一種雪能溫差發(fā)電熱力系統(tǒng)分析

黎永盛

（廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526000）

0 引言

自從能源危機(jī)發(fā)生以來，能源問題一直難以解決，開發(fā)利用可再生能源成為彌補(bǔ)能源短缺和減少污染的途徑之一[1]。地表陸地30%覆蓋著雪，雪能是巨大的能源庫。每年雪的自然融化都會產(chǎn)生大量的能量，而雪能溫差發(fā)電能夠利用天然環(huán)境，對雪的冷能進(jìn)行利用，因地制宜，實現(xiàn)發(fā)電。雪能發(fā)電不僅成本低，而且非常環(huán)保。我國有豐富的積雪資源，大部分為季節(jié)性積雪，并且多分布于高緯度和海拔較高的地區(qū)[2]。黃河和長江的水幾乎都來自于青藏高原的高山融雪，因此青藏高原的雪每年釋放出的雪能不可估量。在西部偏遠(yuǎn)地方實行雪能發(fā)電不僅可以解決當(dāng)?shù)赜秒妴栴}，而且可以降低運輸電力的成本。

1 雪能溫差發(fā)電系統(tǒng)原理和構(gòu)成

雪能溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電主要依靠熱力循環(huán)系統(tǒng)完成，所構(gòu)成的循環(huán)方式為朗肯循環(huán)。朗肯循環(huán)發(fā)電作為一種有效的低溫?zé)嵩打?qū)動發(fā)電技術(shù)，已在地?zé)?、太陽能和工業(yè)余熱發(fā)電領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，然而在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，熱源溫度往往大于溫海水溫度[3]。雪能溫差發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)原理如圖1所示，主要設(shè)備包括蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等。工作流程：將蒸發(fā)器放在地下熱水源旁邊，冷凝器放在覆蓋雪的高山上，用管道將蒸發(fā)器和冷凝器連在一起，選取循環(huán)工質(zhì)，將循環(huán)工質(zhì)放置在蒸發(fā)器中，利用地下熱水讓低沸點的循環(huán)工質(zhì)蒸汽化，在循環(huán)工質(zhì)被地下熱水加熱沸騰后，會順著管道向上端跑去，沖擊汽輪機(jī)并帶動其轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機(jī)，最后乏氣到達(dá)冷凝器，利用雪將循環(huán)工質(zhì)再次液化。通過管道循環(huán)工質(zhì)再次回到蒸發(fā)器中，進(jìn)行下一個循環(huán)。冷凝器里的雪液化成水，通過管道流下高山，在管道上安裝水輪機(jī)，將水的勢能轉(zhuǎn)換成驅(qū)使機(jī)械旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。

圖1 循環(huán)原理圖

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備熱力分析

雪能溫差發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)過程T-S圖如圖2所示，數(shù)字對應(yīng)過程與圖1對應(yīng)，其分為4個階段：

圖2 T-S圖

（1）1→2 高壓氣體不斷沖擊汽輪機(jī)，帶動汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，該過程為等熵膨脹做功過程。

（2）2→3 乏氣在冷凝器中和雪進(jìn)行熱傳遞，再次變回循環(huán)工質(zhì)，該過程為等壓冷凝過程。

（3）3→4 工質(zhì)泵對循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行加壓，該過程為等熵加壓過程。

（4）4→1 循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器中再次吸熱轉(zhuǎn)化成蒸汽，該過程為等壓升溫過程。

在循環(huán)過程中，對循環(huán)系統(tǒng)做以下設(shè)定：

（1）地下熱水和循環(huán)工質(zhì)都處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，循環(huán)工質(zhì)一直為飽和狀態(tài)；

（2）系統(tǒng)對外絕熱，處于理想狀態(tài)；

（3）忽略循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器、冷凝器和管路里的流動阻力[1]；

（4）整個系統(tǒng)無摩擦耗能。

各設(shè)備的狀態(tài)方程如下：

蒸發(fā)器：

式中：Mw為地下熱水單位流量（kg/s）；Wf為氨水工質(zhì)理論流量（kg/s）；h為比焓（kg/J），h的下標(biāo)與圖1對應(yīng)。

冷凝器：

式中：M為系統(tǒng)中冷凝單位工質(zhì)所需要的雪的理論值（kg/s）。

汽輪機(jī)是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械，其為溫差能發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，汽輪機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的狀態(tài)為飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài)，汽輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行的是不可逆絕熱膨脹過程[4]。汽輪機(jī)做功方程為：

式中：WT為汽輪機(jī)的功率（W）。工質(zhì)泵：

式中：WP為工質(zhì)泵的功率（W）。

循環(huán)熱效率：

每做1 kW·h（3 600 kJ）的功消耗蒸汽的量，叫汽效率。汽效率計算公式：

式中：Wnet為單位質(zhì)量下做的凈功（W）。

當(dāng)雪融化成水，通過管子從高山流下，沖擊水輪機(jī)時，重力勢能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，方程為：

式中：Wz為重力勢能做的功（W）；M為單位水的重量（kg/s）；H為高山到水輪機(jī)的高度差（m）。

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 汽輪機(jī)進(jìn)口壓力對系統(tǒng)的影響

循環(huán)效率是檢測循環(huán)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力又是影響循環(huán)熱效率的一個關(guān)鍵因素[5]。氣體在汽輪機(jī)中做的功與氣體的進(jìn)口壓力密切相關(guān)。

陳鳳云等《朗肯循環(huán)海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)性能理論分析與試驗》[1]的實驗結(jié)果如圖3（a）所示，吳浩宇等《一種高效海洋溫差能發(fā)電循環(huán)的性能分析》[5]的實驗結(jié)果如圖3（b）所示，對兩者的實驗結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

圖3 循環(huán)熱效率與汽輪機(jī)壓力的關(guān)系

分析可得，在其他條件不變的情況下，當(dāng)進(jìn)口蒸汽壓力低于0.85 MPa時，循環(huán)熱效率隨著汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力的升高而升高；當(dāng)進(jìn)口蒸汽壓力高于0.85 MPa時，循環(huán)熱效率隨著壓力的增加開始下降。這是因為當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)口氣體壓力小于0.85 MPa時，隨著汽輪機(jī)進(jìn)口氣體壓力的增大，平均蒸發(fā)溫度升高，此時的平均吸熱溫度增大，因此熱效率增加[1]；當(dāng)氣體壓力大于0.85 MPa時，循環(huán)工質(zhì)因為壓力過大，由氣態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)，因此循環(huán)效率下降。

由此可得，最適進(jìn)口蒸汽壓力為0.85 MPa。

3.2 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇

根據(jù)不同的飽和蒸汽曲線，可以將循環(huán)工質(zhì)分為干流體、等熵流體與濕流體，其T-S圖如圖4所示[6]。

圖4 流體的T-S圖

在選擇工質(zhì)時，應(yīng)該嚴(yán)格滿足以下條件：

（1）工質(zhì)的安全性，必須無毒、不易燃、不易爆炸。

（2）工質(zhì)的環(huán)保性，如果管道泄漏，工質(zhì)不能污染環(huán)境，加速全球變暖，破壞大氣層。

（3）工質(zhì)的熱穩(wěn)定性，工質(zhì)不能因為受熱分解成其他物質(zhì)。

（4）工質(zhì)廉價，易購買[6]。

（5）化學(xué)穩(wěn)定性。有機(jī)流體在高溫高壓下會分解，對設(shè)備材料產(chǎn)生腐蝕，甚至容易發(fā)生燃燒和爆炸，所以要根據(jù)熱源溫度等條件來選擇合適的工質(zhì)[6]。

對三種流體進(jìn)行比較，可以得出干流體和等熵流體比較適合做循環(huán)工質(zhì)，常用工質(zhì)的相關(guān)物性參數(shù)如表1所示。

有機(jī)工質(zhì)熱物性影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)特性，而有機(jī)工質(zhì)傳熱特性影響系統(tǒng)中換熱器（蒸汽發(fā)生器和冷凝器）的換熱效果[7]。表1工質(zhì)中，環(huán)保性、安全性、熱物性和熱特性都符合要求的工質(zhì)有R236ea、R245fa，可用作有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)。

表1 常用工質(zhì)的物性參數(shù)

4 結(jié)語

本文以熱力學(xué)原理為基礎(chǔ)，對雪能溫差系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在其他條件不變的情況下，當(dāng)進(jìn)口蒸汽壓力低于0.85 MPa時，循環(huán)熱效率隨著壓力的升高而升高；當(dāng)進(jìn)口蒸汽壓力高于0.85 MPa時，循環(huán)熱效率隨著壓力的升高而下降。

（2）由系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備熱力分析可知，影響雪能溫差發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)熱效率的因素有蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、汽輪機(jī)壓力和循環(huán)工質(zhì)、各類泵耗功等，但最根本的兩個因素是進(jìn)口蒸汽壓力和循環(huán)工質(zhì)的選取。

（3）在選取循環(huán)工質(zhì)時，要以安全、環(huán)保為首要條件，以系統(tǒng)熱循環(huán)效率最高為目標(biāo)，可選取R236ea、R245fa。