基于有機(jī)朗肯循環(huán)的低溫太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)的選擇

趙春華 鄭思宇 汪成康 梁志鵬

(1. 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

基于有機(jī)朗肯循環(huán)的低溫太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)的選擇

趙春華1，2鄭思宇2汪成康2梁志鵬2

(1. 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)利用低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工質(zhì)推動(dòng)透平做功，在低品位熱能的利用方面更有優(yōu)勢(shì)．循環(huán)工質(zhì)的選擇是影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一．本文針對(duì)集熱溫度120℃，蒸發(fā)溫度在100℃以下的低溫太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了工質(zhì)的研究分析，選擇R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601 7種工質(zhì)，以工質(zhì)的熱效率、火用效率及系統(tǒng)不可逆損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用Matlab和PERPROP軟件對(duì)候選工質(zhì)的各熱力參數(shù)進(jìn)行了比較．結(jié)果表明：低溫太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的選用R123作為循環(huán)工質(zhì)時(shí)具有較高的熱效率和火用效率，且系統(tǒng)總不可逆損失較低，適合作為蒸發(fā)溫度100℃以下的低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)．

有機(jī)朗肯循環(huán)； 低溫太陽(yáng)能； 有機(jī)工質(zhì)； 熱效率； 火用效率； 不可逆損失

近年來(lái)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)的研究越來(lái)越受到人們的重視和青睞．由于工質(zhì)的物性是影響其性能的關(guān)鍵因素之一，因此有機(jī)工質(zhì)的選擇是研究有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分．國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究[1-8]．本文選取R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601 7種工質(zhì)，對(duì)其在蒸發(fā)溫度100℃內(nèi)的太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能影響進(jìn)行分析，在相同蒸發(fā)溫度下，以工質(zhì)的熱效率、火用效率及系統(tǒng)不可逆損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了低溫太陽(yáng)能ORC系統(tǒng)合適的工質(zhì)．

1 工質(zhì)的選擇

遵從有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)選擇原則[9]，選擇R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601作為候選工質(zhì)，其詳細(xì)特性參數(shù)見(jiàn)表1．所選工質(zhì)的物性參數(shù)來(lái)自NIST提供的PEFPROP工質(zhì)庫(kù)軟件．

表1 7種工質(zhì)的物性參數(shù)

由表1可知，烷烴類R600和R601的臭氧破壞能力及溫室效應(yīng)都極低，對(duì)環(huán)境影響最?。甊113的ODP及GWP值最小，而R123有一定的臭氧破壞能力但溫室效應(yīng)較低，綜合比較R113最優(yōu)，烷烴類工質(zhì)其次．

2 理論計(jì)算結(jié)果及分析

為了分析7種工質(zhì)對(duì)循環(huán)性能的影響，需要設(shè)定相同的循環(huán)工況，見(jiàn)表2．

表2 ORC循環(huán)工況設(shè)定

圖1為7種工質(zhì)在不同蒸發(fā)溫度下的臨界壓力．工質(zhì)的蒸發(fā)壓力隨著臨界溫度的升高而升高，并且隨著溫度的升高，壓力增大的速度越來(lái)越快．蒸發(fā)壓力過(guò)大會(huì)大大提高對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性等性能的要求，則提高了系統(tǒng)的成本，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，故蒸發(fā)壓力不宜過(guò)大，出于安全考慮，應(yīng)選擇合適蒸發(fā)壓力的工質(zhì)．如圖1所示，在100℃時(shí)，R113和R123的蒸發(fā)壓力分別為0.44 MPa和0.79 MPa，而R601的蒸發(fā)壓力為1.99 MPa，是R123的2.5倍，對(duì)設(shè)備的要求高很多．R113和R123在相同蒸發(fā)溫度下，蒸發(fā)壓力最小，且增加得最為緩慢，R236fa和R601在相同蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)壓力最大．所以選用R113和R123作為工質(zhì)，飽和壓力小，可降低系統(tǒng)成本．

圖1 不同工質(zhì)的物性圖

2.1 基于熱力學(xué)第一定律分析

循環(huán)熱效率的計(jì)算是基于熱力學(xué)第一定律的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算式見(jiàn)公式(1)，其定義為凈做功量與吸熱量的比值．ORC系統(tǒng)熱效率

(1)

式中，h1、h2、h3、h4分別表示工質(zhì)在工質(zhì)泵入口處、工質(zhì)泵出口處、透平入口處、透平出口處的焓值(kJ·kg-1)．

由圖2可看出，隨著蒸發(fā)溫度的升高，7種工質(zhì)的熱效率都呈上升趨勢(shì)，且R123和R113的熱效率最高，R236fa最低．

圖2 蒸發(fā)溫度100℃時(shí)不同工質(zhì)的熱效率

當(dāng)蒸發(fā)溫度在100℃時(shí)，R123和R113的熱效率為12.5%；在150℃時(shí)，R123和R113熱效率達(dá)到了16%．7種工質(zhì)中，在蒸發(fā)溫度80℃以下時(shí)，熱效率差距不大，R113和R123熱效率基本相同，R236fa最低；當(dāng)蒸發(fā)溫度高于80℃時(shí)，除了R113和R123外，其余5種工質(zhì)熱效率開(kāi)始發(fā)生明顯差距，R113=R123>R245ca>R245fa>R600>R601>R236fa，R236fa一直為最低．而常用工質(zhì)R245fa在蒸發(fā)溫度低于100℃時(shí)熱效率并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)．

系統(tǒng)凈輸出功計(jì)算式見(jiàn)公式(2)，定義為工質(zhì)放熱做功量減去工質(zhì)泵做功量．ORC系統(tǒng)凈輸出功

(2)

式中，m為工質(zhì)的質(zhì)量流量(kg·s-1)．

由圖3可得出，凈輸出功并不是隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，而是有一最佳蒸發(fā)溫度值．隨著蒸發(fā)溫度的變化，以R236fa為工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)凈輸出功最高，最佳蒸發(fā)溫度在75℃左右；其余6種工質(zhì)最佳溫度在70℃左右，且R113和R123凈輸出功最低．

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)凈輸出功的影響

功比是衡量透平做功的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，定義為透平凈輸出功與透平做功量的比值，計(jì)算式見(jiàn)公式(3)．

系統(tǒng)的循環(huán)功比

(3)

由圖4可見(jiàn)，在蒸發(fā)溫度50℃時(shí)，7種工質(zhì)的功比差距很小，在3%內(nèi)；在100℃時(shí)，R113和R123功比變化很小，只降低約1%，而R601降低了4%，隨溫度變化功比變化較大．隨著蒸發(fā)溫度的升高，不同工質(zhì)的功比均隨著蒸發(fā)溫度升高而降低，但R113和R123功比最高．所以，由于R113和R123的功比隨溫度變化小，適合在熱源溫度不穩(wěn)定的情況下工作．

圖4 蒸發(fā)溫度與功比的關(guān)系

膨脹比為透平入口與出口的壓力比值．理想狀況下，透平的膨脹比越高，單位質(zhì)量的工質(zhì)做功越多，系統(tǒng)效率越高．膨脹比的大小影響機(jī)械能的輸出，若膨脹比過(guò)大，則會(huì)使得出口氣體的比容增大，工質(zhì)質(zhì)量流量減?。@得相同的機(jī)械能輸出，需增加膨脹機(jī)(透平)尺寸而提高了成本，所以合適的膨脹比也是循環(huán)系統(tǒng)很重要的一個(gè)參數(shù)．如圖5可看出，不同工質(zhì)均隨著蒸發(fā)溫度的升高，膨脹比變大，大小關(guān)系始終是R113>R245ca>R123>R245fa>R236fa>R600>R601．R113膨脹比最大，R601最?。?/p>

圖5 不同蒸發(fā)溫度工質(zhì)的膨脹比

汽耗率為循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，定義為裝置每輸出單位功量所耗費(fèi)的蒸氣量，表達(dá)式為d=1/(h3-h4)．

由圖6可看出，不同工質(zhì)的汽耗率隨著蒸發(fā)溫度的升高而減小，且隨著溫度的升高，耗汽率的差距越來(lái)越小，但始終呈R236fa>R113>R123>R245fa>R245ca>R601>R600．R236fa在溫度在50℃時(shí)，汽耗率最高，而隨著溫度升高，在蒸發(fā)溫度100℃時(shí)，R600與R601較為接近，其余4種工質(zhì)的汽耗率比較接近．

圖6 不同蒸發(fā)溫度工質(zhì)的汽耗率

2.2 基于熱力學(xué)第二定律分析

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，功量和熱量是不等價(jià)的，任何系統(tǒng)都不可避免地存在不可逆損失．從熱力學(xué)第二定律的角度，將火用定義為不同情況下系統(tǒng)所能完成的最大功量，火用效率可以有效地反應(yīng)在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中能量的利用情況，以此來(lái)衡量系統(tǒng)的性能．火用效率表達(dá)式為

(4)

式中，TH為熱源溫度(K)；TL為冷源溫度(K)．

如圖7所示，工質(zhì)的火用效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而提高，以R113或R123為例，在75℃時(shí)，其火用效率為11.4%；當(dāng)蒸發(fā)溫度為100℃時(shí)，其火用效率為14.8%．當(dāng)100℃時(shí)，R236fa的火用效率為13%，這說(shuō)明不同的工質(zhì)在運(yùn)行過(guò)程中火用效率有很大差異．R113和R123比較相似，7種工質(zhì)火用效率的大小關(guān)系為R113=R123>R245ca>R245fa>R600>R601>R236fa．在7種工質(zhì)中，R113和R123的火用效率最高．

圖7 不同蒸發(fā)溫度工質(zhì)的火用效率

為比較7種不同工質(zhì)的系統(tǒng)不可逆損失，設(shè)定在熱源溫度120℃，冷凝溫度20℃的系統(tǒng)中為例，系統(tǒng)總不可逆損失由式(5)得出．系統(tǒng)循環(huán)總不可逆損失

(5)

如圖8所示，系統(tǒng)不可逆損失隨著蒸發(fā)溫度的升高而變大，由圖可看出，系統(tǒng)不可逆損失大小為R600>R601>R245ca>R245fa>R123>R113>R236fa．采用烷烴類物質(zhì)R600和R601作為工質(zhì)的系統(tǒng)不可逆損失最大，而R236fa最?。?00℃時(shí)，R236fa的系統(tǒng)不可逆損失為31 kJ/kg，R113和R123略高于R236fa，為38 kJ/kg和42 kJ/kg，而R600和R601的系統(tǒng)不可逆損失為104 kJ/kg和91 kJ/kg．說(shuō)明不同的工質(zhì)在運(yùn)行過(guò)程中，造成的系統(tǒng)不可逆損失會(huì)有很大的差異，選取合適的工質(zhì)可以降低系統(tǒng)不可逆損失，使其能量利用最大化．

圖8 不同蒸發(fā)溫度時(shí)系統(tǒng)不可逆損失

3 結(jié) 語(yǔ)

1)根據(jù)熱力學(xué)第一定律對(duì)工質(zhì)在系統(tǒng)循環(huán)的影響進(jìn)行分析，得出工質(zhì)的熱效率和膨脹比隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，R113和R123為7種工質(zhì)中熱效率和膨脹比最高的兩種工質(zhì)，理論上膨脹比越大，工質(zhì)的做功能力越強(qiáng)；功比和氣耗率隨著蒸發(fā)溫度的升高而降低，R123和R113的功比隨著溫度變化而減小得很少，R600和R601氣耗率最低，但7種工質(zhì)在100℃時(shí)，氣耗率差值很?。?/p>

2)基于熱力學(xué)第二定律對(duì)工質(zhì)的火用效率和系統(tǒng)總不可逆損失進(jìn)行了分析計(jì)算，可得出工質(zhì)的火用效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，R113和R123火用效率基本相同，為7種工質(zhì)中最高；隨著蒸發(fā)溫度升高，系統(tǒng)總不可逆損失逐漸增加，但烷烴類的R600和R601系統(tǒng)不可逆損失最高，且與其余工質(zhì)差距較大，其余5種工質(zhì)系統(tǒng)總不可逆損失較接近差距不大．

3)綜合各方面考慮，選擇R123作為溫度100℃以下的低溫太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)是較為合適的，其具有較高的熱效率、火用效率，且當(dāng)R123作為工質(zhì)時(shí)，氣耗率和系統(tǒng)總不可逆損失較低，系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性較高．只是膨脹比略大，可能對(duì)透平的設(shè)計(jì)要求較高，會(huì)提高一定的設(shè)計(jì)成本．其外，R113在熱經(jīng)濟(jì)性上也是很好的候選工質(zhì)．

[1] 葉依林．基于太陽(yáng)能的有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2011．

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[責(zé)任編輯 張 莉]

Working Fluid Selection of Low-temperature Solar Power Generation System Based on Organic Rankine Cycle

Zhao Chunhua1,2Zheng Siyu2Wang Chengkang2Liang Zhipeng2

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Organic Rankine cycle (ORC) system uses organic fluids as working fluids to promote the work of the turbine. It performs better in recovering low enthalpy containing heat sources. The thermodynamic properties of working fluid have a significant effect on performance of solar organic Rankine cycle (ORC). According to the collector temperature of 120℃, and the evaporation temperature of 100℃，this article took R245fa, R123, R236fa, R113, R245ca, R600 and R601 as candidate working fluids, during which the evaporation temperature, thermal efficiency, exergy efficiency and total irreversible loss were respectively calculated and compared by using Matlab and PERPROP softwares. The results show： R123 performs relatively high thermal and exergy efficiency and produces relatively low total irreversible loss in low temperature solar ORC system, which is recommended as a desirable working fluid for the ORC system of evaporation temperature below 100℃.

organic Rankine cycle(ORC); low-temperature solar power; organic working fluid; thermal efficiency; exergy efficiency; irreversible loss

2016-03-15

趙春華(1971-)，女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣收显\斷、數(shù)字化設(shè)計(jì)及其制造等．E-mail：26035479@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.020

TK519

A

1672-948X(2017)03-0089-04