学文网摘 要：有机朗肯循环系统发电系统内部参数与外界环境紧密相关，热源参数的变化、冷却水温度的变化都会使得系统内部各个点参数改变，从而导致系统长期运行在非额定工况热效率低。该文以循环工质为R245fa的有机朗肯循环系统作为研究对象，通过建立蒸发器和冷凝器换热模型，得出有机朗肯循环系统在不同热源温度、不同冷却水温度下的最佳蒸发温度、凝结温度变化情况，从而获得蒸发温度、凝结温度与热源温度、冷却水温度之间的函数关系。在实际有机朗肯循环系统余热发电工程中，存在着很多不稳定因素，因此对有机朗肯循环系统变工况特性分析是非常有必要的，对于提高系统整体性能具有指导性意义。
关键词：有机朗肯循环 变工况特性 余热发电 热力系统
中***分类号：TB69 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0251-04
有机朗肯循环系统是利用低品位热源发电的新型技术，作为中、低温余热回收的有效方式在节能环保领域具有广阔的前景。中国是一个能源消耗大国，余热资源非常丰富，不管是废气还是废水，在各工厂内都随处可见。如此多的余热资源组成了一个庞大的资源库，其中的余热资源随工厂类别、地域、生产工艺的不同而不同，就算是同一个余热资源，其相关参数也是不断变化的。不管是热源还是冷源的变化都会导致有机朗肯循环系统内部参数的改变，从而导致发电系统长期运行在非额定工况系统热效率低。因此为了有效解决余热资源的变化给有机朗肯循环系统所带来的负面影响，就必须对有机朗肯循环系统进行变工况分析，一方面能够提高系统的整体适应性，另一方面能提高热效率和输出功率。
1 有机朗肯循环系统简介
有机朗肯循环系统由加压泵、蒸发器、汽轮机、冷凝器四个主要装置组成，理想状态下有机工质在这四个装置中分别经历绝热压缩、等压吸热、绝热膨胀和等压放热四个过程。等压吸热过程是有机工质在蒸发器内吸收热源放出的热量而蒸发成汽态，等压放热过程是有机工质在冷凝器内放出热量而凝结成液态，这两个过程中循环工质分别与热源和冷源相互作用，与外界环境有着紧密联系，时刻因外界环境的变化而受到影响。
余热资源的参数变化主要体现在两个方面，即热源和冷源的变化。热源的变化主要是指热源的温度和流量随生产工艺的变化。热源的变化直接影响着蒸发器内的等压吸热过程，热源温度高，机组输出功率大，温度低，机组输出功率小。冷源的变化主要是指冷源的温度随昼夜或季节的变化。冷源的变化直接影响着凝汽器内的等压放热过程，冷却温度高，机组输出功率小，冷却温度低，机组输出功率大。
该文从蒸发器、凝汽器换热模型着手，来分析有机朗肯循环系统的变工况特性。 为了计算分析方便，该文在模型建立过程中所采用的计算输入条件如下：
热源：80 ℃热水；空气干球温度：20 ℃，相对湿度：55%，大气压：101.325 kPa；冷却水温度：25 ℃；有机工质：R245fa。
2 蒸发器换热模型
蒸发器作为有机朗肯循环系统中的关键设备，其主要任务就是使有机工质通过相变从热源中吸收热量。有机工质在蒸发器内吸收热源放出的热量成为具有一定压力和温度的气体，蒸发器内发生的过程主要包含二个阶段：预热和蒸发，其热力过程如***1所示。
***1中的节点温差是指蒸发段热源出口温度与工质饱和压力下所对应的饱和温度之差。蒸发器内节点温差越小，效率越高，可以回收更多的热量。但是，节点温差小会使换热面积增大，一方面增大投资成本，另一方面增加排气阻力。因此应该从循环的效率和经济性能全面考虑，选择合适的节点温差。***2所示为蒸发器相对总投资费用和相对单位热回收费用与节点温差变化的关系，由***可知节点温差为5～10℃是比较合理的。
考虑到经济性能以及计算方便，本文选定蒸发器内的节点温差，根据***1分别对预热段和蒸发段建立能量平衡方程如下：
蒸发段：
预热段：
由以上方程及相关参数设定得出热源出口温度与工质蒸发温度的关系如***3所示：
由***3可知，热源的出口温度与蒸发温度近似为线性关系，为了分析方便，定义出口温差为热源出口温度与蒸发温度的差值，两者之间的关系如***4所示。由***4可知出口温差与工质蒸发温度近似为抛物线关系，出口温差最小点出现在蒸发温度为58 ℃处 。
3 冷凝器换热模型
有机工质在汽轮机内不可能把能量完全转化成功，而是有一大部分能量储存在乏汽中。从汽轮机排放出来的乏汽需要在冷凝器内冷凝成液态，这一过程是定压过程，且释放出大量的汽化潜热，然后通过冷却水传热给外界环境。有机工质在凝结时放热给冷却水，冷却水因被加热温度由TL3升高至TL2。由热力学第二定律可知，热量在传递时是需要有温差的，即蒸汽的凝结温度TL1总是要比冷却水的最高温度TL2大，由此我们可以得出如下关系：。冷却水的温升需要根据实际情况合理选取。增大，则冷却水量将减少，水泵所消耗的功率相应减少。但是在冷却水进口温度不变的情况下，凝结温度将会增加，朗肯循环所利用的温度区间变小，发电量减小，通过计算通常的取值范围为5～10 ℃。同样冷凝器端差也需要合理选取，越小，凝结温度越低，发电量越大，但是冷凝器对数温差越小，传热面积增大，通过计算通常的取值范围为3～7 ℃。
假设冷凝器内R245fa的质量流量为m1，冷却水的质量为m2，称为循环倍率，循环倍率反应了冷却水的循环量大小。根据能量平衡方程：
即
式中：为R245fa在温度为TL1时的汽化潜热；为水的定压比热，=4.2。
根据上式可以得出循环倍率与冷却水温升、冷凝器端差之间的关系，如***6所示。由于R245fa的汽化潜热随着温度的变化比较小，所以对m的影响非常小，m主要受的影响，且其关系可近似成反比例（***7）。
4 变工况特性分析
换热器是组成有机朗肯循环系统的最重要部件之一，换热器直接跟热源与冷源接触，热源和冷源的变化是必然存在的，因此在不同的余热资源条件下，有机朗肯循环系统有着不同的最佳热力参数。以某一特定状态（表1）为例，将单位热源净发电量作为评判指标对有机朗肯循环系统进行热力计算。
计算结果得出在该特定状态下最佳蒸发温度为59 ℃，最佳凝结温度为36 ℃（冷却水温升6 ℃）。采用同样的计算方法，通过改变热源温度和冷却水进口温度得出一系列不同状态下的最佳蒸发温度和最佳凝结温度，其结果如***8所示。由***可以得出最佳蒸发温度、最佳凝结温度与热源进口温度、冷却水进口温度之间的关系：
与、二者都有联系，但是只与有关，且冷却水温升都是6 ℃。
5 结语
本文将R245fa为工质的有机朗肯循环系统作为研究对象，采取不同的热源温度和冷却水温度，分别计算出循环净发电量最大时的蒸发温度和凝结温度。计算结果表明：最佳的蒸发温度与热源温度和冷却水温度都有关联，；最佳的凝结温度只与冷却水温度有关联，即且冷却水温升都是6℃。在不同的热源温度和冷却水温度下，为了使得循环的净发电功率最大，我们可以适当地调节工质泵的扬程与冷却循环泵的流量来控制蒸发温度和凝结温度，使其变化到该状态点的最佳值。
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