郝世超 查顾兵 梁鹏飞

1.中船重工（上海）新能源有限公司

2. 上海市质量监督检验技术研究院

1 引言

各类燃机在燃烧燃料做功或发电过程中会产生烟气高温余热和缸套冷却水余热。采用有机朗肯循环（Organic Rankine cycle，ORC）技术进行余热发电是一种有效的余热能量回收方法。有研究表明R245fa做为ORC系统循环工质，能表现出良好的性能。

许多学者对ORC余热利用的建模和性能分析进行过研究，大多集中以单热源为研究对象，对于燃机余热回收发电的思路是烟气废热加以利用，而缸套冷却水难以直接发电，缸套水单独配置低温发电机组，热电转化率低，运行管理复杂度更高，致使技术经济性较差，所以一般成撬燃机直接外置风冷消耗额外电力冷却。

本文是结合实际应用，以3台型号为JMS320GS燃气发电机的烟气余热和缸套水余热背景条件，提出两种ORC单循环热电转化系统，一种是根据余热能级梯级利用发电系统，另一种是补汽式发电系统，这两种系统都能使烟气余热联合缸套水余热资源进行深度利用电转化，但未见文献中进行过讨论。本文以Matlab和REFPROP9.0为工具，通过对这两种系统进行了建模，提出节能和发电综合效益为衡量标准，进行了热平衡性能计算，得出这两种系统分别比仅用烟气余热的发电系统性能提高43.5%和74.5%，并分析这两种方式的区别关键在于预热器的作用，及系统参数对两种系统性能的影响。提出采用热源匹配性做为两种系统设计选择的判据，以两种热源的功率比表达热源匹配性做为判据指标并分析原因，为燃机及余热发电成套装置的开发和多重热源的性能优化应用提供新思路。

2 燃机余热及特点

本文选择3台颜巴赫 JMS 320 GS-L.L型内燃机余热做为热源对象，根据样本单台燃气发电机组额定发电功率1 067 kW，排气温度设计值为487℃，每台烟气流量5 221 kg/h；

为便于分析测算，取一组典型的烟气成分见表 1。

表 1 烟气成分表

燃机产生的90℃缸套冷却水作为热源，经冷却降温至70℃后返回内燃机继续冷却缸套，每台内燃机可用缸套水流量为28.9 m³/h。根据产品样本，缸套水余热原为废热，每台燃气发电机组标准配备一台功率为12 kW的风冷机。被ORC机组冷却后，可以取代风机产生节能效益。本文讨论的是缸套水做为ORC机组的热源温度为90℃，被ORC机组回收热量冷却后仍高于70℃，因为对于特殊型号的燃机设备，缸套水的热负荷是确定的，如果将缸套水在燃机外部冷却到70℃以下，流量保持不变，则缸套水将低于90℃。

图 1 余热梯级利用ORC系统示意图

3 余热梯级利用ORC系统

图 1为将两种余热能级梯级利用的有机朗肯循环发电系统示意图，下文简称系统1。图中红色线表示高温烟气余热，浅红色表示低温缸套水余热。由于R245fa工质在300℃以上不稳定，所以设置了紫色线表示的蒸汽-热水循环回路，防止工质温度过高。绿色线表示工质的循环回路，蓝色线表示冷却水回路。

在蒸汽-热水循环中，低温热水经热水输送泵至锅炉形成饱和蒸汽，在蒸发器中将热量传递给发电工质侧，并被降温冷凝成低温热水后再次进入热水输送泵继续循环。

在工质循环中，凝结后的工质经过工质循环泵输送至预热器中回收缸套水能量后，进入蒸发器被蒸汽加热后从过冷态加热至饱和态蒸汽，进入汽轮机做功发电，在冷凝器中转变为液态再次进入工质循环泵继续循环。

此发电系统的特点是运用了余热能量梯级利用方法减少了换热过程的可用能的损失。

4 补汽式ORC系统

图 2与图 1所示的ORC系统不同的是蒸发器和预热器由串联改为并联，工质循环泵出口流体分成两路分别进入预热器和蒸发器，进入蒸发器的工质被加热蒸发进入工质透平做功，经预热器的工质被缸套水加热直接转变为饱和蒸汽进入补汽式发电机中补充做功。下文简称系统2。

图 2 补汽式ORC系统示意图

5 计算模型的假设与说明

结合本文所探讨的两种ORC发电系统，为贴近应用实际，做假设和说明如下：

1）蒸汽-热水循环参数：锅炉出口饱和蒸汽压力3 bar，蒸汽换热后转变为95℃低温热水，此循环起到的作用是使有机工质侧温度控制在较低范围，确保有机系统本质安全；

2）散热损失：锅炉的散热损失取5%，由于工质循环的温度较低，不计蒸发器、预热器和冷凝器的散热损失；

3）阻力损失：蒸发器和预热器工质侧的压力损失以0.05 bar计，忽略冷凝器工质侧、热水循环回路和冷却水回路的压力损失后冷凝器循环水侧总压降取2 bar，工质主蒸汽压力损失取5%；

4）换热温差：换热器的温差按换热器换热量均分100等份后统计得到的平均温差，代替对数平均温差计算换热面积；根据换热器两侧换热介质换热器总传热系数取工程经验定值，烟气锅炉50 W/m2K，蒸发器1 500 W/m2K，预热器1 000 W/m2K，冷凝器2 000 W/m2K；对于系统1，为实现最大余热回收，应尽量减小窄点温差，即上端差取5℃；对于系统2，窄点温差设定为4.2℃，相应预热器出口蒸汽温度70℃；

5）泵对工质的影响：工质泵工作过程为绝热过程，电耗能量转移计入到工质中；

6）补汽汽轮机：分别以主蒸汽参数和补汽参数为进气参数，简化为两台相同内效率和排气参数的透平叠加。主进汽参数受到有机透平进气参数的限制，最高蒸汽温度130℃；

7）实际净发电功率：新增ORC发电系统的效益来自两部分，一是净发电产生的效益，另一部分是冷却缸套水从而节约风冷机耗电产生的节能效益，所以实际净发电功率定义为这两者之和。其中简化风冷机耗电功率与风冷热功率成正比关系，净发电功率指毛发电功率减去泵的功耗。

其他发电系统基本参数见表 2。

表 2 基本参数表

6 计算结果与分析

由表 3可见两个系统的实际净发电功率都高于仅采用烟气余热的ORC发电系统199.4 kW，在系统2中，进入较高压力的蒸发器的工质流量减少，使得工质泵流量明显加大的情况下，依然减少了泵的功耗；同时系统2比系统1具有更有效的回收余热的能力，也导致冷却水泵功耗增加，两个系统自用功耗基本持平，但由于余热回收率增加而相应毛发电功率增加和节能功率增加，使得最终系统2比系统1实际净发电功率增加21.6%，性能明显提升。

表 3 系统1和系统2计算结果对照表

与系统1比较，系统2性能的提升所付出的代价体现在膨胀机、泵的通流量加大和换热器面积上。换热器面积统计见表 4。由于预热器换热平均温差减少和热负荷增加，预热器换热面积增加126.9 m2，冷凝器换热面积增加主要是因为热负荷增加，而蒸发器热负荷减少并且温差加大所以换热面积减少，四种换热器总换热面积增加160.7 m2。

表 4 系统1和系统2的换热器面积统计表

通过以上结果可以观察出两个系统的关键不同是预热器所起的作用，换热曲线见图 3和图 4，在系统2中，为满足预热器内蒸发换热窄点温差，可以通过降低补汽压力来实现低温余热的充分回收，尽管此过程降低了热电转换效率，但还是通过回收热量和另外提高节能功率明显增加了实际净发电功率。

图 3 系统1预热器换热曲线

图 4 系统2预热器换热曲线

如果保持缸套水热负荷不变，尝试降低缸套水温度至85℃，保持换热窄点温差不变，则系统1和系统2的发电功率分别降至273.2 kW和337.8 kW，下降幅度分别是4.54%和2.90%，系统1比系统2对缸套水温更敏感。

7 工质蒸发温度与系统1

见表 5，缸套水的回水温度可以代表余热的回收量，温度越低表示回收的热量越多，如果降低工质蒸发设计温度，数据显示将增大对预热器的余热回收量，影响幅度很小，但显著降低实际净发电功率，以此可以得出降低系统1工质蒸发温度并不能得到优化的结果。

表 5 工质蒸发温度对系统1的影响

8 预热器上端差与系统1

由表6得知，降低预热器上端差，余热回收能力和实际净发电功率均下降，验证了将预热器上端差作为窄点温差应尽可能小以使性能增大的假设。

表 6 预热器上端差与系统1的关系

9 热源匹配性与热电转化

见图 5，对于燃机设备样本上确定了烟气余热和缸套水余热的功率参数，以其热功率比值代表双热源匹配性，通过改变缸套水流量对应不同的热源匹配，纵坐标代表确定热源条件下分别采用系统1和系统2的实际净发电功率比值，亦即当实际净发电功率比为1时，两个系统的发电能力相同。由此可以得出热源功率比大于1.8时，结果与前文的结论不同，系统1的实际净发电功率高于系统2。其原因是当热源功率比较小时，低温缸套水的余热回收能力对性能的影响占主导地位，烟气余热占比靠近临界点时，系统1的余热回收能力虽然没有达到全部，但缸套水对应的较高热电转化能力弥补了余热没能回收的损失，使系统1的性能与系统2基本持平，超过临界点时系统1缸套水余热回收能力进一步增大，加上比系统2缸套水更高的热电转化率，总体实际净发电功率就超过了系统2。在前文的计算结果中燃机两种热源功率比是0.82＜1.8，从提高资源利用的角度应选用系统2。

图 5 系统1和系统2的实际净发电功率比

10 结论

1）采用本文提出的两种燃机余热发电系统，能充分利用余热资源，实现高效热电转化，以实际净发电功率做为衡量标准，比仅用烟气余热的发电系统性能提高43.5%和74.5%，系统2比系统1性能提高主要以膨胀机和泵的通流量加大，以及换热面积增加45.1%为代价。

2）两种发电系统的性能区别关键在于预热器在系统中的作用不同，在文中燃机低温热源功率占比较高的条件下，因为系统2中的预热器能调整补汽压力充分回收余热，所以在灵活性和性能上更有优势。对于缸套水温的降低，系统1比系统2性能降低幅度更大。

3）降低工质蒸发温度和增大预热器上端差的调整经过验证不能优化系统1的性能。

4）系统1和系统2的性能和两种热源的匹配度有相关性，以本文提出的燃机样本热源功率比代表热源匹配性来衡量，能有效区分热源功率比为1.8时是两个系统性能的分界点，大于1.8时系统1优于系统2。这种方法可以做为多重热源发电系统方案选择的判据，同时建议采用其他定义热源匹配性的方式对该类双热源的ORC发电系统特性进行讨论。