀態(tài)定壓加熱到飽和狀態(tài)過程；6-1為工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)由飽和液態(tài)加熱到飽和氣態(tài)過程。在熱力學(xué)模型建立過程中，進(jìn)行以下設(shè)定：忽略管道、蒸發(fā)器、冷凝器中工質(zhì)的壓降，每個組成部件認(rèn)為是一個穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定流動的單元。

 

①透平模型

工質(zhì)在透平內(nèi)等熵膨脹做功的功率Pt的計(jì)算式為：

Pt＝qmht(h1-h2)

式中Pt——工質(zhì)在透平內(nèi)等熵膨脹做功的功率，kW

qm——有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s

ht——透平的等熵效率

H1、h2——工質(zhì)在工況點(diǎn)1、2s的比焓，kJ／kg

透平中工質(zhì)不可逆損失功率DPt的計(jì)算式為：

DPt＝T0qm(s2-s1)

式中DPt——透平不可逆損失功率，kW

T0——環(huán)境溫度，K

S1、s2——工質(zhì)在工況點(diǎn)1、2的比熵，kJ／(kg·K)

②冷凝器模型

冷凝器內(nèi)工質(zhì)放熱量西，的計(jì)算式為：

Fc＝qm(h2-h4)

式中Fc——冷凝器內(nèi)工質(zhì)放熱量，kW

h2——工質(zhì)在工況點(diǎn)2的比焓，kJ／kg

h4——工質(zhì)在工況點(diǎn)4的比焓，kJ／kg

冷凝器中工質(zhì)不可逆損失DPc的計(jì)算式為：

 

式中DPc——冷凝器中工質(zhì)不可逆損失，kW

S4——工質(zhì)在工況點(diǎn)4的比熵，kJ／(kg·K)

TL——冷源平均溫度(冷卻水平均溫度)，K

③工質(zhì)泵模型

工質(zhì)泵功耗Pp的計(jì)算式為：

 

式中Pp——工質(zhì)泵功耗，kW

h5、h5s——工質(zhì)在工況點(diǎn)5、5s的比焓，kJ／kg

hp——工質(zhì)泵的等熵效率

工質(zhì)泵中工質(zhì)的不可逆損失DPp的計(jì)算式為：

DPp＝T0qm(s5-s4)

式中DPp——工質(zhì)泵中工質(zhì)的不可逆損失，kW

S5——工質(zhì)在工況點(diǎn)5的比熵，kJ／(kg．K)

④蒸發(fā)器模型

蒸發(fā)器中工質(zhì)吸熱量Fe的計(jì)算式為：

Fe＝qm(h1-h5)

式中Fe——蒸發(fā)器中工質(zhì)吸熱量，kW

蒸發(fā)器中工質(zhì)不可逆損失DPe的計(jì)算式為：

 

式中DPe——蒸發(fā)器中工質(zhì)不可逆損失，kW

TH——熱源平均溫度(燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱平均溫度)，K

⑤燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱模型

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套冷卻水余熱量Fcj的計(jì)算式為：

Fcj＝qm,wcp,w(Tw,o-Tw,in)

式中Fcj——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)缸套冷卻水余熱量，kW

qm,w——缸套冷卻水質(zhì)量流量，kg／s

cp,w——水的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

Tw,o、Tw,in——缸套冷卻水出水、進(jìn)水溫度，K

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)煙氣余熱量Fexh的計(jì)算式為：

Fexh＝cp,f(qm,g+qm,air)(Tf,in-Tf,out)

式中Fexh——燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)煙氣余熱量，kW

cp,f——煙氣的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

qm,g——天然氣耗量，kg／s

qm,air——燃燒需要的空氣質(zhì)量流量，kg／s

Tf,in、Tf,out——煙氣換熱器煙氣進(jìn)口、出口溫度，K

⑥有機(jī)朗肯循環(huán)熱效率

熱力學(xué)第一定律效率(熱效率)h1的計(jì)算式為：

h1＝Pt-Pp/Fe

式中h1——熱力學(xué)第一定律效率

熱力學(xué)第二定律效率(火用效率)h2的計(jì)算式為：

 

式中h2——熱力學(xué)第二定律效率

4　結(jié)語

采用有機(jī)朗肯循環(huán)回收燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱用于發(fā)電，是一種有效利用余熱的途徑。有機(jī)工質(zhì)R245fa適用于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱溫度水平，且對環(huán)境友好。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]方箏，張曉松，劉建偉．供暖季節(jié)燃?xì)鈾C(jī)熱泵傳動比的選擇[J]．煤氣與熱力，2012，32(3)：A01-A06．

[2]劉煥衛(wèi)，楊昭，王明濤．燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)的制冷性能[J]．天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，44(7)：645-649．

[3]逯紅梅，秦朝葵，余斌，等．燃?xì)鈾C(jī)熱泵在夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析[J]．煤氣與熱力，2008，28(11)：A09-A11．

[4]王晶，呂建，楊洪興，等．燃?xì)鈾C(jī)熱泵系統(tǒng)在學(xué)校建筑的適用性分析[J1．煤氣與熱力，2010，30(10)：A07-A09．

[5]劉煥衛(wèi)，楊昭，王明濤．燃?xì)鈾C(jī)熱泵部分負(fù)荷特性的試驗(yàn)研究[J]．熱能動力工程，2011，26(5)：523-527．

[6]王明濤，楊昭，陳軼光．燃?xì)鈾C(jī)熱泵余熱利用理論分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42(1)：35-38．

[7]張文軍，尹洪超，趙亮．燃?xì)鈾C(jī)熱泵性能特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性分析[J]．煤氣與熱力，2008，28(10)：A08-A09．

[8]馬劍飛，王國棟．燃?xì)鈾C(jī)熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2007，27(7)：63-65．

[9]GUZOVIC Z，LONCAR D，FERDEIJI N．Possibilities of electricity generation in the Republic of Croatia bv means of geothermal energy[J]．Energy，2010(35)：3429-3440．

[10]張紅光，劉彬，陳研，等．基于單螺桿膨脹機(jī)的發(fā)動機(jī)排氣余熱回收系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(5)：27-31．

 

 

 

 

本文作者：劉煥衛(wèi)  周秋淑  趙海波

作者單位：煙臺大學(xué)海洋學(xué)院