废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析

    符号说明:

    h—工质的比焓,kJ/kg

    I•—火用损失,kW

    n—风机个数

    qm—质量流量,kg/s

    s—比熵,kJ/(kg#K)

    T_H—热源平均温度,K

    W_f—单个风机功率,kW

    W—总功率,kW

    η—效率

    ηm—透平的机械效率

    Φ—热流量,kW

    下标

    amb—环境      s—等熵

    f—风机     sys—系统

    p—泵     t—透平

    我国虽然是个能源大国,但是能源的人均占有量非常低,且能源利用率也不高.随着经济的不断发展,能源生产与消费、能源与环境之间的矛盾不断增大.如何提高 能源的利用率,减小能源对环境的污染越来越引起社会的广泛关注.大多数工业过程或电厂排放的大量烟气,温度一般低于370e,如果直接排放到空气中,不仅 大量的热能被浪费而且会对环境造成热污染;以传统的方式加以回收,其经济效益又非常有限.将有机朗肯循环(ORC)系统整合到能源系统,即以烟气余热驱动 ORC,可以实现用低品位能源(废热)提供高品位能源(电能),减轻电力负担,提高总的发电效率及发电量,在相同输出的条件下,减少了二氧化碳等污染物的 排放,有利于环境保护[1].根据需要,经过ORC利用后的废气还可用作吸收式制冷机的驱动热源来提供冷量,进一步提高系统的能源利用率.

    本文研究的ORC系统采用R245fa作为工质,回收温度在630 K左右的烟气废热.在经过实验数据验证的模型基础上[2],对其在变工况下的工作性能进行了分析.

    1 系统热力分析[3,4]

    ORC系统流程图参见文献[2].图1所示为本文ORC系统典型工况的温熵图.

    假定系统处于稳定工况下:

    (1)状态点1~2,可假定为绝热加压过程,不可逆性相对很小,即液体泵中火用损失I•12≈0.泵所耗功为

Wp= qm(h₂-h₁) (1)

    (2)状态点2~3,为等压加热过程,热源平均温度为T_H,蒸发器中火用损失为

    输入系统的废热热量为

Φ= qm(h₃-h₂) (3)

    (3)状态点3~4a,透平将热转化为功,理想状态下,为等熵过程3到4s.实际过程中,透平中的能量转化不可能达到100%,如图1中4a点所示.透平中的等熵效率为