摘 要

摘　要：介紹采用有機朗肯循環回收利用燃氣機熱泵余熱用于發電的復合供能系統流程。篩選有機工質，建立有機朗肯循環熱力學模型。關鍵詞：燃氣熱泵； 燃氣內燃機； 有機朗肯循環； 余

摘　要：介紹采用有機朗肯循環回收利用燃氣機熱泵余熱用于發電的復合供能系統流程。篩選有機工質，建立有機朗肯循環熱力學模型。

關鍵詞：燃氣熱泵；  燃氣內燃機；  有機朗肯循環；  余熱利用；  發電

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

 

燃氣機熱泵^[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氣內燃機產生的缸套和煙氣余熱，燃氣機熱泵性能系數、一次能源利用率比電驅動熱泵有大幅提高。但燃氣內燃機余熱僅用于輔助供暖及制備生活熱水，余熱品質沒有得到進一步提升^[6-8]。有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle．ORC)具有效率高、環境友好、結構簡單等優點，是實現低品位熱能品質提升的有效途徑之一^[9]。本文建立燃氣機熱泵一有機朗肯循環發電系統復合供能系統(以下簡稱復合供能系統)，利用燃氣內燃機缸套冷卻水和煙氣余熱進行有機朗肯循環發電，并建立有機朗肯循環發電系統熱力學模型。

1　復合供能系統流程

復合供能系統流程見圖1。復合供能系統由燃氣機熱泵與有機朗肯循環發電系統組成。燃氣內燃機驅動壓縮式熱泵機組向用戶供冷、供熱，燃氣內燃機產生的缸套冷卻水及煙氣余熱，作為有機朗肯循環發電系統的熱源。有機朗肯循環發電系統包括工質泵、蒸發器、儲液罐、透平膨脹機(以下簡稱透平)、發電機、冷凝器等。有機工質在蒸發器內與經煙氣換熱器升溫的缸套冷卻水進行換熱后，高溫高壓的氣態有機工質進入透平膨脹做功，帶動發電機發電。透平尾部排出的有機工質進入冷凝器定壓(也定溫)冷凝，冷凝器出口的有機工質冷凝為液態，進入儲液罐，再由工質泵送入蒸發器完成一次發電循環。

 

2　有機工質選取

有機工質對有機朗循環發電系統的性能影響較大。有機工質可根據溫-熵圖飽和節氣曲線的右半部分的斜率分3類(見圖2)：第一類：斜率為負的濕流體，這些流體的等熵膨脹易產生凝結現象，在透平內膨脹做功后凝結，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，另外還應要考慮有機工質的熱力學性能和環保特性。

 

可選擇的5種有機工質性能參數見表1。由表1可知，在5種有機工質中，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，與燃氣內燃機的余熱溫度相適應，ODP為零。綜合比較，選取R245fa作為有機朗肯循環發電系統的有機工質。

 

3　有機朗肯循環熱力學模型

有機工質采用R245fa的有機朗肯循環溫一熵圖見圖3。1-2為工質在透平內實際膨脹做功過程，1-2s為工質在透平內等熵膨脹做功過程；2(2s)-3-4為工質在冷凝器中的定壓(也定溫)的冷凝過程；4-5為工質在工質泵中實際壓縮過程，4-5s為工質在工質泵中的等熵壓縮過程；5(5s)-6為工質在蒸發器內由未飽和狀態定壓加熱到飽和狀態過程；6-1為工質在蒸發器內由飽和液態加熱到飽和氣態過程。在熱力學模型建立過程中，進行以下設定：忽略管道、蒸發器、冷凝器中工質的壓降，每個組成部件認為是一個穩態穩定流動的單元。

 

①透平模型

工質在透平內等熵膨脹做功的功率Pt的計算式為：

Pt＝qmht(h1-h2)

式中Pt——工質在透平內等熵膨脹做功的功率，kW

qm——有機工質的質量流量，kg/s

ht——透平的等熵效率

H1、h2——工質在工況點1、2s的比焓，kJ／kg

透平中工質不可逆損失功率DPt的計算式為：

DPt＝T0qm(s2-s1)

式中DPt——透平不可逆損失功率，kW

T0——環境溫度，K

S1、s2——工質在工況點1、2的比熵，kJ／(kg·K)

②冷凝器模型

冷凝器內工質放熱量西，的計算式為：

Fc＝qm(h2-h4)

式中Fc——冷凝器內工質放熱量，kW

h2——工質在工況點2的比焓，kJ／kg

h4——工質在工況點4的比焓，kJ／kg

冷凝器中工質不可逆損失DPc的計算式為：

 

式中DPc——冷凝器中工質不可逆損失，kW

S4——工質在工況點4的比熵，kJ／(kg·K)

TL——冷源平均溫度(冷卻水平均溫度)，K

③工質泵模型

工質泵功耗Pp的計算式為：

 

式中Pp——工質泵功耗，kW

h5、h5s——工質在工況點5、5s的比焓，kJ／kg

hp——工質泵的等熵效率

工質泵中工質的不可逆損失DPp的計算式為：

DPp＝T0qm(s5-s4)

式中DPp——工質泵中工質的不可逆損失，kW

S5——工質在工況點5的比熵，kJ／(kg．K)

④蒸發器模型

蒸發器中工質吸熱量Fe的計算式為：

Fe＝qm(h1-h5)

式中Fe——蒸發器中工質吸熱量，kW

蒸發器中工質不可逆損失DPe的計算式為：

 

式中DPe——蒸發器中工質不可逆損失，kW

TH——熱源平均溫度(燃氣內燃機余熱平均溫度)，K

⑤燃氣內燃機余熱模型

燃氣內燃機缸套冷卻水余熱量Fcj的計算式為：

Fcj＝qm,wcp,w(Tw,o-Tw,in)

式中Fcj——燃氣內燃機缸套冷卻水余熱量，kW

qm,w——缸套冷卻水質量流量，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、進水溫度，K

燃氣內燃機煙氣余熱量Fexh的計算式為：

Fexh＝cp,f(qm,g+qm,air)(Tf,in-Tf,out)

式中Fexh——燃氣內燃機煙氣余熱量，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——燃燒需要的空氣質量流量，kg／s

Tf,in、Tf,out——煙氣換熱器煙氣進口、出口溫度，K

⑥有機朗肯循環熱效率

熱力學第一定律效率(熱效率)h1的計算式為：

h1＝Pt-Pp/Fe

式中h1——熱力學第一定律效率

熱力學第二定律效率(火用效率)h2的計算式為：

 

式中h2——熱力學第二定律效率

4　結語

采用有機朗肯循環回收燃氣機熱泵余熱用于發電，是一種有效利用余熱的途徑。有機工質R245fa適用于燃氣內燃機余熱溫度水平，且對環境友好。

 

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本文作者：劉煥衛  周秋淑  趙海波

作者單位：煙臺大學海洋學院