胡顥然,吳俐俊,張歷華
(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海市 201408)
隨著化石能源的緊缺以及人類環(huán)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?zé)崮茉从诘厍虻娜廴趲r漿和放射性物質(zhì)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(huán)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?zé)崮艿膬α勘饶壳拔覀兯玫哪芰靠偭窟€要多,加上地?zé)崮芫哂星鍧嵭院驮偕裕?],許多國家都采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)對其加以應(yīng)用,例如:德國的Neustadt-Glewe地?zé)岚l(fā)電站,采用簡單亞臨界有機朗肯循環(huán)(organic rankine cycle,ORC),以全氟化戊烷(n-Perfluorpentane,C5F12)為工質(zhì),以約98℃的地?zé)崴疄闊嵩窗l(fā)電,發(fā)電量為210kW[2];美國的阿拉斯加運行著1座以74℃的地?zé)豳Y源發(fā)電的電站[3]。目前,地?zé)岚l(fā)電技術(shù)有地?zé)岣烧羝钙桨l(fā)電技術(shù)、地?zé)釤崴W蒸發(fā)電技術(shù)以及地?zé)狎?qū)動的ORC發(fā)電技術(shù),與其他地?zé)崴l(fā)電技術(shù)相比較,ORC發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟效益更好[4-5]。
ORC發(fā)電的效果除了受蒸發(fā)溫度、凝結(jié)溫度、透平機以及進氣溫度等參數(shù)的影響外,工質(zhì)的物性也是影響發(fā)電效率的主要因素之一[6],因而,對工質(zhì)的優(yōu)化選擇就顯得特別重要。文獻[7]基于火用分析為地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)篩選出了異丁烷和R227ea這2種比較適合的工質(zhì)。文獻[8]對溫度為30100℃,壓力限定為2.0MPa的地?zé)釞C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(zhì)物性參數(shù)進行了計算且對ORC的設(shè)計進行了對比,認(rèn)為在地?zé)酧RC中,臨界溫度較低的工質(zhì)(R134a,R152a)是不錯的選擇。文獻[9]對地?zé)崴疁卦?5110℃的地?zé)酧RC機組進行了研究,得出:當(dāng)工質(zhì)的臨界溫度與最高水溫接近時,使用該工質(zhì)的系統(tǒng)效率較高;使用丙烯和R245fa作為工質(zhì)時,系統(tǒng)效率較高,在水溫為100℃時系統(tǒng)效率分別為14.6%和14.1%。目前,文獻中常見的工質(zhì)優(yōu)化分析方法有火用效率、凈輸出功、熱效率、系統(tǒng)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(tǒng)進行評價。
地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)包括地?zé)崴h(huán)、ORC循環(huán)和冷卻水循環(huán),系統(tǒng)工作原理如圖1所示。
圖1 地?zé)崴甇RC發(fā)電系統(tǒng)工作原理Fig.1 Principle of ORC power generation system with geothermal water
(1)地?zé)崴h(huán)系統(tǒng)。地?zé)崴疁囟葹?5℃左右,經(jīng)過沉淀池除去雜質(zhì)后,進入蒸發(fā)器加熱低沸點的有機工質(zhì),溫度降到75℃左右,經(jīng)地?zé)崴眉訅海伤腿刖用裼脩糇鳛樯钣盟?/p>
(2)ORC系統(tǒng)。液體工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后,在蒸發(fā)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(zhì)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(tài)(過程2—3);液態(tài)工質(zhì)通過工質(zhì)泵等熵加壓并送到熱交換器中(過程3—4)。如此連續(xù)循環(huán),將地?zé)崴械臒崃吭丛床粩嗟靥崛〕鰜?,生成高品位的電能?/p>
(3)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水經(jīng)冷凝器等壓冷卻有機工質(zhì)后,溫度升高經(jīng)冷卻水泵加壓送到冷卻塔中,被空氣冷卻后,循環(huán)使用。
選擇ORC工質(zhì)時,力求在熱源條件下使工質(zhì)吸收較多的熱量,并在把吸收的熱量更有效地轉(zhuǎn)化成功的同時,也必須使所選擇的工質(zhì)滿足環(huán)保性和安全性要求。因而,所選工質(zhì)應(yīng)盡量滿足以下要求:(1)工質(zhì)的臨界溫度應(yīng)該略高于循環(huán)中的最高溫度,以避免跨臨界循環(huán)可能帶來的諸多問題;(2)工質(zhì)的壓力適宜,蒸發(fā)壓力不應(yīng)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(yīng)大于0或接近0;(4)蒸發(fā)潛熱小,粘度低,傳熱系數(shù)高,熱穩(wěn)定性好;(5)安全性高。應(yīng)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(zhì),同時也要考慮價格因素且易于獲得[12-14]。表1是依據(jù)制冷劑安全性制定的工質(zhì)安全性分類。
表1 工質(zhì)安全性分類Tab.1 Safety classification of working fluids
文獻[15]針對80100℃的地?zé)崴甇RC,選出性能較好的R600、R600a、R124、R142b、R134a、R152a、R245fa和R245ca這8種純工質(zhì)以及M01、M02和M04這3種混合工質(zhì)。本文結(jié)合設(shè)定工況的特點(95℃地?zé)崴┖蚈RC系統(tǒng)對工質(zhì)的要求,初步篩選出R134a、R245fa等6種有機工質(zhì)[16]進行計算比較,工質(zhì)的物性參數(shù)如表2所示。
表2 工質(zhì)的物性參數(shù)Tab.2 Physical property parameters of working fluids
表2中,R134a、R245fa為純工質(zhì),R600a、R290為烷氫(異丁烷,丙烷),R407c、R413a為非共沸混合工質(zhì),其臨界溫度和環(huán)保型均滿足工質(zhì)的選取標(biāo)準(zhǔn)。
假設(shè)本低溫余熱發(fā)電功率為100 kW,地?zé)崴M口溫度約為95℃,出口溫度為75℃,蒸發(fā)器中地?zé)崴c工質(zhì)的最小換熱溫差取10℃,則工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)最高溫度為85℃。假定環(huán)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(nèi)冷卻水與工質(zhì)的溫差取5℃,從而可確定工質(zhì)的冷凝溫度為39℃。
根據(jù)ORC原理,在理想狀況下,可確定工質(zhì)在T-S圖上各狀態(tài)點的物性參數(shù),如圖2所示。
圖2 工質(zhì)T-S圖Fig.2 T-Sdiagram of working fluids
單位質(zhì)量的工質(zhì)在汽輪機內(nèi)的焓降為
發(fā)電量為E時,所需工質(zhì)的質(zhì)量流量為
蒸發(fā)器內(nèi)的換熱量為
冷凝器內(nèi)的換熱量為
系統(tǒng)的不可逆損失為
式中:T0為周圍環(huán)境溫度(這里取25℃);TH為熱源溫度;TL為冷源溫度。
系統(tǒng)熱效率為
假定過程1—2(工質(zhì)在汽輪機中做功的過程)為等熵過程,根據(jù)運行工況,工質(zhì)在各狀態(tài)點的物性參數(shù)如表3所示。
對初選的工質(zhì)進行設(shè)計計算,計算結(jié)果如表4所示。
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從表4可看出:各工質(zhì)系統(tǒng)熱效率差別不大,但各個工質(zhì)在汽輪機內(nèi)的壓力相差很大。R600a、R290具有爆炸性,且其系統(tǒng)熱效率與其他工質(zhì)相差不大,為保障ORC系統(tǒng)的安全性,此2種工質(zhì)不宜采用。
蒸發(fā)溫度為80℃,冷凝溫度為39℃時,初選各工質(zhì)ORC的熱效率如圖3所示。
圖3 ORC系統(tǒng)熱效率Fig.3 Thermal efficiency of ORC system
從圖3可看出,在設(shè)定工況下下,各工質(zhì)的熱效率相差不大,為 10.24%11.39%,其中混合工質(zhì)R407c的熱效率最高為11.39%。
系統(tǒng)的不可逆損失反映了能量梯級利用的程度,即工質(zhì)把從低溫?zé)嵩次盏臒崃坑行мD(zhuǎn)化成功的程度,工質(zhì)的不可逆損失如圖4所示。
圖4 ORC系統(tǒng)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(zhì)不可逆損失較大,而2種非共沸混合工質(zhì)R407c、R413a的不可逆損失較小,這是因為一般情況下非共沸工質(zhì)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(zhì)的不可逆損失并不一定比共沸工質(zhì)小。
在發(fā)電功率一定的情況下,單位工質(zhì)的發(fā)電能力與所需工質(zhì)的流量成反比。從式(2)可以看出,工質(zhì)在汽輪機中的焓降越大,系統(tǒng)所需工質(zhì)的流量越小。工質(zhì)的流量是工質(zhì)泵選型的重要參數(shù),由于國內(nèi)生產(chǎn)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(zhì)流量大會要求工質(zhì)泵的功率要大,從而會降低整個系統(tǒng)的效率從而降低系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。為降低系統(tǒng)設(shè)備成本,提高經(jīng)濟效益,應(yīng)盡量選擇流量小的工質(zhì)。發(fā)電功率為100kW時,工質(zhì)的流量計算如圖5所示。
圖5 工質(zhì)的流量Fig.5 Flow of working fluids
從圖5可看出:在設(shè)定工況下,各個工質(zhì)的流量相差較大;2種混合工質(zhì)的流量相對比其他工質(zhì)要大,其中R413a最大為7.86kg/s,可見其單位工質(zhì)的做工能力較差。
汽輪機內(nèi)的壓力包括蒸發(fā)壓力(極大值)和冷凝壓力(極小值),壓力需適宜,壓力過大對設(shè)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(nèi)一般汽輪機內(nèi)的壓力不宜超過2MPa,如果壓力過低,系統(tǒng)外的空氣容易進入系統(tǒng)。一般情況下,冷凝壓力均滿足要求,因而這里只考察蒸發(fā)壓力。設(shè)定工況下,ORC系統(tǒng)汽輪機內(nèi)的壓力如下圖6所示。
圖6 ORC系統(tǒng)汽輪機內(nèi)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(zhì)均略大,其中R245fa汽輪機內(nèi)的壓力為0.79MPa,R600a汽輪機內(nèi)的壓力為1.35MPa。
(1)在設(shè)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(zhì)的發(fā)電能力較差,且具有爆炸性,因而不能作為最優(yōu)工質(zhì)。
(2)一般情況下,非共沸工質(zhì)有熱源的匹配性要優(yōu)于共沸工質(zhì),但不是絕對的。
(3)R245fa各項評價標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果均比較優(yōu)異,比較適合作為設(shè)定工況下的ORC工質(zhì)。
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