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1、第 29 卷 第 29 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.29 No.29 Oct.15,2009 2009年10月15日 Proceedings of the CSEE 2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.19 文章编号：0258-8013(2009)29-0019-06 中图分类号：TK 472 文献标志码：A 学科分类号：47020 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)Design and Analysis of the Combined Cycle With
2、 the Micro Gas Turbine and Organic Rankine Cycle Settings ZHAO Wei,DU Jian-yi,XU Jian-zhong(Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Haidian District,Beijing 100080,China)ABSTRACT:The approach to select appropriate working fluids of the organic Rankine cycle for waste heat
3、recovery at different temperatures was proposed.A combined cycle with the micro gas turbine and organic Rankine cycle settings,which is used to increase the shaft work output,was discussed based on the principle of energy cascade utilization and the working fluid thermodynamic properties.The process
4、 configuration of the combined cycle was presented.With the configuration,a domestic micro gas turbine still under development combining with ORC cycle settings using R123 as working fluids formed the combined cycle,which was simulated and analyzed.Results show that the combined configuration increa
5、ses the thermal efficiency by 9.4 percent to 38.4 percent and the press ratio of the compressor,the maximum temperature of the cycle,the effectiveness of the recuperator and the ambient temperature affect the thermal efficiency to a certain extent respectively.KEY WORDS:micro gas turbine;organic Ran
6、kine cycle;combined cycle 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)(2007AA 050501)。The National High
7、 Technology Research and Development of China(863 Program)(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 100 kW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
8、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(organic rankine cycle，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
9、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
10、存在不可忽略的不可逆损失，实际的 ORC 循环如图 1 中的 ABCDEFA 所示。9 000 12 000 15 000 18 000S/(kJ/(kgK)t/200 100 0 150 50 D C E F B A Gn Gp Gi 图 1 ORC 循环示意图 Fig.1 Schematic diagram of the investigated ORC ORC 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
11、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-Chen Hung15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
12、的高。结合H.D.Madhawa16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
13、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.Maizza17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
14、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.HUNG18的研究可知，某些分子中的氢键，如水，氨水
15、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 100 kW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
16、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 1 R123 的热力性质 Tab.1 Thermo-physical properties of R123 参数 数值 分子量 152 沸点(标准大气压)/27.75 临界温度/183.8 临界压力/MPa 3.606 液体比热/(kJ/(kgK)0.985 破坏臭氧潜能值 0.02 温度为 298 K时的声速/(m/s)128.5 汽化潜热/(kJ/(kgmol)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
17、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
18、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 13 5 42 6789 1离心压气机；2燃烧室；3燃气向心涡轮；4回热器；5ORC 涡轮；6蒸发器；7ORC 回热器；8压缩泵；9冷凝器。图 2 联合循环流程图 Fig.2 Process flow schematic of the combined cycle 仅减小了
19、传热温差带来的不可逆损失，而且简化了换热设备，降低了成本。由于不可逆因素的存在，工质在涡轮中膨胀后落在过热区，需要进行等压放热才能降至冷凝时的饱和温度，因此在 ORC 涡轮出口处布置回热器预热冷凝后的过冷工质，以回收部分热量。3 联合循环模拟及分析讨论 3.1 循环参数设定及计算结果 对某国产 100 kW级的微型燃气轮机与ORC装置组成的联合循环进行模拟计算，能够预测循环性能。假定循环始终稳态运行，涡轮进口蒸汽处于饱和状态，工质经冷凝器后处于饱和液态，环境的年平均温度为15，设定循环的主要参数如表2 所示。表 2 循环参数 Tab.2 Combined cycle parameter 参数
20、设定值 工质 R123 压气机压比 3.4 压气机等熵效率 0.77 燃气涡轮入口温度/1 173.5 燃气涡轮等熵效率 0.81 微型燃气轮机回热器回热度 0.85 ORC 回热器回热度 0.80 ORC 涡轮入口温度/170 冷凝温差/25 一体化换热器排气温度/80 ORC 涡轮效率 0.80 泵等熵效率 0.65 机械效率 0.99 微型燃气轮机输出轴功/kW 115 关于用热力学第一、第二定律分析ORC循环的控制方程，Pedro19-20等人的研究已有详细描述，不再赘述。由于本文着重关心系统输出的轴功，因此用热效率作为评价循环性能的主要指标。定义联合循环热效率为顶循环、底循环输出功之
21、和与外界输入热量之比，即 22 中 国 电 机 工 程 学 报 第 29 卷 ctbp(WWWQ=+f)/(1)式中：c为联合循环热效率；Wt和Wb分别为顶循环、底循环输出的轴功；Wp为压缩泵的耗功；Qf为燃料燃烧产生的热量。采用 C#编制模块化程序，在以上循环参数基础上，对循环流程进行模拟计算。其中，R123 的热物理性质采用 Martin-Hou 方程计算，空气与燃气被视为服从理想气体状态方程的变比热半理想气体。燃气的热力性质受燃料成分和油气比影响，由各组成气体的热力性质按理想气体混合规则求得，具体拟合式如式(2)、(3)所示：2,11()1 000nnipipic iiiTccrcA=(
22、2)2,1,112()ln1 0001 000nniiihh ih niiTHrHAAA+=+T(3)式中：cp和H分别为空气或燃气的定压比热和比焓；Ac,i、Ah,i分别为拟合系数。在计算中，先假设各回热器热侧的出口温度，再迭代至与计算所得的温度相等为止。模拟计算结果如表3所示。表 3 循环模拟计算结果 Tab.3 Simulation results of the combined cycle 项目 计算值 空气流量/(kg/s)1.117 8 燃料流量/(kg/s)0.008 933 蒸发器热端温差/90.4 ORC 涡轮入口压力/MPa 2.9 底循环输入热量/(kJ/s)210.88
23、 ORC 工质流量/(kg/s)1.004 ORC 涡轮体积膨胀比 22.2 一体化换热器燃气侧进口温度/260.4 冷凝压力/MPa 0.154 压缩泵耗功/kW 2.95 ORC 系统输出轴功/kW 40.168 循环总输出功率 155.168 ORC 循环热效率 0.176 顶循环热效率 0.290 联合循环热效率 0.384 表3的模拟结果表明，联合循环增加了35%的输出轴功，而ORC工质流量不大，不会使整个系统在体积上付出较大的代价。图3为燃气加热R123的t-Q 图，图中横坐标为加热过程中热负荷Q与总换热量Q的比值。在循环参数的条件下，R123升温的斜率(dt/dQ)与燃气降温的斜
24、率基本一致，冷端温差为30，蒸发端的最小温差为33。基于这个特点，也可以用冷端温差作为一体化换热器的设计指标。另外，这2 个温差表明可以进一步提高一体化换热器的设计要求，从而获得更大的联合循环热效率。Q/Q t/280120200400.00.20.4 0.6 0.8 1.0R123 燃气 图 3 循环加热过程 t-Q 图 Fig.3 t-Q diagram of the heating process 3.2 关键循环参数对联合循环热力性能的影响 在循环参数给定的基础上，本文对关键循环参数，如压比、燃烧室出口温度、燃气轮机回热器回热度和环境温度等，对联合循环热效率产生的影响进行了敏感性分析。
25、图4是压比对联合循环和燃气轮机热效率的影响图。由图可见，联合循环的最佳压比比微型燃气轮机有所增大，且热效率的变化在最佳压比附近较为平缓，增大了压比的选择范围。由图5可知，循环增温比对联合循环的影响趋势与对微型燃气轮机的影响趋势保持一致，未见明显变化。图6中，联合循环热效率相对于微型燃气轮机 压比 0.400.320.360.283.04.0 5.0顶循环 联合循环 图 4 压比对联合循环和顶循环热效率的影响 Fig.4 Effects of pressure ratio on the efficiencies of the combined cycle and the top cycle 燃烧
26、室出口温度/1 1001 200 1 300顶循环 联合循环 0.420.340.380.260.30 图 5 燃烧室出口温度对联合循环和顶循环热效率的影响 Fig.5 Effects of combustor-outlet temperature on the efficiencies of the combined cycle and the top cycle 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 23 降低了对回热度变化的敏感程度。图7显示，ORC循环对环境温度的变化更为敏感，但由于微型燃气轮机热效率相对较高且变化较为平坦，因此联合循环的热效率受
27、环境温度变化影响的程度介于二者之间。回热度 顶循环 联合循环 0.40 0.32 0.36 0.28 0.80 0.840.88 0.900.82 0.86 图 6 燃气轮机回热器回热度对联合循环和 顶循环热效率的影响 Fig.6 Effects of recuperator effectiveness on the efficiencies of the combined cycle and the top cycle 环境温度/顶循环 联合循环 0.40 0.30 0.20 0 20 3010 底循环 图 7 环境温度对联合循环、顶循环和 底循环热效率的影响 Fig.7 Effects o
28、f environment temperature on the efficiencies of the combined cycle,top cycle and the bottoming cycle 4 结论 1）非负的饱和汽线是ORC循环得以有效运行的前提条件，稍高于蒸发温度的临界温度和斜率适中的饱和液线是获得联合循环最佳热效率的2个关键因素。用临界温度、饱和液线和饱和汽线筛选ORC循环工质，有利于快速找到回收不同温度废热的工质。2）微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成的联合循环，体现了能的“温度对口、梯级利用”的原理，特别适合于仅有发电或动力需求的场合。对某100 kW级微型燃气轮机与采
29、用R123作为工质的ORC循环组成的联合循环进行了模拟，结果表明在相同循环参数下，联合循环能够多输出40 kW的轴功，把系统的总热效率由29%提高到了38.4%，而ORC工质的流量不大，对换热器的设计要求也不高，故微型燃气轮机与有机朗肯循环组成的联合循环具有应用价值。3）底循环的设计和分析可为太阳能或地热等低温热源的利用提供参考和借鉴。参考文献 1 Yamamoto T，Furuhata T，Arai MoriDesign and testing of the organic Rankine cycleJEnergy，2001，26(3)：239-251 2 Cong C E，Velautha
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