有機朗肯循環發電系統設備的選擇案例1.1引言本次有機朗肯循環發電系統應用于北極海域的海洋觀測浮標，因此各設備的選型需要考慮到觀測浮標的尺寸，不應超過浮標體積的二分之一，有機朗肯循環系統的主要設備有膨脹機、蒸發器、冷凝器以及工質泵，考慮采用微型設備。根據郭井學[[]郭井學,孫波,李群,雷瑞波,李丙瑞,李娜.極地海冰浮標的現狀與應用綜述[J].極地研究,2011,23(02):149-157[]郭井學,孫波,李群,雷瑞波,李丙瑞,李娜.極地海冰浮標的現狀與應用綜述[J].極地研究,2011,23(02):149-157.圖4-1浮標1.2膨脹機1.2.1膨脹機的類型以及研究現狀有機朗肯循環系統的高性能組件是提供高能量回收效率的必要條件。有機朗肯循環系統的規模的普及化是一個重要問題，這樣的話，包括蒸發器、壓縮機和膨脹器在內的部件的縮小將加速實際應用。膨脹機的選擇是影響有機朗肯循環發電系統性能及可靠性的關鍵問題。膨脹機，作為從高壓和高溫工質中產生動力的機器，將極大地影響能量轉換效率。據我所知，目前有機朗肯循環系統對膨脹機的研究主要集中在往復式膨脹機、滾動活塞式膨脹機、斜盤活塞式膨脹機、渦旋膨脹機、齒根膨脹機、單螺桿膨脹機、雙螺桿膨脹機和渦輪膨脹機。膨脹機有很多類型，按照工作原理以及構造的區別，可以分為速度型膨脹機、容積型膨脹機兩類。向心透平、燃氣輪機、多級軸流蒸汽輪機等都是速度型膨脹機。容積型膨脹機有旋葉膨脹機、活塞式膨脹機、螺桿膨脹機等類型。一般而言，容積型膨脹機適用于小流量裝置，其中，活塞式膨脹機主要適用于小流量、大膨脹比的中小型裝置，而速度型膨脹機主要適用于小流量、小膨脹比的大型裝置。為了提高有機朗肯循環系統的性能，Han[[]HanY,KangJ,ZhangG,etal.PerformanceevaluationoffreepistoncompressorcouplingorganicRankinecycleunderdifferentoperatingconditions[J].EnergyConversion&Management,2014,86(oct.):340-348.[]HanY,KangJ,ZhangG,etal.PerformanceevaluationoffreepistoncompressorcouplingorganicRankinecycleunderdifferentoperatingconditions[J].EnergyConversion&Management,2014,86(oct.):340-348.有機朗肯循環和傳統的蒸汽朗肯循環使用的工質和工作溫度都不一樣，因此不能直接使用汽輪機作為系統的膨脹機。因為近年來才開始對有機朗肯循環低品位熱能發電研究重視起來，目前在國內外的研究中，專門研究有機朗肯循環系統膨脹機的很少，一般而言都是選擇去改造別的類型的旋轉機械。例如將螺桿壓縮機和空調系統的渦旋壓縮機改造成螺桿膨脹機和渦旋膨脹機，將渦輪增壓器或者其他系統設計或改造成純向心透平、徑流透平等。QiuGuoquan[[]GuoquanQiu,HaoLiu,SaffaRiffat.Expandersformicro-CHPsystemswithorganicRankinecycle[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(16).[]GuoquanQiu,HaoLiu,SaffaRiffat.Expandersformicro-CHPsystemswithorganicRankinecycle[J].AppliedThermalEngineering,2011,31(16).雙螺桿膨脹機在實驗室有機朗肯循環系統中得到了廣泛的應用，特別是在地熱和余熱應用中，這在很大程度上取決于對實現低泄漏的精確控制。而單螺桿膨脹機具有使用壽命長、主螺桿負載均衡、容積效率高、噪音低、泄漏少、振動小、結構簡單等優點，螺桿膨脹機主要用于輸出功率高于渦旋或活塞式膨脹機的場合。張業強[[]張業強,吳玉庭,夏國棟,馬重芳,吉威寧,劉閃威,王景甫,郭航.單螺桿膨脹機在有機朗肯循環系統中的性能研究[J][]張業強,吳玉庭,夏國棟,馬重芳,吉威寧,劉閃威,王景甫,郭航.單螺桿膨脹機在有機朗肯循環系統中的性能研究[J].機械工程學報,2015,51(16):156-163.活塞式膨脹器適用于低排量和低功率的應用，可以在高溫、高壓和高壓比的條件下有效地工作，但是活塞式膨脹機的尺寸比其他類型的膨脹機大。渦旋膨脹機運動部件少，但只能提供較低的壓力比（通常低于1.2），其功率輸出與活塞式膨脹機相似，但工質的溫度和壓力遠低于活塞式膨脹機。齒根膨脹器不經常應用于有機朗肯循環系統，其功率輸出范圍是從1kw-30kw。Dumont[[]OlivierD,AntoineP,DRémi,etal.Experimentalinvestigationandoptimalperformanceassessmentoffourvolumetricexpanders(scroll,screw,pistonandroots)testedinasmall-scaleorganicRankinecyclesystem[J].Energy,2018:S0360544218312477-.[]OlivierD,AntoineP,DRémi,etal.Experimentalinvestigationandoptimalperformanceassessmentoffourvolumetricexpanders(scroll,screw,pistonandroots)testedinasmall-scaleorganicRankinecyclesystem[J].Energy,2018:S0360544218312477-.1.2.2渦旋膨脹機渦旋膨脹機的運行如圖4-1[[]潘登,高乃平,謝飛博,安巍,王海鷹,王海,朱彤.有機朗肯循環渦旋膨脹機性能試驗研究[J].流體機械,2014,42(05):10-11.]所示。它具有許多優點，但是一般應用于功率輸出大于50kw的場合，因為對于小功率循環來說，它的效率很低。另外，渦旋膨脹機的性能主要取決于空氣動力學設計，并受到噴嘴、葉片和流路的影響。SylvainQuoilin[[]SylvainQuoilin,VincentLemort,JeanLebrun.ExperimentalstudyandmodelingofanOrganicRankineCycleusingscrollexpander[J].AppliedEnergy,2009,87(4).[]潘登,高乃平,謝飛博,安巍,王海鷹,王海,朱彤.有機朗肯循環渦旋膨脹機性能試驗研究[J].流體機械,2014,42(05):10-11.[]SylvainQuoilin,VincentLemort,JeanLebrun.ExperimentalstudyandmodelingofanOrganicRankineCycleusingscrollexpander[J].AppliedEnergy,2009,87(4).[]彭斌,李要紅,趙生顯.渦旋膨脹機的熱力學模型與試驗驗證[J].熱能動力工程,2018,33(11):15-22.圖4-1渦旋膨脹機的工作過程圖4-2渦旋膨脹機的切向泄漏與徑向泄漏1.2.3螺桿膨脹機螺桿膨脹機是一種容積型膨脹機，它的結構和螺桿壓縮機一樣，但是工作過程恰恰相反，主要由缸體、一對螺桿轉子、軸承、齒輪以及其他組件零件等構成，其工作原理是工質進入到工作齒槽中進而推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽之間的容積逐漸變大，氣體不斷膨脹做功，最后從齒槽末端排出，由主軸螺桿輸出功率，從而帶動發電機發電。如圖4-3[[]鄭娛泉.螺桿膨脹機的研究[J].四川工業學院學報,1991(Z1):150-161.]所示。螺桿膨脹機的運行過程如圖4-4NOTEREF_Ref5639\f\h[22]所示。[]鄭娛泉.螺桿膨脹機的研究[J].四川工業學院學報,1991(Z1):150-161.圖4-3螺桿膨脹機圖4-4螺桿膨脹機的工作過程螺桿膨脹機及特點：螺桿膨脹機的占地面積、重量、排氣脈動以及單位排氣量體積遠小于活塞式膨脹機。由于螺桿膨脹機沒有凸輪配氣結構、活塞連桿機構，也沒有進排氣閥，結構十分簡單，且零件數極少，基本沒有易損件，故其壽命長，運轉可靠，甚至可以實現無基礎運轉。螺桿膨脹機，是容積型膨脹機，內部流速低，除去泄露損失外，其他損失很少，膨脹機效率較高，就算負荷或蒸汽參數發生改變仍能保持高效率。在吸氣壓力下，螺桿膨脹機對降變工況的適應能力強，既能在設計壓力下工作，也能在低吸氣壓力下工作，但是有附加損失。磨損件數量較少，且轉速不高，使用壽命變大。1.2.4向心透平以工質在膨脹透平通流部分里的流動情況為依據，膨脹透平大致可以分為徑流式透平和軸流式透平。徑流式膨脹透平是指工質的流動方向和動葉輪旋轉軸近似垂直的膨脹透平；軸流式膨脹透平是指工質的流動方向和動葉輪旋轉軸近似平行的膨脹透平。以工質的流動方向為依據，徑流式膨脹透平可以分為離心式透平和向心式透平。離心式透平是指工質沿著旋轉軸中心朝工作輪緣方向運動的透平；向心式透平是指氣體工質從工作輪外緣朝轉軸中心方向運動的透平。各條件相同的情況下，相比較離心式透平，向心式透平的效率更高，功率也更大。透平膨脹機是制冷循環能源的重要設備，它在空氣調節、低溫環境、尾氣能源綜合利用等方面具有很大的優勢，其工作原理是在透平膨脹機中利用一定壓力的氣體進行絕熱膨脹，氣體的內能轉化為對外做功，氣體迅速冷卻，膨脹的氣體通過機器迅速與周圍環境進行能量交換，因此這一過程被認為是等熵膨脹，膨脹機的葉輪由膨脹氣體驅動。影響透平膨脹機效率的主要因素如下：轉子轉速、噴嘴開度、工質流量、密封性、膨脹比。控制系統的主要參數是透平膨脹機的進出口氣體狀態，其目的是獲得一個合適的膨脹比，高膨脹率可以確保良好的冷卻效果。一般來說，通過控制膨脹機的轉速來獲得合理的膨脹比是可行的。對于有機朗肯循環工質的透平，向心徑流式透平和軸流式透平均可采用，但是相比軸流式透平，單級向心透平的輸出功更大、效率更高。1.2.5膨脹機的選擇綜上所述，容積型膨脹機、速度型膨脹機的適用領域是不一樣的，在中大型有機朗肯循環系統中相比于容積型膨脹機，速度型膨脹機的輸出功率更大，效率更高；而在中小型系統中，容積型膨脹機則更加適用。而上文提及的單級向心透平不但適用于中小型系統的小容量能量回收，而且效率高、輸出功率大，比較適用于本文研究的有機朗肯循環系統。考慮到膨脹機的尺寸，這里可以采用微型透平膨脹機，湯潤泉[[]湯潤泉.微型透平膨脹機[P].江蘇：CN2388351,2000-07-19.]已于2000年申請了微型透平膨脹機的個人專利，而且目前微型透平膨脹機已經投放使用，陳汝剛[[]湯潤泉.微型透平膨脹機[P].江蘇：CN2388351,2000-07-19.[]陳汝剛,侯予,陳純正.微型氣浮軸承高速透平膨脹機的研制[J].西安交通大學學報,2010,44(01):61-65.1.3換熱器本文中有機朗肯循環系統的主要換熱器是蒸發器和冷凝器。由于換熱器的效率對整個系統性能有著重要的影響，因此優化換熱器是提升系統效率的主要方法之一，最主要的就是要減少系統的不可逆損失，且盡可能減小換熱溫差，黃峻偉[[]黃峻偉,王輝濤,王華,徐建新,葛眾.ORC直接接觸式蒸發器傳熱性能研究[J].動力工程學報,2013,33(12):969-973.[]黃峻偉,王輝濤,王華,徐建新,葛眾.ORC直接接觸式蒸發器傳熱性能研究[J].動力工程學報,2013,33(12):969-973.[]姜亮,張玲霞,朱亞東,于立軍,吳雙應.有機朗肯循環系統中蒸發器的熱經濟性分析[J].電力建設,2013,34(09):76-81.微型換熱器體積小、質量輕，工質通過的通道微小，從而大大提高了單位體積內的傳熱面積，傳熱量變大，故傳熱效率高。考慮到目前對于微型換熱器的加工工藝不夠成熟，而且生產成本高，微型換熱器還處于實驗研究階段，還沒有出現商業化產品；另外，微型換熱器的壓力損失較大，造成實際應用的困難。因此，微型系統可以采用小型緊湊式換熱器，方便加工。1.3.1蒸發器一般來說，在有機朗肯循環中經常使用的的蒸發器主要包括管殼式、管翅式和板式三種類型。其中管翅式蒸發器主要應用于熱載體為氣態的情況下，比如煙氣、尾氣、廢氣等，氣體換熱系數相對較低，主要用于余熱鍋爐；管殼式蒸發器主要應用于熱載體為液態的情況下，比如熱海水、導熱油、廢水等，具有適應性強、耐高溫高壓、結構堅固且制造工藝簡單等優點，在工業領域中應用最多；板式蒸發器相較于其他蒸發器而言，具有傳熱系數高、結構緊湊、實現多種介質換熱等優點，是目前比較先進的高效節能蒸發器。本文研究的有系統中，熱源為海水，是液態物質，綜合考慮經濟因素，可以選擇管殼式蒸發器作為初步篩選對象，下面將對管殼式蒸發器進行研究。根據工質流程的不同，管殼式蒸發器可以分為滿液式和降膜式。1.3.1.1滿液式蒸發器滿液式蒸發器中，由于工質吸熱蒸發后還有很多液體，所以從蒸發器中出來的濕蒸汽應該經氣液分離后才能再進入膨脹機。蒸發器在工作的時候，管內有液體載冷劑流動，管外是制冷劑沸騰，如圖4-5所示。在中小熱負荷的情況下，若管的間距大，則滿液式蒸發器通過自然對流進行換熱，但降膜式蒸發器的換熱系數遠大于滿液式。如果緊湊排列蒸發器的管束結構，會增大單位體積中的表面積。這是因為換熱系數是隨通道水力直徑的增大而減小的，故緊湊表面的通道小，換熱系數會變大。另外，在小空間尺寸內緊湊排列的滿液式蒸發器會出現沸騰現象，自然對流換熱會變成核態對流換熱。當管間距比較適宜時，它的換熱性能可能會比降膜式蒸發器好，當過熱度高、熱流量高時，可以使用緊湊排列的滿液式蒸發器。緊湊排列的方式能夠減少蒸發器的體積和重量，而且會減小造價。圖4-5滿液式蒸發器滿液式蒸發器也有缺點：工質的注入量大。如果工質的價格比較高昂，會增加制造成本；在使用氟利昂時，需要分離潤滑油；受液體靜壓力的影響，在蒸發器殼體直徑較大的情況下，會使底部液體的蒸發溫度升高，這會使蒸發器的傳熱溫差變小。蒸發溫度越高，這種影響越小，當工質密度較小時，靜壓高度的影響較小；（4）因為工質的液位較高，離工質的蒸汽出口比較近，蒸汽帶液現象比較顯著。如果令液體工質進入到膨脹機，則會出現液擊現象。1.3.1.2降膜式蒸發器降膜蒸發是液體工質進入到蒸發器中后，通過液體分布和成膜裝置，均勻分配噴淋到各換熱管上，呈均勻膜狀從上到下流動，如圖4-6所示。在流動的過程中，介質被殼程加熱汽化，氣液兩相一起進入到蒸發器的分離室，將氣液充分分離后，氣相進入到膨脹機中做功，而液相從分離室排出。降膜式蒸發器操作過程中，工質的停留時間很短，故傳熱效率很高。圖4-6降膜式蒸發器降膜式蒸發器具有結構簡單、傳熱效率高、耗電量低、出液濃度高、操作彈性大且結構堅固、加熱面易清洗、不易結垢、容易維修、使用壽命長、投資低等特點，是蒸發器中應用較廣的一種。降膜式蒸發器一般在熱負荷和過熱度都很低的情況下使用。降膜式蒸發器有兩種，垂直管降膜式蒸發器以及水平管降膜式蒸發器，它們的不同在于換熱管的布置方式，前者是豎直布置，后者是水平布置。相較滿液式，降膜式蒸發器的優勢在于：傳熱溫差小。滿液式蒸發器由于液位靜壓導致沸點升高，從而造成溫差損失，而降膜式避免了液位靜壓對蒸發溫度影響。傳熱性能好。因為工質成膜狀沿管壁流動，工質膜很薄，有利于工質膜和管壁間的傳熱。工質充注量小。降膜式蒸發器工質注入量要比滿液式約少25%，減小了工質的投入成本，也減小了工質的泄漏概率，擴大了工質的選擇范圍。結構更加緊湊。傳熱性能好，蒸發溫度增大，可以提高循環效率；另外，傳熱系數高，蒸發器體積變小，減少了投入成本。1.3.1.3蒸發器的選擇本文的有機朗肯循環的熱載體是熱海水，為液態，工質的熱流量不高，過熱度較低，所以選擇管殼式蒸發器中傳熱性能好的降膜式蒸發器，價格便宜，技術成熟。目前研制出的微型管殼式蒸發器，外形尺寸為12cm×12cm×2cm體積約為288cm3，根據選取的管殼式蒸發器，設計傳熱系數為200-500W/(m2·K)，傳熱面積約為0.1-0.5m2。1.3.2冷凝器冷凝器的作用是把高壓高溫工質蒸汽的熱量傳遞給冷卻介質，使蒸汽工質凝結成液體。冷凝器作為有機朗肯循環的換熱器，進行熱量交換，如圖4-7所示。根據冷卻介質和冷卻方式，冷凝器大致分為三種類型，水