基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環(huán)性能研究

秦亞琦，王重陽

基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環(huán)性能研究

秦亞琦1，王重陽2

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

以利用中高溫熱源的雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)為研究對象，選取R141b-R245fa、n-pentane-R600和isopentane-R114分別作為雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質，一級循環(huán)采用超臨界循環(huán)，二級循環(huán)采用亞臨界循環(huán)，研究分析了系統(tǒng)的熱效率、效率、各級工質質量流量、煙氣出口溫度、凈輸出功等參數的變化情況。研究發(fā)現：在一級蒸發(fā)壓力增大的過程中，采用n-pentane-R600、isopentane-R114的循環(huán)系統(tǒng)的熱效率與效率均先增大后減小、凈輸出功則一直減小，采用R141b-R245fa的循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和效率則一直保持增大的趨勢；所選取的三個系統(tǒng)中一級循環(huán)與二級循環(huán)中的工質均隨一級蒸發(fā)壓力的變化而發(fā)生變化，但變化幅度均不大；系統(tǒng)的煙氣出口溫度普遍偏高，系統(tǒng)性能具有進一步提高的潛力。

雙級有機朗肯循環(huán)；超臨界；亞臨界；熱力學性能D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.003

0 引言

隨著能源危機的日趨加重，節(jié)能減排得到了越來越多的重視[1,2]。針對目前存在大量的低品位熱能未能得到合理有效的開發(fā)利用，國內外學者開展了大量的研究[3-5]。在眾多的地品位能源開放利用途徑中，有機朗肯循環(huán)由于其設備簡單、適用性強等優(yōu)點，引起了人們的日益關注[6-9]。

在利用有機朗肯循環(huán)進行開發(fā)低品位能源過程中，根據“梯級開發(fā)、多級利用”的原則，中高溫熱源的開發(fā)利用多采用與熱源進行多種形式的結合，以形成聯(lián)合循環(huán)，提高系統(tǒng)的能源利用效率和整體性能。趙巍等[10]巧妙地利用回熱器構建了由微型燃氣輪機與有機朗肯循環(huán)相結合的聯(lián)合循環(huán)，并分析了循環(huán)增壓比、最高溫度、回熱度和環(huán)境溫度等因素對該聯(lián)合循環(huán)的熱效率的影響。何茂剛等[11]根據車用發(fā)動機的潤滑油、冷卻水和廢氣等的溫度特點，提出了一種新型的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進行余熱回收，在此系統(tǒng)中，有機朗肯循環(huán)回收溫度較高的廢氣和潤滑油的余熱，卡琳娜循環(huán)則回收冷卻水的余熱，并且兩個循環(huán)之間通過高低溫換熱器進行熱交換，同時利用P-R狀態(tài)方程對利用不同工質的聯(lián)合循環(huán)進行熱力學性能分析，并通過實驗進行驗證。M．K ane等[12]提出了一種與太陽能相結合的聯(lián)合循環(huán)，該循環(huán)中包含了太陽能集熱器、復迭式有機朗肯循環(huán)和柴油內燃機，并對此聯(lián)合循環(huán)進行了熱力學分析，指出其適用的范圍及優(yōu)點。2005年，寶馬公司[13]就首次提出了在汽車中利用D O RC的概念，利用渦輪蒸汽機與1.8L四缸發(fā)動機組合形成的聯(lián)合循環(huán)，使得排煙溫度由700℃降低至100℃，燃料消耗減少了15%以上，該聯(lián)合循環(huán)一級循環(huán)與二級循環(huán)均采用的是亞臨界循環(huán)。

目前聯(lián)合循環(huán)多側重于與熱源的多形式相結合，雖然大大提升了系統(tǒng)的能源利用效率，但是增加了系統(tǒng)的復雜性，給系統(tǒng)的高效運行帶來了極大的挑戰(zhàn)，而聯(lián)合循環(huán)中多采用亞臨界循環(huán)與亞臨界循環(huán)相結合的形式?；谏鲜霈F象，本文采用形式較為簡單的雙級有機朗肯循環(huán)作為研究對象，對此雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能進行分析研究，系統(tǒng)所選取的熱源為623.15K的煙氣，水作為二級循環(huán)的冷卻劑，雙級循環(huán)中一級采用超臨界循環(huán)，二級采用亞臨界循環(huán)，分別選取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600和isopentane-R 114作為雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的一級、二級循環(huán)的工質。

圖1 雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖

圖2 雙級有機朗肯循環(huán)的溫熵圖

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)簡述

所選取的研究系統(tǒng)為雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，其裝置流程圖如圖1所示。雙級有機朗肯循環(huán)一級采用超臨界有機朗肯循環(huán)，二級循環(huán)采用亞臨界有機朗肯循環(huán)，系統(tǒng)工作流程如下：煙氣由A進入一級循環(huán)的蒸發(fā)器，對一級循環(huán)的工質進行加熱，然后煙氣從B出口進入二級循環(huán)的再熱器，最后從C排入空氣；一級循環(huán)中的工質在蒸發(fā)器被煙氣加熱后從3點進入透平機膨脹做功，從透平機排出的乏汽進入熱交換器，對二級循環(huán)的工質進行預熱，一級循化的工質被冷凝成飽和液狀態(tài)，進入泵升壓，再次進入蒸發(fā)器繼續(xù)下一個一級循環(huán)；二級循環(huán)的工質在熱交換器中被一級循環(huán)中工質加熱，然后進入再熱器被煙氣加熱至飽和氣狀態(tài)，飽和蒸汽進入透平機膨脹做功，膨脹后的乏汽進入冷凝器被冷卻水冷凝，然后進入泵升壓，再次進入預熱器，繼續(xù)下一次循環(huán)。一級循環(huán)和二級循環(huán)通過熱交換器4-5-7-8來通過耦合進行熱量交換，煙氣高溫段對一級循環(huán)進行加熱，低溫段對二級循環(huán)進行加熱。

圖1與圖2中，A、B、C點分別代表雙級有機朗肯循環(huán)中熱源側的進出口，F、G點分別代表冷源側的進出口，1、1s、3、4、4s、5點分別代表一級循環(huán)的工質在高溫一級循環(huán)中各狀態(tài)點，7、7s、8、9、10、10s、11點分別代表二級循環(huán)的工質在低溫二級循環(huán)中的各狀態(tài)點。

1.2 系統(tǒng)模型

為方便計算和分析，對系統(tǒng)做以下假設和簡化：1）忽略系統(tǒng)各個部件及管道中熱量損失；2）工質在整個循環(huán)系統(tǒng)的流動為穩(wěn)定狀態(tài)，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；3）忽略流體的機械能，包括重力勢能和動能；4）換熱器部件的壓力損失假定為固定值。選取的雙級有機朗肯循環(huán)的T-s圖如圖2所示，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時各個過程的能量關系及熱力學關系如下：

一級循環(huán)采用跨臨界有機朗肯循環(huán)，在蒸發(fā)器中工質被熱源加熱，從過冷狀態(tài)點7經歷超臨界過程至過熱蒸汽點3，在此過程中，工質與熱源發(fā)生的熱交換過程為：

式中mhs—熱源質量流量，kg/s；

mwf1—一級循環(huán)工質的質量流量，kg/s；

hA，hB—分別為熱源在一級循環(huán)中蒸發(fā)器的進、出口的焓值；

h3，h1—分別為一級循環(huán)中工質在蒸發(fā)器中的進、出口的焓值，kJ/kg。

在此過程中，超臨界循環(huán)的部分參數的確定需要利用夾點溫差進行迭代來確定。

一級循環(huán)的工質在蒸發(fā)器中吸熱被加熱至3點，然后進入透平機膨脹做功，一級循環(huán)輸出功為：

式中wt1—一級循環(huán)通過透平機對外輸出功，W；

h4，h4s—分別為一級循環(huán)中工質經歷等熵膨脹過程和實際過程后的出口焓值，kJ/kg；

ηt—一級循環(huán)中透平機的絕熱系數，%。

一級循環(huán)中工質處于超臨界壓力情況下吸熱，被加熱終點3點的溫度為：

式中T3—3點的工質溫度，K；

Tcriwf1—一級循環(huán)中工質的臨界溫度，K。

一級循環(huán)與二級循環(huán)通過熱交換器4-5-7-8耦合進行熱交換，利用一級循環(huán)中的工質放熱來對二級循環(huán)中工質進行預熱，中的工質冷卻至飽和液狀態(tài)5點，進入工質泵升壓，消耗的泵功為：

式中wp1—一級循環(huán)系統(tǒng)消耗的泵功，W；

h1，h1s，h5—分別為一級循環(huán)中各點的工質焓值，kJ/kg；

ηp—一級循環(huán)系統(tǒng)中泵的絕熱效率，%。

二級循環(huán)中的工質利用一級循環(huán)中工質的冷凝過程4-5-7-8放出的熱量來進行預熱，此過程中的能量關系如下：

式中mwf2—二級循環(huán)中工質的質量流量，kg/s；

h7，h8—分別為二級循環(huán)中工質在預熱器進、出口的焓值，kJ/kg。

在二級循環(huán)系統(tǒng)再熱器中，工質再熱過程8-9則由熱源低溫段來進行繼續(xù)加熱，此過程的能量關系如下：

式中hB，hC—分別為熱源在二級循環(huán)中再熱器進出口焓值，kJ/kg；

h9—二級循環(huán)再熱器出口工質焓值，kJ/kg。

二級循環(huán)中工質被熱源低溫段加熱至飽和蒸汽狀態(tài)，然后后進入透平機膨脹做功，對外輸出功為：

式中wt2—二級循環(huán)通過透平機對外輸出功，W；

ηt—二級循環(huán)系統(tǒng)透平機的絕熱效率，%；

h10s，h10—分別為二級循環(huán)中透平機工質絕熱膨脹和實際過程中的出口焓值，kJ/kg。

二級循環(huán)工質經過泵升壓過程11-7消耗泵功為：

式中wp2—二級循環(huán)中工質升壓消耗的泵功，W；

h11—二級循環(huán)中工質泵進口焓值，kJ/kg；

h7s，h7—分別為二級循環(huán)工質等熵壓縮和實際壓縮壓縮過程的出口焓值，kJ/kg。

二級循環(huán)中工質被外界冷卻水冷凝，在此冷凝過程中能量的關系為：

式中mcw—冷卻水的質量流量，kg/s；

hG，hF—分別為冷卻水進、出口焓值，kJ/kg；

h10，h11—分別為二級循環(huán)中工質在冷凝過程中進、出口焓值，kJ/kg。

在此雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)對外輸出的功為：

系統(tǒng)消耗總泵功為：

系統(tǒng)對外輸出凈功為：

式中wt—雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)對外輸出總功，W；

wp—系統(tǒng)消耗總泵功，W；

wnet—系統(tǒng)對外輸出總凈功，W；

wΔp—系統(tǒng)中因換熱器壓損消耗的系統(tǒng)功，W。循環(huán)系統(tǒng)的熱效率為：

循環(huán)系統(tǒng)的炬用效率為：

1.3 邊界條件

根據上述模型，選取623.15K的煙氣作為雙級有機朗肯循環(huán)的熱源，選取冷卻水作為二級循環(huán)的冷卻劑，一級循環(huán)采用超臨界循環(huán)，二級循環(huán)采用亞臨界循環(huán)，所選取的具體邊界條件見表1。有機朗肯循環(huán)中，工質對系統(tǒng)性能的提升和系統(tǒng)優(yōu)化至關重要，在工質的選取過程中，需要考慮到工質與熱源的適配性、熱力學性能、經濟性、安全環(huán)保等多種因素[8，14-16]，綜合多方面考慮分別選取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600、isopentane-R 114進行研究，各工質的具體相關物性見表2。

表1 雙級有機朗肯循環(huán)的系統(tǒng)邊界條件

表2 雙級循環(huán)系統(tǒng)所選工質

2 模擬結果與分析

根據上述雙級有機朗肯循環(huán)的熱力學模型，以一級循環(huán)蒸發(fā)壓力為自變量，分析研究雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能變化。

圖3所示為雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率隨一級循環(huán)蒸發(fā)壓力的變化情況。從圖中可以發(fā)現，當一級循環(huán)的蒸發(fā)壓力一直增大時，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的雙級循環(huán)的系統(tǒng)熱效率先增大后減小，而采用R 141b-R 245fa為工質的雙級循環(huán)系統(tǒng)的熱效率則一直增大。在一級蒸發(fā)壓力增大的過程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的系統(tǒng)熱量效率最大值分別為22.24%、20.45%?？傮w上，三個雙級循環(huán)的系統(tǒng)熱效率呈現n-pentane-R 600的熱效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。雖然，三個雙級循環(huán)系統(tǒng)的熱效率呈現依次減小的規(guī)律，但是均維持在20%。

雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的炬用效率隨一級蒸發(fā)壓力的變化規(guī)律如圖4所示。根據圖所示，隨著一級蒸發(fā)壓力的增大，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的系統(tǒng)炬用效率先增大后減小，而采用R 141b-R 245fa的系統(tǒng)炬用效率則為一直增大?？傮w上，三個雙級循環(huán)系統(tǒng)的炬用效率呈依次減小的規(guī)律，n-pentane-R 600的炬用效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。系統(tǒng)的熱效率和炬用效率均呈現類似的現象，有可能與一級蒸發(fā)壓力增大引起系統(tǒng)消耗泵功增大和煙氣出口溫度升高有關。

圖5表示為各級循環(huán)的工質質量流量隨一級系統(tǒng)蒸發(fā)壓力的變化關系。在三個雙級循環(huán)中，一級循環(huán)中的工質質量流量均隨一級蒸發(fā)壓力的增大而增大，而二級循環(huán)中的工質質量流量則呈現不一致的變化，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114循環(huán)的二級循環(huán)工質均先減小后小幅度地增大，采用R 141b-R 245fa的雙級循環(huán)系統(tǒng)的二級工質質量流量則一直減小。

圖3 系統(tǒng)熱效率隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系

圖4 系統(tǒng)炬用效率隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系

圖5 各級循環(huán)的工質質量流量隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系

圖6 煙氣出口溫度隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系

圖7系統(tǒng)凈輸出功隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系

圖6 表示為煙氣最終出口處的溫度隨一級蒸發(fā)壓力的變化關系。在三個雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，煙氣出口溫度均隨一級蒸發(fā)壓力的增大而增大，且采用n-pentane-R 600的煙氣出口溫度最大，R 141b-R 245fa次之，isopentane-R 114最小。但是煙氣出口的溫度仍比回收低溫熱源的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的煙氣出口溫度高，此系統(tǒng)仍具有繼續(xù)優(yōu)化提高循環(huán)性能的潛力。

圖7表示為系統(tǒng)凈輸出功與一級蒸發(fā)壓力之間的變化關系。從圖上可以看出，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的雙級循環(huán)的系統(tǒng)凈輸出功變化較大，且隨著系統(tǒng)蒸發(fā)壓力的增大一直減小，而采用R 141b-R 245fa的循環(huán)的系統(tǒng)凈輸出功變化較小，基本維持在475kW左右。對于采用R 141b-R 245fa的雙級循環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的凈輸出功基本上維持不變，可以根據其他的優(yōu)化目標來進行進一步優(yōu)化。

3 結語

通過對基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)進行研究，分析了系統(tǒng)的熱效率、炬用效率、各級循環(huán)中的工質質量流量、煙氣出口溫度、凈輸出功等的變化情況，得出以下結論：

（1）在一級蒸發(fā)壓力增大的過程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的雙級循環(huán)的系統(tǒng)熱效率與炬用效率均先增大后減小，系統(tǒng)的凈輸出功則一直減小。采用R 141b-R 245fa的循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和炬用效率隨著一級蒸發(fā)壓力的增大而增大。

（2）三個循環(huán)系統(tǒng)一級循環(huán)與二級循環(huán)中的工質質量流量均隨一級蒸發(fā)壓力的增大而發(fā)生變化，但均在一個很小的幅度內發(fā)生變化。

（3）三個循環(huán)系統(tǒng)的煙氣出口溫度均較高，其中采用isopentane-R 114的循環(huán)煙氣出口溫度最低時為380K，仍具有繼續(xù)進行系統(tǒng)優(yōu)化提高循環(huán)系統(tǒng)性能的潛力。

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修回日期：2017-01-22

加快特高壓建設消納富余水電

截至2016年底，四川水電裝機突破7000萬千瓦，約占全國的1/5，已成為全國重要的清潔能源基地。但是，我省電力供應已從“豐余枯缺”轉變?yōu)椤柏S?？萦唷?，清潔能源得不到有效利用。對此，四川代表團以集體名義建議，推進四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程建設，盡快開工，以消納我省富余的水電。

建議提出，當前我省電力供應已從“豐余枯缺”快速轉變?yōu)椤柏S?？萦唷?，同時棄水電量逐年增加。據統(tǒng)計，2014年、2015年我省豐水期棄水電量分別為96.7億、102億千瓦時，去年1至10月棄水電量達141億千瓦時，預計2020年棄水電量將達到約600億千瓦時?！叭绱讼氯ィ瑫е挛沂〈罅克娗鍧嵞茉磳⒌貌坏接行Ю?，造成巨大浪費。目前，我省急需建設新的水電外送輸電工程，解決水電棄水問題?！比珖舜蟠?、國網四川省電力公司副總經理褚艷芳表示。

國家發(fā)改委、國家能源局印發(fā)的電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃明確提出，四川第四回特高壓直流通道在“十三五”期間建成投產，但未對落點進行明確。對此，四川代表團集體建議，國家有關部門加快四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程的前期工作進度，明確項目落點，盡快核準項目，爭取早日開工建設。同時，提前啟動后續(xù)特高壓交直流工程的前期工作，保障遠期四川水電外送的需要。據介紹，四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程預計每年可增加外送水電超過400億千瓦時，是解決四川棄水問題的關鍵。

（摘自“北極星電力網”）

Performance Analysis of Dual-loop Organic Rankine Cycle Based on Middle-High Temperature as Heat Source

QIN Ya-qi1，WANG Chong-yang2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

The Dual-loop O rganic Rankine Cycle（DO RC）system based on m iddle-high tem perature as heatsource is analyzed，and the therm alefficiency，exergy efficiency，m ass flow rate ofworking fluids，the outlettem perature offlue gas, the netoutputpow er ofthe system are studied and in this paper.R 141b-R 245fa,n-pentane-R 600 and isopentane-R 114 w ere respectively selected as working fluids of DO RC.The supercriticalcycle is used in high tem perature loop（H T），and subcriticalcycle in low tem perature loop（LT）.The research results show that:with the increasing ofthe H T evaporating pressure，for the system using n-pentane-R 600 and isopentane-R 114，the therm alefficiency and exergy efficiency firstly increase and then decrease，the netoutputpowerkeep reducing，while the therm alefficiency and the exergy efficiency keep increasing ofthe system using R 141b-R 245fa；orthree D OR C system s the m ass flow rate ofthe working fluids changes in a very sm all range over the H T evaporating pressure;the system has the potential to further im prove because of the high tem perature ofthe flue gasoutlet.

SOR C；supercritical cycle；subcritical cycle；therm odynam ic properties

TK 1

B

2095-3429（2017）01-0011-06

2016-12-01

秦亞琦（1987-），男，河南漯河人，碩士，主要從事低碳技術及政策研究。