低溫地熱水有機朗肯循環發電工質的優化

胡顥然，吳俐俊，張歷華

（同濟大學機械與能源工程學院，上海市 201408）

0 引 言

隨著化石能源的緊缺以及人類環境壓力的加大，人們對于清潔可再生的綠色能源越來越重視。地熱能源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變，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。地熱能的儲量比目前我們所利用的能量總量還要多，加上地熱能具有清潔性和再生性［1］，許多國家都采用低溫余熱發電技術對其加以應用，例如：德國的Neustadt－Glewe地熱發電站，采用簡單亞臨界有機朗肯循環（organic rankine cycle，ORC），以全氟化戊烷（n－Perfluorpentane，C5F12）為工質，以約98℃的地熱水為熱源發電，發電量為210kW［2］；美國的阿拉斯加運行著1座以74℃的地熱資源發電的電站［3］。目前，地熱發電技術有地熱干蒸汽透平發電技術、地熱熱水閃蒸發電技術以及地熱驅動的ORC發電技術，與其他地熱水發電技術相比較，ORC發電技術的經濟效益更好［4－5］。

ORC發電的效果除了受蒸發溫度、凝結溫度、透平機以及進氣溫度等參數的影響外，工質的物性也是影響發電效率的主要因素之一［6］，因而，對工質的優化選擇就顯得特別重要。文獻［7］基于火用分析為地熱水ORC發電系統篩選出了異丁烷和R227ea這2種比較適合的工質。文獻［8］對溫度為30100℃，壓力限定為2.0MPa的地熱機組進行了研究，對烷烴、醚及其氟化物等31種可用于ORC的工質物性參數進行了計算且對ORC的設計進行了對比，認為在地熱ORC中，臨界溫度較低的工質（R134a，R152a）是不錯的選擇。文獻［9］對地熱水溫在35110℃的地熱ORC機組進行了研究，得出：當工質的臨界溫度與最高水溫接近時，使用該工質的系統效率較高；使用丙烯和R245fa作為工質時，系統效率較高，在水溫為100℃時系統效率分別為14.6%和14.1%。目前，文獻中常見的工質優化分析方法有火用效率、凈輸出功、熱效率、系統能量損失等評價方法［10－11］，本文采用熱效率加不可逆損失方法對ORC系統進行評價。

1 ORC發電系統工作原理

地熱水ORC發電系統包括地熱水循環、ORC循環和冷卻水循環，系統工作原理如圖1所示。

圖1 地熱水ORC發電系統工作原理Fig.1 Principle of ORC power generation system with geothermal water

（1）地熱水循環系統。地熱水溫度為95℃左右，經過沉淀池除去雜質后，進入蒸發器加熱低沸點的有機工質，溫度降到75℃左右，經地熱水泵加壓，可送入居民用戶作為生活用水。

（2）ORC系統。液體工質經工質泵加壓后，在蒸發器中等壓吸熱，變成過熱高溫蒸汽（過程4—1）；過熱蒸氣在汽輪機中絕熱膨脹，工質對外做功（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（過程2—3）；液態工質通過工質泵等熵加壓并送到熱交換器中（過程3—4）。如此連續循環，將地熱水中的熱量源源不斷地提取出來，生成高品位的電能。

（3）冷卻水循環系統。冷卻水經冷凝器等壓冷卻有機工質后，溫度升高經冷卻水泵加壓送到冷卻塔中，被空氣冷卻后，循環使用。

2 ORC工質的選擇和計算

2.1 工質選取

選擇ORC工質時，力求在熱源條件下使工質吸收較多的熱量，并在把吸收的熱量更有效地轉化成功的同時，也必須使所選擇的工質滿足環保性和安全性要求。因而，所選工質應盡量滿足以下要求：（1）工質的臨界溫度應該略高于循環中的最高溫度，以避免跨臨界循環可能帶來的諸多問題；（2）工質的壓力適宜，蒸發壓力不應過高，同時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 應大于0或接近0；（4）蒸發潛熱小，粘度低，傳熱系數高，熱穩定性好；（5）安全性高。應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，同時也要考慮價格因素且易于獲得［12－14］。表1是依據制冷劑安全性制定的工質安全性分類。

表1 工質安全性分類Tab.1 Safety classification of working fluids

文獻［15］針對80100℃的地熱水ORC，選出性能較好的R600、R600a、R124、R142b、R134a、R152a、R245fa和R245ca這8種純工質以及M01、M02和M04這3種混合工質。本文結合設定工況的特點（95℃地熱水）和ORC系統對工質的要求，初步篩選出R134a、R245fa等6種有機工質［16］進行計算比較，工質的物性參數如表2所示。

表2 工質的物性參數Tab.2 Physical property parameters of working fluids

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

2.2 設定工質狀態參數

假設本低溫余熱發電功率為100 kW，地熱水進口溫度約為95℃，出口溫度為75℃，蒸發器中地熱水與工質的最小換熱溫差取10℃，則工質在蒸發器內最高溫度為85℃。假定環境溫度為25℃，冷卻水進冷凝器前的溫度取34℃，出口溫度取30℃，冷凝器內冷卻水與工質的溫差取5℃，從而可確定工質的冷凝溫度為39℃。

根據ORC原理，在理想狀況下，可確定工質在T－S圖上各狀態點的物性參數，如圖2所示。

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

2.3 計算公式

單位質量的工質在汽輪機內的焓降為

發電量為E時，所需工質的質量流量為

蒸發器內的換熱量為

冷凝器內的換熱量為

系統的不可逆損失為

式中：T0為周圍環境溫度（這里取25℃）；TH為熱源溫度；TL為冷源溫度。

系統熱效率為

2.4 計算結果

假定過程1—2（工質在汽輪機中做功的過程）為等熵過程，根據運行工況，工質在各狀態點的物性參數如表3所示。

對初選的工質進行設計計算，計算結果如表4所示。

?

?

從表4可看出：各工質系統熱效率差別不大，但各個工質在汽輪機內的壓力相差很大。R600a、R290具有爆炸性，且其系統熱效率與其他工質相差不大，為保障ORC系統的安全性，此2種工質不宜采用。

3 計算結果分析

3.1 系統熱效率比較

蒸發溫度為80℃，冷凝溫度為39℃時，初選各工質ORC的熱效率如圖3所示。

圖3 ORC系統熱效率Fig.3 Thermal efficiency of ORC system

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

3.2 系統不可逆損失比較

系統的不可逆損失反映了能量梯級利用的程度，即工質把從低溫熱源吸收的熱量有效轉化成功的程度，工質的不可逆損失如圖4所示。

圖4 ORC系統不可逆損失Fig.4 Irreversible loss of ORC system

從圖4可看出：R600a和R245fa這2種工質不可逆損失較大，而2種非共沸混合工質R407c、R413a的不可逆損失較小，這是因為一般情況下非共沸工質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的不可逆損失并不一定比共沸工質小。

3.3 質量流量比較

在發電功率一定的情況下，單位工質的發電能力與所需工質的流量成反比。從式（2）可以看出，工質在汽輪機中的焓降越大，系統所需工質的流量越小。工質的流量是工質泵選型的重要參數，由于國內生產的機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，工質流量大會要求工質泵的功率要大，從而會降低整個系統的效率從而降低系統的經濟效益。為降低系統設備成本，提高經濟效益，應盡量選擇流量小的工質。發電功率為100kW時，工質的流量計算如圖5所示。

圖5 工質的流量Fig.5 Flow of working fluids

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

3.4 系統汽輪機內壓力的比較

汽輪機內的壓力包括蒸發壓力（極大值）和冷凝壓力（極小值），壓力需適宜，壓力過大對設備的耐壓強度要求高，一方面會增加投入的成本，另外一方面密封性往往難以達到要求，目前國內一般汽輪機內的壓力不宜超過2MPa，如果壓力過低，系統外的空氣容易進入系統。一般情況下，冷凝壓力均滿足要求，因而這里只考察蒸發壓力。設定工況下，ORC系統汽輪機內的壓力如下圖6所示。

圖6 ORC系統汽輪機內的壓力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，其他幾種工質均略大，其中R245fa汽輪機內的壓力為0.79MPa，R600a汽輪機內的壓力為1.35MPa。

4 結 論

（1）在設定工況下，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，單位工質的發電能力較差，且具有爆炸性，因而不能作為最優工質。

（2）一般情況下，非共沸工質有熱源的匹配性要優于共沸工質，但不是絕對的。

（3）R245fa各項評價標準的結果均比較優異，比較適合作為設定工況下的ORC工質。

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