分布式小型有机朗肯循环运行特性实验

周宇昊，阮炯明，洪国同，苗 政

（1.中国科学院理化技术研究所，中国科学院空间工热转换技术重点实验室，北京 100190；
2.中国科学院大学，北京 100049；
3.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；
4.低品位能源多相流与传热北京市重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

分布式能源系统通过区域内的多能互补进行冷热电联产，能源利用率高[1]，在我国“双碳”目标的驱动下，受到更多关注[2]。在分布式能源系统的多种供能方式中，存在大量200 ℃以下中低温热能，该部分热能的有效利用是实现系统高效能的重要环节。有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）技术采用低沸点有机物作为循环工质，可在较低的蒸发温度下达到足够驱动透平的压力，从而利用工业余热、地热等中低温热能资源[3]实现热功转换，被认为是针对200 ℃以下中低温热能利用最有前景的技术[4-5]。

近年来，国内外学者对ORC进行了广泛研究，但绝大多数工作集中在热力学理论分析方面，如工质筛选[6-8]、参数优化[9-11]和系统分析[12-14]等，针对ORC系统的实验研究相对较少，特别是在波动热源下运行特性的实验数据还有待积累。目前，国内外一些商业运行或示范的机组基本依托稳定热源，如地热、生物质能等，运行工况单一，而分布式能源系统多能互补的特性决定了ORC机组的可利用热源经常出现属性变化，其中以热源温度和流量的变化最为常见。因此，有必要研究分布式能源系统场景中ORC机组的多工况运行特性和调节能力。

在ORC机组的实验测试方面，膨胀机是核心部件。早期，Quoilin等人[15]通过改造无油涡旋空压机作为膨胀机，搭建了kW级小型ORC试验台，测试结果表明，工质在涡盘的泄漏和进出口节流的压力损失会导致系统性能下降。后续多位学者测试了基于不同类型膨胀机的ORC系统，为ORC系统设计和运行提供了最直接和宝贵的数据。如Pei等人[16]测试了采用转速60 000 r/min径流透平的ORC系统，获得了1 kW左右的输出功率；
Li等人[17]搭建了基于单级轴流式透平的ORC系统，在130 ℃热源下获得了6.07 kW的输出功率和58.53%的膨胀机等熵效率，验证了轴流式透平应用于小型ORC系统的可能性。目前，关于热源属性波动对ORC系统运行特性影响的实验研究较少[18-21]。Li等人[19]通过测试指出，相对于热源流量变化，系统热效率对热源温度的变化更敏感；
Feng等人[20]的测试结果表明，提高热源温度可以有效强化工质泵、膨胀机和换热器性能；
Fu等人[21]测试了设计温度133.9 ℃下250 kW机组的运行性能并指出，当热源温度在-10.3～19.8 ℃波动时，机组输出功率和热效率分别在-13.6%～22.6%和-11.5%～17.4%波动。

基于以上文献回顾可知，目前针对以分布式能源系统为应用场景的中小型ORC系统在热源温度和流量等属性波动下的运行特性和调节能力的研究还很欠缺，尤其是对机组热力过程匹配特性的研究。对此，本文基于实验室搭建的4 kW设计功率的小型ORC机组，以导热油锅炉模拟分布式能源系统中的波动热源，对机组在热源温度及流量波动下的多工况运行性能和以工质流量与膨胀机转速为控制变量的机组负荷调节能力进行研究，为小型分布式ORC机组的设计和运行提供借鉴。

1.1 机组介绍

图1、图2为实验室搭建的分布式ORC机组的实物和工作原理图。其中：膨胀机由车用制冷系统的涡旋压缩机改造而来，运行时额定功率约4 kW；
工质泵采用隔膜泵以保证循环管路中工质的纯净；
蒸发器和冷凝器采用板式换热器以实现机组的紧凑集成。实验中，热源采用额定功率100 kW的电加热导热油锅炉模拟分布式能源系统中的波动热源；
冷源侧通过循环冷却水与室外闭式喷淋冷却塔连接散热。

图1 实验室小型ORC机组Fig.1 Picture of the small scale ORC unit in laboratory

图2 实验室小型ORC机组工作原理Fig.2 Working principle of the small scale ORC system in laboratory

综合考虑目前100～150 ℃热源范围内工质的热力学性能、环保性能和安全性能，测试中采用制冷剂R245fa作为循环工质[22-23]。

1.2 机组性能计算

实验主要测量仪表不确定度见表1。通过数据采集界面实时记录ORC系统中各个设备进出口的温度和压力，以及导热油、工质和冷却水的流量，同时通过测功机的转矩、转速传感器记录膨胀机转速和转矩。由测得的温度和压力通过Refprop 9.1数据库计算对应测点的比焓和比熵，进一步得到系统性能指标，如机组净输出功、热效率和膨胀机等熵效率。

ORC系统热效率ηORC为净输出功Wnet与工质在蒸发器中吸热量Qe的比值：

式中：Wt、Wp分别为膨胀机输出功、工质泵耗功；
mf为工质质量流量；
he,in、he,out分别为工质在蒸发器进出口的比焓。膨胀机输出功通过测功机获得的膨胀机转速和转矩计算：

式中：nt和Tt分别为膨胀机转速和转矩。

工质泵耗功可通过式(3)计算：

式中：hp,in、hp,out分别为工质在工质泵进、出口比焓；
ηp为工质泵效率，根据液压柱塞泵的运行特性，将ηp设定为0.75。

膨胀机等熵效率ηt为：

式中：ht,in、ht,iso,out分别为膨胀机入口比焓和理想等熵膨胀条件下工质在膨胀机出口的比焓。

2.1 机组多工况运行与调节能力分析

规模化ORC商业机组通常需尽量保证其在设计工况附近运行以获得最大功率。而分布式能源系统多能互补的特点决定了其必须具有一定的负荷调节能力。本文实验机组可以通过工质流量和膨胀机负载（转矩、转速或轴功率）2个可控参数来调节机组运行状态以适应负荷的波动。需要说明的是，机组实际运行中通常需要保持转速的稳定以维持并网频率，实验中控制膨胀机转速的调节方式一方面是由于膨胀机是基于涡旋压缩机改造而来，需要确定其最佳运行区间，另一方面是对2种调节方式进行对比。实验机组设计工况对应的导热油温度和流量分别为120 ℃和8 000 L/h。

图3为不同工质流量和膨胀机转速对应的ORC机组输出性能。由图3a)可以看出，对应120 ℃热源温度，该涡旋膨胀机在工质流量800 kg/h、转速1 400 r/min下功率趋近设计功率，表明其最佳运行转速在1 400 r/min附近。实验中控制膨胀机入口压力不高于1.6 MPa，因此膨胀机转速不能过低。在许用转速范围内，除工质流量800 kg/h工况外，其他工质流量对应的性能曲线均表现为功率随转速下降而单调上升的趋势。同时，最大功率对应的转速随着工质流量的升高也逐渐升高。基于实验数据，推荐图3中粉色阴影面积为机组的有效工作区间。

图3 ORC机组性能随膨胀机转速和工质流量的变化规律Fig.3 Change rules of performance of the ORC unit with expander rotating speed and working fluid mass flow rate

同时，控制膨胀机转速和工质流量可以有效调整膨胀机功率。在不同转速下，工质流量增大对膨胀机功率的提升相对均匀，每提高100 kg/h可使轴功率提高400～500 W。在转速1 400 r/min下，工质流量从500 kg/h梯级增大到800 kg/h，膨胀机轴功率从约2 400 W增大到约3 800 W，可实现约35%额定负荷的调控。相对地，转速变化对膨胀机功率的调整幅度小一些。因此，实际机组以工质流量为主控参数更合适。

图3b)中，ORC系统热效率随转速降低而迅速升高，但对工质流量的变化不敏感。各转速下的系统热效率变化幅度在0.5%以内，呈现随工质流量升高而缓慢下降的趋势。这意味着机组负荷调控中以工质流量为主控变量可以在相对稳定的热效率下实现对功率的大幅调节。同时，如膨胀机转速参与负荷调节，则可在降低负荷的同时通过降低工质流量和膨胀机转速来实现低负荷下较高的热效率。

图3c)为工质流量和膨胀机转速对膨胀机等熵效率的影响。由图3c)可以看到，各工质流量下，膨胀机等熵效率变化趋势相似，即随转速降低先增大后减小，这是由内部泄漏损失和摩擦损失共同作用的结果。转速越高摩擦损失越大，随着转速的降低，摩擦损失逐渐降低，但同时膨胀机前后压差增大，导致泄漏损失增大，二者共同作用的结果是膨胀机等熵效率在一定转速下达到最大值后迅速下降。由图3可以看到，较高效率区间为转速1 800 r/min附近。显然，机组的适宜运行区间与膨胀机性能优势区间不对应。这表明膨胀机结构参数和ORC机组运行参数以及设备容量等有进一步优化的空间，以使膨胀机与ORC系统协调运行，发挥高效做功能力。在转速一定时，随着工质流量增大，内部泄漏损失也增大，膨胀机等熵效率出现随工质流量增大而降低的趋势。测试工况下，等熵效率在52%～68%。通过膨胀机气密性和润滑的优化，有望进一步提高其等熵效率。

图4为膨胀机进出口温压参数随工质流量和膨胀机转速的变化规律。

图4 膨胀机进出口温压参数随转速和工质流量的变化规律Fig.4 Change rules of inlet/outlet temperature and pressure of the expander with the expander rotating speed and working fluid mass flow rate

由图4可以看出，膨胀机入口温度基本趋近于导热油入口温度，只在工质流量800 kg/h、膨胀机转速1 400 r/min工况下稍有下降，表明机组降负荷时蒸发器换热面积冗余较多。这也使得膨胀机出口温度对工质流量变化不太敏感，仅随着流量的增大而缓慢下降。相对地，其随膨胀机转速降低而下降的趋势更明显，原因为低转速下膨胀机做功较多，膨胀机前后的焓降较大，在入口温度相对稳定的情况下，表现为出口温度下降。由图4b)—图4c)可见，膨胀机入口压力对工质流量和膨胀机转速的调整均较为敏感，而膨胀机出口压力则对转速的变化不敏感。这是由于容积式膨胀机转速降低，体积流量降低，工质在蒸发器中累积使得压力提高，从而维持膨胀机入口处质量流量的稳定。而膨胀机出口压力是由冷凝器中冷凝压力和沿程阻力损失引起的压降确定的。膨胀机进出口压力的趋势决定了膨胀机在低转速下可获得较高的外压比，鉴于容积式膨胀机内容积比一般小于7的结构特点，在ORC系统的设计与运行优化中应合理匹配二者关系，避免过膨胀和欠膨胀损失。

2.2 热源温度和流量波动对机组性能的影响

实验中，通过调节导热油进入蒸发器的温度和流量来模拟分布式能源系统中热源属性的波动。其中，热源温度波动对机组性能的影响如图5所示。实验中设定导热油流量8 000 L/h，膨胀机转速1 400 r/min。可以看到，在热源温度110 ℃时，只有工质流量600 kg/h工况可以稳定运行，这是由于更高工质流量会使膨胀机入口过热度过低甚至使工质进入两相区，影响膨胀机运行安全。这意味着热源温度影响机组的安全运行边界，在热源温度存在较大波动的场景中工作的ORC机组，需要及时调整工质流量来维持低热源温度下膨胀机入口必要的过热度以保障机组的运行安全。

图5 ORC机组输出性能随热源温度变化规律Fig.5 Change rules of ORC unit performance at different heat source temperatures

根据膨胀机入口过热度情况，图5a)给出了建议的机组安全运行区间，如阴影部分所示。图5表明，热源温度的降低将不可避免地造成机组性能的下降，通过调节控制参数只能在安全运行范围内调整机组负荷。另一方面，提高导热油温度和工质流量均能有效改善机组功率，这与Li等人[19]和Feng等人[20]的结论一致。热源温度提高拓展了循环的做功区间，可获得更高的初蒸汽参数，如图7中红色实线和虚线对应的循环构型对比所示。增大工质流量则直接成比例提高了循环做功的介质量。相对地，由图5b)可以看出，除了热源温度110 ℃下的循环热效率较低外，在其他热源温度时，不同工质流量和膨胀机转速下的系统热效率差别较小，总体在5.5%～6.0%，并未呈现Fu等人[21]测试中热效率相对较大的变化区间。这是由于在蒸汽面积冗余较大的情况下，膨胀机输出功增大的同时蒸发器换热量也随蒸发器内换热温差的增加而增大。实验中在热源温度150 ℃时获得机组最大输出功约4 kW，最大热效率约6.0%。

图6给出了热源流量波动对机组性能的影响。测试中设定导热油温度120 ℃，膨胀机转速 1 600 r/min。由图6可以看出，3组工质流量下的膨胀机实测功和热效率变化规律不同。在工质流量较小时（600 kg/h），导热油流量的变化对机组轴功率和热效率的影响可以忽略。其原因为工质流量较小时，蒸发器面积富裕较多，工质在蒸发器出口存在较大过热度，导热油流量下降造成的换热温差变化较小，机组的循环参数基本不变，从而表现为输出功和热效率相对稳定。随着工质流量增大，换热器冗余面积减小，从而使导热油流量变化的影响显现。在工质流量700 kg/h工况下，导热油流量低于5 000 L/h时机组的输出轴功率和热效率明显下降；
随着工质流量进一步增大到800 kg/h，这一规律更清晰，随导热油流量降低，机组性能降低。根据实验数据，图6a)中阴影部分标示了机组运行中对热源流量变化的惰性区间。在此区间内机组性能对热源流量变化不敏感。

图6 ORC机组输出特性随热源流量变化规律Fig.6 Change rules of ORC unit performance at different heat source fluid flow rates

结合不同导热油流量下的T-s图（图7）可知，大工质流量下，随着热源流量降低，换热夹点逐渐从蒸发器出口移动到两相区泡点位置，从而通过换热过程迫使蒸发温度降低，循环做功区间被压缩，表现为输出性能下降。ORC相关研究中对热源流量变化对机组运行性能影响的报道较少。Li等人[19]指出，相对于热源流量变化，系统热效率对热源温度的变化更敏感。从图6可以看到，本质上是蒸发器换热面积冗余度对循环性能的影响，在较高热源温度和较低工质流量下，冗余面积大，机组性能对热源流量变化不敏感，反之，机组性能将随导热油流量降低而降低。工质流量800 kg/h工况下，导热油流量降低50%，轴功率从3.6 kW降低到约3.15 kW，下降约12.5%。

图7 不同导热油温度和流量下ORC系统运行T-s图Fig.7 T-s diagram of the ORC system with different heat source temperatures and fluid flow rates

1）机组功率对工质流量和膨胀机转速的调节较为敏感，而热效率对工质流量的调整不敏感；
建议以工质流量为主控变量，可以在相对稳定的热效率下实现对功率的大幅度调节。额定功率下机组运行最佳转速约为1 400 r/min，测试工况内通过工质流量控制可实现35%额定负荷的调节。

2）提高热源温度可有效提高机组输出功率，但对机组热效率影响较小，同时，热源温度影响机组的安全运行边界，机组负荷调节需要考虑膨胀机承压和入口过热度限制；
机组在热源温度150 ℃下获得最大输出功约4 kW，最大热效率6.0%。

3）热源流量的变化对机组性能影响的本质是蒸发器换热面积冗余度对循环参数的影响：在高热源温度/低工质流量下，机组性能对热源流量变化不敏感，反之，将随导热油流量降低而降低。

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