微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成联合循环的设计与分析

第29卷第29期中国电机工程学报Vol.29No.29Oct.15,20092009年10月15日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.19文章编号：0258-8013(2009)29-0019-06中图分类号：TK472文献标志码：A学科分类号：470⋅20微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成联合循环的设计与分析赵巍，杜建一，徐建中(中国科学院工程热物理研究所，北京市海淀区100080)DesignandAnalysisoftheCombinedCycleWiththeMicroGasTurbineandOrganicRankineCycleSettingsZHAOWei,DUJian-yi,XUJian-zhong(InstituteofEngineeringThermophysics,ChineseAcademyofSciences,HaidianDistrict,Beijing100080,China)ABSTRACT:TheapproachtoselectappropriateworkingfluidsoftheorganicRankinecycleforwasteheatrecoveryatdifferenttemperatureswasproposed.AcombinedcyclewiththemicrogasturbineandorganicRankinecyclesettings,whichisusedtoincreasetheshaftworkoutput,wasdiscussedbasedontheprincipleofenergycascadeutilizationandtheworkingfluidthermodynamicproperties.Theprocessconfigurationofthecombinedcyclewaspresented.Withtheconfiguration,adomesticmicrogasturbinestillunderdevelopmentcombiningwithORCcyclesettingsusingR123asworkingfluidsformedthecombinedcycle,whichwassimulatedandanalyzed.Resultsshowthatthecombinedconfigurationincreasesthethermalefficiencyby9.4percentto38.4percentandthepressratioofthecompressor,themaximumtemperatureofthecycle,theeffectivenessoftherecuperatorandtheambienttemperatureaffectthethermalefficiencytoacertainextentrespectively.KEYWORDS:microgasturbine;organicRankinecycle;combinedcycle摘要：提出筛选有机朗肯循环工质的方法。基于能的“温度对口，梯级利用”原理和有机工质的热力性质，讨论用于增大输出轴功的微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成的联合循环，给出该联合循环的流程布置。用此布置将国内某正在研制中的微型燃气轮机与使用R123为底循环工质的有机朗肯循环装置组成联合循环，进行模拟计算和敏感性分析。结果表明，该联合循环可将热效率提高9.4%，达到38.4%，循环增压比、最高温度、回热度和环境温度的变化均会对热基金项目：国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2007AA050501)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina(863Program)(2007AA050501)．效率产生一定的影响。关键词：微型燃气轮机；有机朗肯循环；联合循环0引言近年来，微型燃气轮机的研究与应用在我国获得了快速发展。在国家863计划的支持下，我国已完成了100kW级微型燃气轮机及其冷热电联供系统的初步研制。然而，对于只有轴功需求的场合，如发电或动力推进等，不会在微型燃气轮机的排气处布置余热锅炉或吸收式制冷机。在这种情况下直接排出的废气，会造成能源的浪费和对环境的热污染，不利于节能减排。微型燃气轮机均具有回热器，其排气温度和水的热力性质决定了微型燃气轮机与蒸汽轮机联合循环的热效率很低。为了使微型燃气轮机能够高效地输出更多的轴功，需要做出新的探索。统计表明：在全世界工业产生的热量中，废热占了50%以上。近年来化石燃料价格的居高不下使得采用一些过去认为昂贵的循环来回收废热变得具有经济性，有机朗肯循环(organicrankinecycle，ORC)便是其中一种。ORC循环是使用具有较低临界温度的有机物作为循环工质的朗肯循环。采用它可以实现使用废热、太阳能和地热等低品位热源发电，没有CO、CO2和NOx等污染物排放，具有环境友好的特点。大多数微型燃气轮机的热效率只能达到29%左右，在夏季还要降低，在能源短缺的国内，微型燃气轮机与ORC循环构成联合循环开始凸现其经济性。国外对ORC循环已经开展了大量的研究[1-7]，国内已有初步的研究[8-11]，但对于微型20中国电机工程学报第29卷燃气轮机和ORC装置组成的联合循环[12]，在工质的选择[13-14]、循环流程和热力循环参数的设计等方面，还缺乏系统的阐述，故本文围绕这些方面展开了研究工作。1工质选择ORC装置由有机工质、蒸发器、冷凝器、涡轮和泵等组成。理想ORC装置的工作过程为：有机工质在蒸发器中被等压加热为高压蒸汽，在涡轮中等熵膨胀作功后变为低压蒸汽，蒸汽在冷凝器中对环境放热后变为液态，再经泵等熵增压后送入蒸发器完成循环。由于涡轮中存在不可忽略的不可逆损失，实际的ORC循环如图1中的A—B—C—D—E—F—A所示。9000120001500018000S/(kJ/(kg⋅K))t/℃200100015050DCEFBAGnGpGi图1ORC循环示意图Fig.1SchematicdiagramoftheinvestigatedORCORC装置的热效率主要由工质的热力性质和工作条件决定，设计ORC装置首先需要选定工质，本节分如下4个方面说明ORC工质应具备的特点。1）在热源和环境温度已确定的情况下，工质的热物理性质成为决定循环热效率的关键。流体工质的饱和汽线在t-S图上的斜率可以分为非负和负的2种，如：图1中的DGp和DGi具有非负的斜率，而DGn具有负的斜率。低品位热源的温度一般低于300℃，不易使被压缩的工质具有较大的过热度，为了保证膨胀后乏气不落在湿蒸汽区，ORC循环首先需要选用饱和汽线具有非负斜率的工质。2）由热力学分析可知，ORC循环中最高温度的提高，即ORC涡轮进口温度的提高，能够提高循环的热效率；Tzu-ChenHung[15]的研究表明，在ORC装置中的蒸发器、冷凝器和涡轮这几个主要设备中，蒸发器的不可逆损失最大。从热力学第二定律可知，只有减小平均传热温差才能有效减少这种损失。以上这2点都要求ORC涡轮的进口温度尽可能的高。结合H.D.Madhawa[16]的研究发现：ORC循环在相同的增压比下，工质过热度的增加对提高ORC循环热效率的作用非常有限，通常在1%以内。这个特点是由有机工质的热力性质决定的：在p-H图过热区中各等熵线之间的斜率相差不大，这使得沿不同等熵线膨胀，焓降的差别也不大，所以工质过热度的变化对热效率的影响不大。这样，只有把循环的最高温度设计为工质能达到的最高饱和温度，才能使ORC循环达到最高的热效率和火用效率。在这个要求下，涡轮进口温度即是ORC工质的蒸发温度，进口压力即为该蒸发温度对应的饱和压力。若蒸发温度高于临界温度，意味着工质要工作在超临界区，由于有机工质在临界温度之上的热物理性质偏离理想气体太大，为使用商业数值模拟软件设计涡轮带来困难，并且此时热稳定性下降，容易发生分解，所以并不适宜。若蒸发温度低于临界温度很多，即临界温度较高，由V.Maizza[17]的研究可知，此类工质一般不具有非负的饱和液线。故适宜选择临界温度比蒸发温度稍高一些的工质作为ORC循环的工质。3）选择工质还需要考虑比热容和汽化潜热。当ORC循环从外界吸入的热量一定时，工质吸热时的平均比热容会影响工质流量，工质的流量太小造成流动损失较大，流量太大又不利于降低整个系统的成本。在蒸发中，若工质具有陡直的饱和液线，即具有高的汽化潜热和低的液态比热容，则可提高平均吸热温度，不仅有助于减少预热回热器布置的复杂性，也有利于降低火用损失；但若过于陡直，会导致工质在加热过程中汽化阶段与预热阶段的吸热量之比过大，会要求过小的节点温差。为了降低蒸发器的设计难度，只有提高热侧的平均温度或者降低冷侧的蒸发温度，即提高排向环境的燃气温度或降低ORC循环的最高温度，前者对提高微型燃气轮机的热效率不利，后者对提高ORC循环的热效率不利。所以，ORC工质应具有适中的饱和液线斜率。在冷凝中，工质的气化潜热大会使很大一部分无法回收的热要被环境带走，导致系统热效率降低，即系统的效率和冷凝时的气化潜热也有关，所以在t-S图上冷凝过程的饱和液线和饱和汽线间的距离越短越好。据T.C.HUNG[18]的研究可知，某些分子中的氢键，如水，氨水等，会导致在冷凝时有较大的焓变，不适用于做利用低品味热源的工质。4）ORC工质的选择也需要考虑环保的要求，避免选用Montreal协议(1987)限制了的工质。第29期赵巍等：微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成联合循环的设计与分析21目前常见制冷剂的热力性质被研究的比较透彻，在t-S图上大多具有非负的饱和汽线，因此把R11、R12、R123、R134、R600和苯等作为ORC工质的考察对象。国产某100kW级微型燃气轮机在ISO条件的设计工况下，排气温度为260.1℃。虽然R11和苯的临界温度与此最为接近，但由于已被Montreal协议禁用或具有毒性，故不选用。在剩余的工质里，R123的临界温度最高，饱和汽、液线斜率均适宜，故被选择为底循环工质。R123的热力性质如表1所示。表1R123的热力性质Tab.1Thermo-physicalpropertiesofR123参数数值分子量152沸点(１标准大气压)/℃27.75临界温度/℃183.8临界压力/MPa3.606液体比热/(kJ/(kg⋅K))0.985破坏臭氧潜能值0.02温度为298K时的声速/(m/s)128.5汽化潜热/(kJ/(kg⋅mol))26.005根据R123的临界温度，预留约10%的调节裕度以避免出现超临界和超温引起的热分解，取循环中的最高温度为170℃。此时，蒸发温度与微型燃气轮机的排气温度相差约90℃，是较易实现的热端温差。然而，从表1可以看出：R123的分子量较大，涡轮中的流动很容易达到超音，这是ORC涡轮设计中需要注意的问题。2联合循环流程整个联合循环由微型燃气轮机顶循环和ORC底循环构成，其流程图如图2所示。顶循环中，空气经离心压气机压缩后，再经回热器加热送入燃烧室生成燃气，生成的燃气送入燃气向心涡轮膨胀做功，排出的燃气经送入回热器排入环境。底循环中，ORC工质经压缩泵升压、回热器和蒸发器加热后从过冷状态变为饱和状态，得到的饱和蒸汽被送入ORC涡轮中膨胀作功，其压力降至由环境温度决定的饱和压力。排汽再依次经回热器和风冷冷凝器放热冷凝，开始新循环。图2也给出了装置的布置：ORC涡轮与微型燃气轮机共轴，这样可共用一台发电机发电，但也要看到高转速容易使ORC涡轮流道中出现超音截面，引起激波损失造成效率降低。回热器与蒸发器构成一体化换热器，在低温区和高温区分别逆排气流向布置ORC工质的蒸发段和空气的回热段，这样不1354267891—离心压气机；2—燃烧室；3—燃气向心涡轮；4—回热器；5—ORC涡轮；6—蒸发器；7—ORC回热器；