低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)的研究

彭菊生

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院 湖州 313000）

1 引言

隨著能源危機(jī)問題越來越嚴(yán)重,急需開發(fā)出更多新能源來解決當(dāng)前能源不足問題。地?zé)崮苁墙陙黹_發(fā)的一種可持續(xù)發(fā)展能源,它的開發(fā)潛力非常大。據(jù)探測獲悉我國地?zé)崮軆α扛哌_(dá)50 000 MW[1],全球總地?zé)崮艹^煤熱能的1.7 億倍,鑒于地?zé)崮軆α看骩2],開發(fā)價(jià)值極高,因此需對它的開采技術(shù)進(jìn)行深入分析,尤其對地?zé)衢_發(fā)的能量傳輸介質(zhì)展開更深入研究。

據(jù)統(tǒng)計(jì)地球上75% 以上的地?zé)崮芏际菧囟仍?50 ℃以下的低值熱能,無法被直接開發(fā)利用,需借助有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)將地?zé)崮芰哭D(zhuǎn)換成電能后[3-4],再供給人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)所用。隨著地?zé)崮艿拈_發(fā)價(jià)值逐漸被人們認(rèn)可,近年來各國逐漸加大對地?zé)崮艿拈_發(fā)力度,其中我國西藏地區(qū)的八井地?zé)犭娬镜难b機(jī)容量高達(dá)7 000 kW,解決該地區(qū)一半以上的電力供給[5]。為了更進(jìn)一步提高有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率,通過對該系統(tǒng)能量傳輸工質(zhì)進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)測試,得到綜合性能最優(yōu)的有機(jī)工質(zhì)[6]。

2 低溫發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)工作原理

低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中工質(zhì)將循環(huán)流動(dòng)在有機(jī)朗肯系統(tǒng)各個(gè)部分,它的運(yùn)動(dòng)線路如圖1 所示。首先該液態(tài)工質(zhì)在泵站作用下將從儲液罐流入與地?zé)岬哪芰拷粨Q中心——蒸發(fā)器中,然后液態(tài)工質(zhì)吸收地?zé)崮芎笊A成氣態(tài),并沿著管道流通且驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功,最后做完功后的有機(jī)工質(zhì)成為乏氣后回流到蒸餾器、冷凝器中,則有機(jī)工質(zhì)完成整個(gè)工作流程。

圖1 低溫發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)原理圖Fig.1 Schematic diagram of power plant of low temperature power generation

由于有機(jī)工質(zhì)貫穿在有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)過程中,它的性能將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的電能產(chǎn)值量?；谟袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)基本屬性,可知有機(jī)工質(zhì)R114、R123、R600、R11、R236fa、R245fa 等比較符合。因此,對它們的性能進(jìn)行測試,得到其臨界壓力、臨界溫度和標(biāo)態(tài)沸點(diǎn)等參數(shù)如表1 所示。為了獲得性能更好的有機(jī)工質(zhì),可通過建立有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對工質(zhì)性能進(jìn)行更深入研究,選擇出性能最優(yōu)的有機(jī)工質(zhì)。

表1 有機(jī)工質(zhì)參數(shù)表Table 1 Parameters of organic working medium

3 低溫發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 低溫發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

基于低溫發(fā)電有機(jī)工質(zhì)的工作原理,可建造如圖2 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過分別向系統(tǒng)中注入R114、R123、R600、R11、R236fa、R245fa 等有機(jī)工質(zhì),可測試出各種有機(jī)工質(zhì)的性能參數(shù)。

圖2 低溫發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental platform of ORC system

為了確保整個(gè)低溫發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正常工作,需設(shè)置如表2 所示的設(shè)備參數(shù)。表中列舉低溫發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵和冷凝器等設(shè)備的主要參數(shù),其中汽輪機(jī)采用SET260 機(jī)組,額定功率大小為5 kW。

表2 低溫發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)表Table 2 Parameter table of equipment of low temperature power generation system

據(jù)地質(zhì)探測可知地?zé)崮茱柡驼魵鉁囟燃性?10—150 ℃之間,如何將該地?zé)崮芎侠砀咝У霓D(zhuǎn)化成電能成為本文的重點(diǎn)研究對象。因此,需研究出發(fā)電效率最高的有機(jī)工質(zhì)。

3.2 低溫發(fā)電有機(jī)工質(zhì)測試方法

基于所建設(shè)的低溫發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為了方便觀察系統(tǒng)每一步的運(yùn)行狀況,可設(shè)置如圖3 所示的檢測點(diǎn),從而獲得不同工質(zhì)下系統(tǒng)的功率、熱效率、損失和效率等參數(shù)[7]。為了確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行,需在系統(tǒng)開啟前進(jìn)行抽真空處理,以及在儲液罐中注入定量有機(jī)工質(zhì)和在加熱鍋爐水缸中注入50 cm 以上的水。

圖3 低溫發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)檢測圖Fig.3 Test chart of parameters of low-temperature power generation system

基于熱力學(xué)定律,結(jié)合有機(jī)工質(zhì)特性和低溫發(fā)電系統(tǒng)的工作原理,初步判定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)范圍如表3所示。為了確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安全工作,需對重要參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測,確保系統(tǒng)重要參數(shù)在允許范圍內(nèi),以防發(fā)生事故。

表3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)表Table 3 Parameter table of experimental system

基于所建設(shè)低溫發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),可通入各種有機(jī)工質(zhì)后測量它們的輸出功率、熱效率、損失和效率等參數(shù),為后續(xù)的研究做好鋪墊。

4 低溫發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)熱力性能分析

在低溫發(fā)電系統(tǒng)中,汽輪機(jī)的輸出功率、熱效率與發(fā)電機(jī)發(fā)電量成正比,直接影響系統(tǒng)的電能產(chǎn)值。因此,通過對比不同有機(jī)工質(zhì)下汽輪機(jī)的輸出功率和熱效率狀況,綜合比較分析后選擇發(fā)電效率最高的有機(jī)工質(zhì)[8]。

4.1 汽輪機(jī)輸出功率和熱效率分析

通過對有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行加熱使其在蒸發(fā)器中達(dá)到飽和狀態(tài),進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)做功。基于熱力學(xué)定律可知汽輪機(jī)做功為:

式中:WT為低溫發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)輸出功率大小,為低溫發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)流量大小,h3為低溫發(fā)電系統(tǒng)飽和蒸氣比焓值,h4為低溫發(fā)電系統(tǒng)乏氣比焓值,ηT為汽輪機(jī)相對內(nèi)效率值,ηm為汽輪機(jī)機(jī)械傳動(dòng)效率大小,ηG為低溫發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)工作效率值。

同樣,根據(jù)低溫發(fā)電系統(tǒng)中汽輪機(jī)輸出功率與吸收熱量的比值,可得該系統(tǒng)熱效率計(jì)算公式為:

式中:ηr為汽輪機(jī)熱效率值,Q吸為汽輪機(jī)低溫發(fā)電過程吸收的熱量。

基于低溫發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)的輸出功率和熱效率分析,可求解出該系統(tǒng)輸出功率和熱效率曲線如圖4、圖5 所示。

圖4 不同工質(zhì)系統(tǒng)輸出功率Fig.4 Rules of net power under the condition of different working fluids

圖5 不同工質(zhì)系統(tǒng)熱效率Fig.5 Rules of thermal efficiency under the condition of different working fluid

通過對系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,可得有機(jī)工質(zhì)的熱力性質(zhì)對系統(tǒng)熱效率和輸出功率影響關(guān)系曲線,并統(tǒng)計(jì)出它的最大輸出功率和最大熱效率如表4 所示。

表4 有機(jī)工質(zhì)最大輸出功率、熱效率數(shù)據(jù)表Table 4 Table of thermal efficiency and net power of working fluid

綜合分析有機(jī)工質(zhì)的熱效率、輸出功率數(shù)據(jù),可知它們的具體如下特性:雖然R236fa、R600、R114、R141b 都具有較高的熱效率和凈輸出功率,但它們在0.2 MPa 背壓下的冷凝溫度分別為289.25 K、291.94 K、296.18 K、298.28 K 比正常水溫低,因此很難通過常規(guī)的水冷方式進(jìn)行冷凝；相對而言,工質(zhì)R245fa、R123 和R11 的冷凝過程就非常容易,它們的冷凝溫度分別為306.33 K、321.16 K、317.18 K。尤其是對于有機(jī)工質(zhì)R245fa,它的的凈輸出功率和熱效率高達(dá)7261 kW 及11.81%,非常適合用于低溫發(fā)電系統(tǒng)。雖然R11 與R245fa 性能相似,但是R11 對環(huán)境具有破壞性因此作為禁用品。綜上所述,從環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用性等方面綜合比較后,可知R245fa性能最優(yōu)。

4.2 系統(tǒng)損失和效率分析

式中:It為低溫發(fā)電系統(tǒng)的損失大小；T0為系統(tǒng)的環(huán)境溫度,本實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為298.15 K；s4為工質(zhì)飽和蒸氣在汽輪機(jī)入口比熵值；s5為工質(zhì)乏氣在汽輪機(jī)出口比熵值。

式中:ηex為低溫發(fā)電系統(tǒng)效率,Wnet為低溫發(fā)電系統(tǒng)效率,EH為低溫發(fā)電系統(tǒng)飽和蒸氣輸入效率。

圖6 不同工質(zhì)效率變化曲線Fig.6 Rules of exergy efficiency under the condition of different working fluid

由圖6 曲線可知所有工質(zhì)隨著蒸發(fā)壓力增加都呈現(xiàn)單調(diào)遞增,且增幅不斷減小的變化趨勢。同樣,可得到如圖7 所示不同工質(zhì)損失變化曲線。

圖7 不同工質(zhì)下系統(tǒng)損失變化曲線Fig.7 Rules of exergy destruction under the condition of different working fluid

表5 有機(jī)工質(zhì)效率、損失數(shù)據(jù)表Table 5 Table of exergy efficiency and exergy loss of working fluid

表5 有機(jī)工質(zhì)效率、損失數(shù)據(jù)表Table 5 Table of exergy efficiency and exergy loss of working fluid

5 R245fa 工質(zhì)工況熱力性能分析

5.1 工質(zhì)流量對系統(tǒng)熱力性能的影響

為了讓低溫發(fā)電系統(tǒng)在工作過程中汽輪機(jī)獲得更大的輸出功,則要求它的工質(zhì)流量盡可能大。通過以R245fa 為工質(zhì)的低溫朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中熱效率、輸出功率、效率和損失進(jìn)行分析,可知它們隨工質(zhì)流量變化曲線如圖8 所示。由圖8 所示工質(zhì)流量對系統(tǒng)熱力變化曲線,可知系統(tǒng)熱效率、汽輪機(jī)輸出功率將隨著工質(zhì)流量的增加呈現(xiàn)不斷降低的趨勢,效率與熱效率變化規(guī)律一樣。但是,由于低溫發(fā)電系統(tǒng)做功是不可逆的,從而使工質(zhì)吸熱溫度與熱源的溫差隨著工質(zhì)流量增加而變大,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p失隨工質(zhì)流量增加而變大。

圖8 工質(zhì)流量對系統(tǒng)熱力變化曲線Fig.8 Performance effect of system in working fluid flux

5.2 汽輪機(jī)背壓對系統(tǒng)熱力性能的影響

由于低溫發(fā)電系統(tǒng)汽輪機(jī)在做功完成后產(chǎn)生大量的乏氣,所以需保持一定的背壓。根據(jù)有機(jī)工質(zhì)R245fa 特性,實(shí)驗(yàn)選擇蒸發(fā)溫度為80 ℃,環(huán)境溫度298.15K,過冷度、過熱度均為5 K 環(huán)境條件下,得到如圖9 所示汽輪機(jī)背壓對系統(tǒng)熱力性能影響曲線。通過對圖9 所示汽輪機(jī)背壓對系統(tǒng)熱力性能變化曲線分析,可得知:（1）系統(tǒng)熱效率和凈輸出功率隨汽輪機(jī)背壓的增加呈現(xiàn)明顯降低趨勢,據(jù)分析產(chǎn)生該現(xiàn)象主要原因是由于汽輪機(jī)背壓增加,導(dǎo)致它的進(jìn)出口焓差減小,從而使汽輪機(jī)做功能力降低；（2）系統(tǒng)?效率隨汽輪機(jī)背壓的增加明顯降低,主要是隨著汽輪機(jī)背壓增加,進(jìn)而使循環(huán)溫差增大導(dǎo)致。

圖9 汽輪機(jī)背壓對系統(tǒng)熱力變化曲線Fig.9 Curve of system in different back pressure of turbine

6 結(jié) 論

基于低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)的熱力性能分析,以及結(jié)合有機(jī)工質(zhì)在實(shí)驗(yàn)過程中的測試結(jié)果,可得到如下結(jié)論:

（1）基于低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析,可知有機(jī)工質(zhì)R245fa 各項(xiàng)性能指標(biāo)較好,非常適用于低溫循環(huán)發(fā)電系統(tǒng),其中熱效率高達(dá)11.81%,最大凈輸出功率為7261 kW；

（2）通過對有機(jī)工質(zhì)R245fa 的工況熱力性能指標(biāo)分析,可得到工質(zhì)流量和汽輪機(jī)背壓對系統(tǒng)發(fā)電效率影響,從而更好開發(fā)該有機(jī)工質(zhì)。