低溫地?zé)崴袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電工質(zhì)的優(yōu)化

胡顥然，吳俐俊，張歷華

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海市 201408）

0 引 言

隨著化石能源的緊缺以及人類環(huán)境壓力的加大，人們對(duì)于清潔可再生的綠色能源越來越重視。地?zé)崮茉从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)的衰變，是目前廣泛利用的可再生熱能源之一，隨著地下水深處的循環(huán)和來自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。地?zé)崮艿膬?chǔ)量比目前我們所利用的能量總量還要多，加上地?zé)崮芫哂星鍧嵭院驮偕裕?］，許多國(guó)家都采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)對(duì)其加以應(yīng)用，例如：德國(guó)的Neustadt－Glewe地?zé)岚l(fā)電站，采用簡(jiǎn)單亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，ORC），以全氟化戊烷（n－Perfluorpentane，C5F12）為工質(zhì)，以約98℃的地?zé)崴疄闊嵩窗l(fā)電，發(fā)電量為210kW［2］；美國(guó)的阿拉斯加運(yùn)行著1座以74℃的地?zé)豳Y源發(fā)電的電站［3］。目前，地?zé)岚l(fā)電技術(shù)有地?zé)岣烧羝钙桨l(fā)電技術(shù)、地?zé)釤崴W蒸發(fā)電技術(shù)以及地?zé)狎?qū)動(dòng)的ORC發(fā)電技術(shù)，與其他地?zé)崴l(fā)電技術(shù)相比較，ORC發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益更好［4－5］。

ORC發(fā)電的效果除了受蒸發(fā)溫度、凝結(jié)溫度、透平機(jī)以及進(jìn)氣溫度等參數(shù)的影響外，工質(zhì)的物性也是影響發(fā)電效率的主要因素之一［6］，因而，對(duì)工質(zhì)的優(yōu)化選擇就顯得特別重要。文獻(xiàn)［7］基于火用分析為地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)篩選出了異丁烷和R227ea這2種比較適合的工質(zhì)。文獻(xiàn)［8］對(duì)溫度為30100℃，壓力限定為2.0MPa的地?zé)釞C(jī)組進(jìn)行了研究，對(duì)烷烴、醚及其氟化物等31種可用于ORC的工質(zhì)物性參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算且對(duì)ORC的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為在地?zé)酧RC中，臨界溫度較低的工質(zhì)（R134a，R152a）是不錯(cuò)的選擇。文獻(xiàn)［9］對(duì)地?zé)崴疁卦?5110℃的地?zé)酧RC機(jī)組進(jìn)行了研究，得出：當(dāng)工質(zhì)的臨界溫度與最高水溫接近時(shí)，使用該工質(zhì)的系統(tǒng)效率較高；使用丙烯和R245fa作為工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)效率較高，在水溫為100℃時(shí)系統(tǒng)效率分別為14.6%和14.1%。目前，文獻(xiàn)中常見的工質(zhì)優(yōu)化分析方法有火用效率、凈輸出功、熱效率、系統(tǒng)能量損失等評(píng)價(jià)方法［10－11］，本文采用熱效率加不可逆損失方法對(duì)ORC系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 ORC發(fā)電系統(tǒng)工作原理

地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)包括地?zé)崴h(huán)、ORC循環(huán)和冷卻水循環(huán)，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of ORC power generation system with geothermal water

（1）地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)。地?zé)崴疁囟葹?5℃左右，經(jīng)過沉淀池除去雜質(zhì)后，進(jìn)入蒸發(fā)器加熱低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)，溫度降到75℃左右，經(jīng)地?zé)崴眉訅海伤腿刖用裼脩糇鳛樯钣盟?/p>

（2）ORC系統(tǒng)。液體工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后，在蒸發(fā)器中等壓吸熱，變成過熱高溫蒸汽（過程4—1）；過熱蒸氣在汽輪機(jī)中絕熱膨脹，工質(zhì)對(duì)外做功（過程1—2），變成低溫低壓蒸氣；低壓蒸氣在冷凝器中等壓冷卻至液態(tài)（過程2—3）；液態(tài)工質(zhì)通過工質(zhì)泵等熵加壓并送到熱交換器中（過程3—4）。如此連續(xù)循環(huán)，將地?zé)崴械臒崃吭丛床粩嗟靥崛〕鰜?，生成高品位的電能?/p>

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水經(jīng)冷凝器等壓冷卻有機(jī)工質(zhì)后，溫度升高經(jīng)冷卻水泵加壓送到冷卻塔中，被空氣冷卻后，循環(huán)使用。

2 ORC工質(zhì)的選擇和計(jì)算

2.1 工質(zhì)選取

選擇ORC工質(zhì)時(shí)，力求在熱源條件下使工質(zhì)吸收較多的熱量，并在把吸收的熱量更有效地轉(zhuǎn)化成功的同時(shí)，也必須使所選擇的工質(zhì)滿足環(huán)保性和安全性要求。因而，所選工質(zhì)應(yīng)盡量滿足以下要求：（1）工質(zhì)的臨界溫度應(yīng)該略高于循環(huán)中的最高溫度，以避免跨臨界循環(huán)可能帶來的諸多問題；（2）工質(zhì)的壓力適宜，蒸發(fā)壓力不應(yīng)過高，同時(shí)冷凝壓力也不宜過低，合適的冷凝壓力最好能保持正壓；（3）在T－S圖的飽和蒸氣線上，dS／dT 應(yīng)大于0或接近0；（4）蒸發(fā)潛熱小，粘度低，傳熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性好；（5）安全性高。應(yīng)選擇破壞臭氧層潛值（ozone depletion potential，ODP）和全球變暖潛值（global warming potential，GWP）值較低的工質(zhì)，同時(shí)也要考慮價(jià)格因素且易于獲得［12－14］。表1是依據(jù)制冷劑安全性制定的工質(zhì)安全性分類。

表1 工質(zhì)安全性分類Tab.1 Safety classification of working fluids

文獻(xiàn)［15］針對(duì)80100℃的地?zé)崴甇RC，選出性能較好的R600、R600a、R124、R142b、R134a、R152a、R245fa和R245ca這8種純工質(zhì)以及M01、M02和M04這3種混合工質(zhì)。本文結(jié)合設(shè)定工況的特點(diǎn)（95℃地?zé)崴┖蚈RC系統(tǒng)對(duì)工質(zhì)的要求，初步篩選出R134a、R245fa等6種有機(jī)工質(zhì)［16］進(jìn)行計(jì)算比較，工質(zhì)的物性參數(shù)如表2所示。

表2 工質(zhì)的物性參數(shù)Tab.2 Physical property parameters of working fluids

表2中，R134a、R245fa為純工質(zhì)，R600a、R290為烷氫（異丁烷，丙烷），R407c、R413a為非共沸混合工質(zhì)，其臨界溫度和環(huán)保型均滿足工質(zhì)的選取標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)定工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)

假設(shè)本低溫余熱發(fā)電功率為100 kW，地?zé)崴M(jìn)口溫度約為95℃，出口溫度為75℃，蒸發(fā)器中地?zé)崴c工質(zhì)的最小換熱溫差取10℃，則工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)最高溫度為85℃。假定環(huán)境溫度為25℃，冷卻水進(jìn)冷凝器前的溫度取34℃，出口溫度取30℃，冷凝器內(nèi)冷卻水與工質(zhì)的溫差取5℃，從而可確定工質(zhì)的冷凝溫度為39℃。

根據(jù)ORC原理，在理想狀況下，可確定工質(zhì)在T－S圖上各狀態(tài)點(diǎn)的物性參數(shù)，如圖2所示。

圖2 工質(zhì)T－S圖Fig.2 T－Sdiagram of working fluids

2.3 計(jì)算公式

單位質(zhì)量的工質(zhì)在汽輪機(jī)內(nèi)的焓降為

發(fā)電量為E時(shí)，所需工質(zhì)的質(zhì)量流量為

蒸發(fā)器內(nèi)的換熱量為

冷凝器內(nèi)的換熱量為

系統(tǒng)的不可逆損失為

式中：T0為周圍環(huán)境溫度（這里取25℃）；TH為熱源溫度；TL為冷源溫度。

系統(tǒng)熱效率為

2.4 計(jì)算結(jié)果

假定過程1—2（工質(zhì)在汽輪機(jī)中做功的過程）為等熵過程，根據(jù)運(yùn)行工況，工質(zhì)在各狀態(tài)點(diǎn)的物性參數(shù)如表3所示。

對(duì)初選的工質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

?

?

從表4可看出：各工質(zhì)系統(tǒng)熱效率差別不大，但各個(gè)工質(zhì)在汽輪機(jī)內(nèi)的壓力相差很大。R600a、R290具有爆炸性，且其系統(tǒng)熱效率與其他工質(zhì)相差不大，為保障ORC系統(tǒng)的安全性，此2種工質(zhì)不宜采用。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)熱效率比較

蒸發(fā)溫度為80℃，冷凝溫度為39℃時(shí)，初選各工質(zhì)ORC的熱效率如圖3所示。

圖3 ORC系統(tǒng)熱效率Fig.3 Thermal efficiency of ORC system

從圖3可看出，在設(shè)定工況下下，各工質(zhì)的熱效率相差不大，為 10.24%11.39%，其中混合工質(zhì)R407c的熱效率最高為11.39%。

3.2 系統(tǒng)不可逆損失比較

系統(tǒng)的不可逆損失反映了能量梯級(jí)利用的程度，即工質(zhì)把從低溫?zé)嵩次盏臒崃坑行мD(zhuǎn)化成功的程度，工質(zhì)的不可逆損失如圖4所示。

圖4 ORC系統(tǒng)不可逆損失Fig.4 Irreversible loss of ORC system

從圖4可看出：R600a和R245fa這2種工質(zhì)不可逆損失較大，而2種非共沸混合工質(zhì)R407c、R413a的不可逆損失較小，這是因?yàn)橐话闱闆r下非共沸工質(zhì)與熱源有更好的匹配性；R134a的不可逆損失最小，說明在相同的工況下非共沸工質(zhì)的不可逆損失并不一定比共沸工質(zhì)小。

3.3 質(zhì)量流量比較

在發(fā)電功率一定的情況下，單位工質(zhì)的發(fā)電能力與所需工質(zhì)的流量成反比。從式（2）可以看出，工質(zhì)在汽輪機(jī)中的焓降越大，系統(tǒng)所需工質(zhì)的流量越小。工質(zhì)的流量是工質(zhì)泵選型的重要參數(shù)，由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)械隔膜泵和液壓隔膜泵額定流量較小，一般不超過3000L／h。另外，工質(zhì)流量大會(huì)要求工質(zhì)泵的功率要大，從而會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率從而降低系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。為降低系統(tǒng)設(shè)備成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)盡量選擇流量小的工質(zhì)。發(fā)電功率為100kW時(shí)，工質(zhì)的流量計(jì)算如圖5所示。

圖5 工質(zhì)的流量Fig.5 Flow of working fluids

從圖5可看出：在設(shè)定工況下，各個(gè)工質(zhì)的流量相差較大；2種混合工質(zhì)的流量相對(duì)比其他工質(zhì)要大，其中R413a最大為7.86kg／s，可見其單位工質(zhì)的做工能力較差。

3.4 系統(tǒng)汽輪機(jī)內(nèi)壓力的比較

汽輪機(jī)內(nèi)的壓力包括蒸發(fā)壓力（極大值）和冷凝壓力（極小值），壓力需適宜，壓力過大對(duì)設(shè)備的耐壓強(qiáng)度要求高，一方面會(huì)增加投入的成本，另外一方面密封性往往難以達(dá)到要求，目前國(guó)內(nèi)一般汽輪機(jī)內(nèi)的壓力不宜超過2MPa，如果壓力過低，系統(tǒng)外的空氣容易進(jìn)入系統(tǒng)。一般情況下，冷凝壓力均滿足要求，因而這里只考察蒸發(fā)壓力。設(shè)定工況下，ORC系統(tǒng)汽輪機(jī)內(nèi)的壓力如下圖6所示。

圖6 ORC系統(tǒng)汽輪機(jī)內(nèi)的壓力Fig.6 Pressure of turbine in ORC system

由圖6可看出：只有R245fa和R600a的壓力較為適合，其他幾種工質(zhì)均略大，其中R245fa汽輪機(jī)內(nèi)的壓力為0.79MPa，R600a汽輪機(jī)內(nèi)的壓力為1.35MPa。

4 結(jié) 論

（1）在設(shè)定工況下，R600a的熱效率較高，壓力也較為適中，但由于其不可逆損失較大，單位工質(zhì)的發(fā)電能力較差，且具有爆炸性，因而不能作為最優(yōu)工質(zhì)。

（2）一般情況下，非共沸工質(zhì)有熱源的匹配性要優(yōu)于共沸工質(zhì)，但不是絕對(duì)的。

（3）R245fa各項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果均比較優(yōu)異，比較適合作為設(shè)定工況下的ORC工質(zhì)。

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