小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的效率

葉佳琦，趙力，鄧帥，王曉東，蘇文（天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

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小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的效率

葉佳琦，趙力，鄧帥，王曉東，蘇文
（天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

摘要：對小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的性能進行了實驗研究，建立了應用R245fa工質(zhì)的小型工質(zhì)泵性能研究試驗臺，針對容積型工質(zhì)泵的效率展開實驗研究，對工質(zhì)泵出口壓力、進出口壓差和系統(tǒng)質(zhì)量流量分別進行控制，獲得了工質(zhì)泵等熵效率隨上述3個變量的變化曲線。實驗結果表明，在蒸發(fā)溫度75℃、冷凝溫度11℃條件下，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的等熵效率范圍為15％～47％，隨著系統(tǒng)質(zhì)量流量的增大和工質(zhì)泵進出口壓差的增加，工質(zhì)泵等熵效率升高，且受到系統(tǒng)質(zhì)量流量的影響較大。實驗證實了有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的實際運行效率比以往模擬、理論計算研究中應用的工程經(jīng)驗值低。依據(jù)本研究實驗結果，工質(zhì)泵等熵效率宜取平均值30％；基于理論循環(huán)等熵過程的分析，泵功占膨脹機輸出功的比例約為8％，而實際過程中，綜合考慮泵的效率、電機效率、膨脹機機械效率，其比值可達到12％以上。

關鍵詞：泵；有機朗肯循環(huán)；等熵效率；有機工質(zhì)；焓；熵

第一作者：葉佳琦（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為新型節(jié)能技術的利用。聯(lián)系人：趙力，博士，教授，主要研究方向為太陽能熱利用。E-mail jons@tju.edu.cn。

在中低溫熱能利用領域，有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）憑借簡單的結構、高可靠性和易于維護等特點，近年來得到較多的關注[1-2]。在ORC系統(tǒng)中，工質(zhì)泵作為主要的耗能部件，其對系統(tǒng)整體效率的影響不容忽視。

因此，在計算系統(tǒng)輸出功和效率時，工質(zhì)泵的性能成為一個重要的考量因素。通常在理論循環(huán)計算中用等熵效率表征設計增壓過程與理想增壓過程的偏離程度。然而，在實際測試中，往往使用泵效率對工質(zhì)泵性能進行評價，而非等熵效率。此外，在既有研究中，工質(zhì)泵效率多為經(jīng)驗值，典型值為0.65[3]、0.75[4]、0.80[5]及0.85[6]不等。最后，在考慮電機效率等因素后，工質(zhì)泵用電效率值等隨工質(zhì)、泵的特性又會有新的變化。

REID[7]在一個千瓦級的ORC系統(tǒng)中得到泵用電效率是0.07，QUOILIN[8]經(jīng)過實驗測得使用R245fa的ORC系統(tǒng)中隔膜泵的用電效率是0.22，BALA等[9]考慮了R11和R113對ORC系統(tǒng)的影響，得到滑片泵用電效率大約是0.20，MELOTTE[10]進行了實驗研究，認為使用共沸工質(zhì)solkatherm （R365mfc、丙烯混合等）的離心泵用電效率在0.1～0.2之間。

綜上可以看出，在ORC工質(zhì)泵性能的不同效率表征及工質(zhì)泵效率實際測試方面，雖然已有少數(shù)學者的研究有所涉及，但是有針對性的實驗數(shù)據(jù)較少，其結論往往也不盡相同，對實際系統(tǒng)的設計指導性差，造成性能評估的不準確。因此，本文通過實驗的研究方法，針對ORC系統(tǒng)的工質(zhì)泵效率展開研究，對代表性干工質(zhì)ORC循環(huán)升溫增壓過程的等熵效率、工質(zhì)泵實際運行效率進行分析，研究成果可對ORC系統(tǒng)的設計與效率評價提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1　實驗方法

1.1工質(zhì)泵效率

實際運行中，工質(zhì)泵的泵效率是有效功率與軸功率的比值，等于流動效率、容積效率和機械效率三者的乘積，見式(1)。

式中，Ne是有效功率；N是軸功率；hh、hv、hm分別是流動效率、容積效率和機械效率。

與工質(zhì)泵相匹配的電機也存在一定的轉(zhuǎn)化效率，定義電機效率是軸功率與電機功率的比值，見式(2)。

式中，Ng是電機功率。

考慮到電機耗電與泵做功之間的關系，工質(zhì)泵的用電效率可表示為有效功率與電機功率的比值，見式(3)。

由式(1)～式(3)推出,hc=hhg，即工質(zhì)泵的用電效率等于泵效率和電機效率的乘積。

圖1表示了工質(zhì)泵的泵效率、電機效率、用電效率與等熵效率之間的關系。

圖1　工質(zhì)泵效率研究的關系圖

1.2等熵效率計算方法

圖2是ORC循環(huán)的T-S示意圖，圖中標注了工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機所進行的能量轉(zhuǎn)換和交換過程。其中，1-2-3-4-1是實際循環(huán)過程，1點是工質(zhì)進入工質(zhì)泵的進口狀態(tài)點，2點是工質(zhì)泵出口的狀態(tài)點，2s點是工質(zhì)泵出口的工質(zhì)等熵狀態(tài)點。

工質(zhì)泵等熵效率的計算方法如下：工質(zhì)泵的進出口平均溫度T1和T2，工質(zhì)泵的進出口平均壓力P1和P2，經(jīng)由REFPROP軟件算得工質(zhì)泵的進出口焓值H1、H2及進出口熵S1、S2。其等熵點壓力P2s= P2，熵S2s=S1，由REFPROP軟件算得等熵點焓值H2s。工質(zhì)泵的等熵效率可由式(4)算得。

工質(zhì)泵的等熵效率反映了工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵時，理想增壓過程的焓升和實際工作工程焓升的偏差。若考慮單位質(zhì)量工質(zhì)經(jīng)過循環(huán)，Ne=H2?H1，Ng=ep，則工質(zhì)泵耗電為式(5)。

在循環(huán)過程中，各項效率的值都小于1，所以工質(zhì)泵的等熵效率越高，工質(zhì)泵耗電越低，表明系統(tǒng)的性能就更好。

圖2　ORC循環(huán)的溫熵圖

2　實驗系統(tǒng)介紹

根據(jù)研究方法和實驗原理，對實驗系統(tǒng)展開設計。實驗系統(tǒng)分為兩部分：一部分是中低溫有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)；另一部分是數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)。中低溫ORC系統(tǒng)包括工質(zhì)泵及配套電機、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、儲液罐、控溫加熱水箱、控溫冷卻水箱、熱水循環(huán)泵、冷水循環(huán)泵及相應的閥門和管道等，數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)包括溫度傳感器、工質(zhì)壓力傳感器、工質(zhì)流量傳感器、工質(zhì)泵驅(qū)動電機電耗測量裝置、標準電源、數(shù)據(jù)采集記錄儀及可視壓力表、管道視液鏡等。

實驗系統(tǒng)如圖3所示，本研究應用的循環(huán)過程為：有機工質(zhì)R245fa從儲液罐1中被吸出，經(jīng)過工質(zhì)泵2的加壓輸送后，進入蒸發(fā)器3吸熱，過熱蒸汽經(jīng)過膨脹閥4減壓后進入冷凝器5放熱，變?yōu)轱柡鸵?，流回儲液罐完成循環(huán)。

搭建的實驗系統(tǒng)如圖4所示，主要部件集中布置在1.2m×0.6m×1m的鋼制框架，工質(zhì)泵布置在系統(tǒng)的最低處，其他部件按照實驗系統(tǒng)原理圖依次連接。實驗系統(tǒng)的溫度測點分別布置在工質(zhì)泵進出口處、蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)和水側(cè)進出口處、膨脹閥進出口處、冷凝器工質(zhì)側(cè)和水側(cè)進出口處，壓力測點分別布置在工質(zhì)泵進出口處和膨脹閥進出口處。

為了控制實驗時流量和工質(zhì)泵進出口壓力及溫度，可以通過調(diào)節(jié)工質(zhì)泵的柱塞沖程長度、控溫冷卻水箱的溫度、控溫加熱水箱的溫度以及膨脹閥的開度來實現(xiàn)。

在ORC系統(tǒng)中，工質(zhì)泵在輸送工質(zhì)的同時，還要為工質(zhì)增壓。而有機工質(zhì)通常都比較昂貴，具有易燃性、毒性和較高的GWP值、ODP值，所以還需要考慮系統(tǒng)的密閉性。容積型工質(zhì)泵適用于較高壓力、中小流量的循環(huán)系統(tǒng)，密閉性良好，在ORC系統(tǒng)中使用較多。

圖3　ORC實驗系統(tǒng)原理圖

實驗系統(tǒng)選用由美國Pulsafeeder公司生產(chǎn)的容積型工質(zhì)泵（液壓隔膜泵），其參數(shù)如表1所示。

圖4　ORC實驗系統(tǒng)實物圖

表1　容積型工質(zhì)泵主要技術參數(shù)

選用的該工質(zhì)泵的工作原理是通過電動機驅(qū)動液壓油槽內(nèi)的傳動機構，以推動柱塞進行往復運動，將液壓油壓入泵頭，使得隔膜發(fā)生形變后將隔膜另一側(cè)的工質(zhì)壓出泵頭。

由于隔膜泵具有上述這樣的工作特點，其泵出口處的壓力和流量會產(chǎn)生較大的波動，不利于實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。為減緩這樣的波動，在隔膜泵的出口處安裝了脈動阻尼器。

蒸發(fā)器和冷凝器均采用釬焊板式換熱器，最高工作溫度均為200℃，其中冷凝器換熱面積為1.1m2，蒸發(fā)器換熱面積為 1.2m2。膨脹閥采用J13W-1.6/32P型內(nèi)螺紋針型閥，最高工作溫度為400℃，60°錐角，流通能力0.4～1.2倍。儲液罐采用空調(diào)機組用立式柱形儲液罐，壁厚1.5mm，容量為12L。

ORC系統(tǒng)在選擇工質(zhì)時，為避免在膨脹過程中進入氣液兩相區(qū)域，引發(fā)對膨脹機有害的“液擊”現(xiàn)象，可以選擇干工質(zhì)，如常用的R245fa。

數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)中，溫度的測量使用的是經(jīng)過恒溫水箱標定的T型銅-康銅熱電偶，測溫范圍為0～100℃，精度±0.2℃。流量的測量采用的是YOKOGAWA公司生產(chǎn)的 ROTAMASS-RCCS30LR型科里奧利質(zhì)量流量計，該質(zhì)量流量計流量測量范圍為0～25g/s，正常工作溫度范圍為?50～150℃，正常工作承壓上限為40.5MPa，質(zhì)量流量測量精度為±0.15％。壓力的測量采用GPGXE591NM1型壓力傳感器，量程為0～2.4MPa（共4臺，其中有一臺量程為0～1.6MPa），壓力測量精度為±0.2％。泵耗功的測量儀表采用浙江吉特電力儀表有限公司生產(chǎn)的三相液晶顯示多功能網(wǎng)絡電力儀表，儀表型號為ZK-3D3Y-D。儀表參數(shù)可測量范圍為450V，10A；過載倍率為持續(xù)1.2，瞬時2.0；頻率45～65Hz；電流、電壓測量精度為±0.1％，功率測量精度±0.5％，實際使用時測量范圍為0～400W。上述測量均為4～20mA電流信號，通過Agilent 34980A 數(shù)據(jù)采集和開關控制器采集后，經(jīng)由軟件實時存入計算機。

3　實驗誤差分析

在實驗測量過程中，由于測量儀器精度、實驗條件局限和各種因素的影響，測量結果與實際待測量有一定差異，即存在測量誤差。本實驗所測得的不確定度mw見式(6)。

其中ux、uy、uz等為各直接測量量的測量不確定度，用各自的A類和B類不確定度分量合成得出。

計算得工質(zhì)泵等熵效率的實驗相對最大誤差為2.53％，工質(zhì)泵用電效率的實驗相對最大誤差為5.7％。

4　實驗結果與分析

圖5　工質(zhì)泵出口壓力與工質(zhì)泵等熵效率的關系

如圖5所示，其中兩條曲線表示的工況點是在不同進口壓力，即不同進口溫度下（溫差相差2℃）所測得的。工質(zhì)泵的等熵效率隨著工質(zhì)泵出口壓力的升高而增加。并且在相同條件下，工質(zhì)泵進口壓力越小，即工質(zhì)泵進出口壓差越大，工質(zhì)泵的等熵效率越高。

如圖6所示，工質(zhì)泵進出口壓差越大，工質(zhì)泵的等熵效率越高。并且系統(tǒng)質(zhì)量流量的增大，使得工質(zhì)泵的等熵效率增加。

如圖7所示，隨著系統(tǒng)質(zhì)量流量的增大，工質(zhì)泵等熵效率呈現(xiàn)上升趨勢。并且隨著工質(zhì)泵進出口壓差的增大，工質(zhì)泵等熵效率也隨之增加。

分析實驗結果可知，在相同質(zhì)量流量的條件下，工質(zhì)泵的進出口壓差越大，說明工質(zhì)泵對工質(zhì)所做的有效功更多，其等熵效率也就越高。在相同進出口壓差或者壓力的情況下，系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量流量越大，說明工質(zhì)泵對更多的工質(zhì)做功，相對的等熵效率也就越高。

圖6　工質(zhì)泵進出口壓差與工質(zhì)泵等熵效率的關系

圖7　系統(tǒng)質(zhì)量流量與工質(zhì)泵等熵效率的關系

5　實驗工況對比

由圖5～圖7可以得出ORC系統(tǒng)中工質(zhì)泵的平均等熵效率約為0.30，以此值代入文獻[11]、[12]、[13]中，并與原文相比較，計算得出表2。工質(zhì)選擇為R245fa。

如表2所示，在給定蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的條件下，工質(zhì)泵等熵效率的改變明顯影響了泵功的需求，可以看到泵功占膨脹機輸出功的比例由3％升高到了8％左右，平均提高了4.5％左右，相應的泵耗功也與之增加。

通過比較，現(xiàn)有ORC系統(tǒng)的工質(zhì)泵等熵效率的估計值過于理想化，不利于正確計算ORC系統(tǒng)的效率和耗電，對于以后有其他學者在進行ORC系統(tǒng)理論模擬計算時，本文建議工質(zhì)泵的等熵效率的取值應進行一定的降低。

需要注意的是，R245fa并非是有機朗肯循環(huán)中熱效率最高的工質(zhì)[14]，如若選取其他工質(zhì)，循環(huán)的熱效率和會有所改變，對于工質(zhì)泵效率的影響也會有所體現(xiàn)，這還需要進一步的研究。

6　結論

本工作針對有機朗肯循環(huán)中工質(zhì)泵的效率問題進行了實驗研究，得出如下結論。

（1）對泵的研究需要重視，泵的效率關系需要明確；在有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中，工質(zhì)泵的實際效率較模擬值偏低，實驗所得工質(zhì)泵等熵效率的變化范圍是15％～47％。

表2　不同工質(zhì)泵等熵效率下的3個算例

（2）工質(zhì)泵的效率并不是固定的，隨著系統(tǒng)的質(zhì)量流量的增大、工質(zhì)泵進出口壓差的增加而升高。并且系統(tǒng)的質(zhì)量流量對于工質(zhì)泵等熵效率的影響更為明顯。

（3）根據(jù)本實驗研究結果，建議工質(zhì)泵的等熵效率估計值應適當降低，取本實驗所得工質(zhì)泵等熵效率的平均值30％較為合適。

（4）從等熵角度來看，泵功占膨脹機輸出功的比例約為8％；在實際過程中，需要考慮泵的效率和電機效率，該比例會相應增大到12％以上。

符 號 說 明

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Efficiency of working fluid pump in a small-scale organic Rankine cycle system

YE Jiaqi，ZHAO Li，DENG Shuai，WANG Xiaodong，SU Wen
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The isentropic efficiency of the working fluid pump in a small-scale power system of organic Rankine cycle (ORC) was experimentally studied under designed variable conditions. The selection and principle of the working fluid pump were focused. A small-scale power system of ORC using R245fa as working fluid was established. The volume type working fluid pump was chosen. The pressure difference of pump inlet and outlet pressure and the mass flowrate of system were controlled respectively. The experimental results showed that，the ORC system working fluid pump’s isentropic efficiency was about 15％ to 47％ under the condition that evaporation temperature is 75℃ and condensing temperature is 11℃. The pressure difference between the inlet and outlet of the working fluid pump increased with the increase of mass flowrate of system. The isentropic efficiency increased，and largerly affected by the mass flowrate. The experiments confirmed that the estimation efficiency of the working fluid pump in the ORC system is much lower than that of the previously value used in simulation，calculation and industrial applications. The experimental working fluid pump isentropic efficiency of the average value of 30％ is more appropriate. From isentropic aspect，the ratio of pump power for expander to output power should be 8％. For the actual process，the ratio should be greaterthan 12％ by considering the efficiency of the pump and the motor.

Key words：pump；organic Rankine cycle；isentropic efficiency；organic working fluid；enthalpy；entropy

中圖分類號：TK 11+4

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）04–1027–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.010

收稿日期：2015-10-28；修改稿日期：2015-11-16。

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51476110）。