摘 要

摘　要：介绍采用有机朗肯循环回收利用燃气机热泵余热用于发电的复合供能系统流程。筛选有机工质，建立有机朗肯循环热力学模型。关键词：燃气热泵； 燃气内燃机； 有机朗肯循环； 余

摘　要：介绍采用有机朗肯循环回收利用燃气机热泵余热用于发电的复合供能系统流程。筛选有机工质，建立有机朗肯循环热力学模型。

关键词：燃气热泵；  燃气内燃机；  有机朗肯循环；  余热利用；  发电

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

 

燃气机热泵^[1-5]采用天然气或沼气等清洁能源作为一次能源，为建筑物提供冷、热及生活热水。因有效回收和利用燃气内燃机产生的缸套和烟气余热，燃气机热泵性能系数、一次能源利用率比电驱动热泵有大幅提高。但燃气内燃机余热仅用于辅助供暖及制备生活热水，余热品质没有得到进一步提升^[6-8]。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle．ORC)具有效率高、环境友好、结构简单等优点，是实现低品位热能品质提升的有效途径之一^[9]。本文建立燃气机热泵一有机朗肯循环发电系统复合供能系统(以下简称复合供能系统)，利用燃气内燃机缸套冷却水和烟气余热进行有机朗肯循环发电，并建立有机朗肯循环发电系统热力学模型。

1　复合供能系统流程

复合供能系统流程见图1。复合供能系统由燃气机热泵与有机朗肯循环发电系统组成。燃气内燃机驱动压缩式热泵机组向用户供冷、供热，燃气内燃机产生的缸套冷却水及烟气余热，作为有机朗肯循环发电系统的热源。有机朗肯循环发电系统包括工质泵、蒸发器、储液罐、透平膨胀机(以下简称透平)、发电机、冷凝器等。有机工质在蒸发器内与经烟气换热器升温的缸套冷却水进行换热后，高温高压的气态有机工质进入透平膨胀做功，带动发电机发电。透平尾部排出的有机工质进入冷凝器定压(也定温)冷凝，冷凝器出口的有机工质冷凝为液态，进入储液罐，再由工质泵送入蒸发器完成一次发电循环。

 

2　有机工质选取

有机工质对有机朗循环发电系统的性能影响较大。有机工质可根据温-熵图饱和节气曲线的右半部分的斜率分3类(见图2)：第一类：斜率为负的湿流体，这些流体的等熵膨胀易产生凝结现象，在透平内膨胀做功后凝结，易对透平造成危害。第二类：斜率为正的干流体。第三类：近似垂直的等熵流体。干流体与等熵流体可避免湿流体造成的危害，另外还应要考虑有机工质的热力学性能和环保特性。

 

可选择的5种有机工质性能参数见表1。由表1可知，在5种有机工质中，Rl23、R245fa均为等熵流体，安全等级同为B1。R123的临界温度较高，适用于回收较高温度的余热，消耗臭氧潜能值(Ozone Depression Potential，ODP)为0.0012。R245fa的临界温度较低，与燃气内燃机的余热温度相适应，ODP为零。综合比较，选取R245fa作为有机朗肯循环发电系统的有机工质。

 

3　有机朗肯循环热力学模型

有机工质采用R245fa的有机朗肯循环温一熵图见图3。1-2为工质在透平内实际膨胀做功过程，1-2s为工质在透平内等熵膨胀做功过程；2(2s)-3-4为工质在冷凝器中的定压(也定温)的冷凝过程；4-5为工质在工质泵中实际压缩过程，4-5s为工质在工质泵中的等熵压缩过程；5(5s)-6为工质在蒸发器内由未饱和状态定压加热到饱和状态过程；6-1为工质在蒸发器内由饱和液态加热到饱和气态过程。在热力学模型建立过程中，进行以下设定：忽略管道、蒸发器、冷凝器中工质的压降，每个组成部件认为是一个稳态稳定流动的单元。

 

①透平模型

工质在透平内等熵膨胀做功的功率Pt的计算式为：

Pt＝qmht(h1-h2)

式中Pt——工质在透平内等熵膨胀做功的功率，kW

qm——有机工质的质量流量，kg/s

ht——透平的等熵效率

H1、h2——工质在工况点1、2s的比焓，kJ／kg

透平中工质不可逆损失功率DPt的计算式为：

DPt＝T0qm(s2-s1)

式中DPt——透平不可逆损失功率，kW

T0——环境温度，K

S1、s2——工质在工况点1、2的比熵，kJ／(kg·K)

②冷凝器模型

冷凝器内工质放热量西，的计算式为：

Fc＝qm(h2-h4)

式中Fc——冷凝器内工质放热量，kW

h2——工质在工况点2的比焓，kJ／kg

h4——工质在工况点4的比焓，kJ／kg

冷凝器中工质不可逆损失DPc的计算式为：

 

式中DPc——冷凝器中工质不可逆损失，kW

S4——工质在工况点4的比熵，kJ／(kg·K)

TL——冷源平均温度(冷却水平均温度)，K

③工质泵模型

工质泵功耗Pp的计算式为：

 

式中Pp——工质泵功耗，kW

h5、h5s——工质在工况点5、5s的比焓，kJ／kg

hp——工质泵的等熵效率

工质泵中工质的不可逆损失DPp的计算式为：

DPp＝T0qm(s5-s4)

式中DPp——工质泵中工质的不可逆损失，kW

S5——工质在工况点5的比熵，kJ／(kg．K)

④蒸发器模型

蒸发器中工质吸热量Fe的计算式为：

Fe＝qm(h1-h5)

式中Fe——蒸发器中工质吸热量，kW

蒸发器中工质不可逆损失DPe的计算式为：

 

式中DPe——蒸发器中工质不可逆损失，kW

TH——热源平均温度(燃气内燃机余热平均温度)，K

⑤燃气内燃机余热模型

燃气内燃机缸套冷却水余热量Fcj的计算式为：

Fcj＝qm,wcp,w(Tw,o-Tw,in)

式中Fcj——燃气内燃机缸套冷却水余热量，kW

qm,w——缸套冷却水质量流量，kg／s

cp,w——水的比定压热容，kJ／(kg·K)

Tw,o、Tw,in——缸套冷却水出水、进水温度，K

燃气内燃机烟气余热量Fexh的计算式为：

Fexh＝cp,f(qm,g+qm,air)(Tf,in-Tf,out)

式中Fexh——燃气内燃机烟气余热量，kW

cp,f——烟气的比定压热容，kJ／(kg·K)

qm,g——天然气耗量，kg／s

qm,air——燃烧需要的空气质量流量，kg／s

Tf,in、Tf,out——烟气换热器烟气进口、出口温度，K

⑥有机朗肯循环热效率

热力学第一定律效率(热效率)h1的计算式为：

h1＝Pt-Pp/Fe

式中h1——热力学第一定律效率

热力学第二定律效率(火用效率)h2的计算式为：

 

式中h2——热力学第二定律效率

4　结语

采用有机朗肯循环回收燃气机热泵余热用于发电，是一种有效利用余热的途径。有机工质R245fa适用于燃气内燃机余热温度水平，且对环境友好。

 

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本文作者：刘焕卫  周秋淑  赵海波

作者单位：烟台大学海洋学院