羅珂1，2，3，駱超1，2，龔宇烈1，2

（1中國科學院廣州能源研究所可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；2廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；3中國科學院大學，北京 100049）

閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)熱力性能比較

羅珂1，2，3，駱超1，2，龔宇烈1，2

（1中國科學院廣州能源研究所可再生能源重點實驗室，廣東 廣州 510640；2廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；3中國科學院大學，北京 100049）

為了篩選出適宜于閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質，建立了閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學模型。在這個計算模型中，采用熱水溫度范圍為100～150℃，熱水流量取為36t/h，冷卻水進口溫度設定為15℃。以單位熱水凈發(fā)電量、熱效率、?效率和系統(tǒng)不可逆損失作為聯(lián)合系統(tǒng)性能的評價指標，研究5種有機工質（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a）的運行參數(shù)，比較不同地熱流體溫度條件下這5種有機工質的做功能力，確立了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳循環(huán)工質。研究結果表明：聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量隨著閃蒸溫度的增加呈先增大后減小的趨勢，每種工質都有一個最佳的閃蒸溫度使得聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量達到最大；綜合考慮這5種工質的環(huán)保性能和熱力學性能，工質R245fa是綜合性能最好的工質，可作為閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有機工質。

閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電；工質選擇；最佳閃蒸溫度；熱效率；?效率

近年來，全球都面臨著越來越嚴峻的能源問題，隨著我國不斷推進節(jié)能減排政策，很多研究學者逐漸把能源的研究重點放在太陽能、地熱能等可再生能源領域[1]。其中，地熱能是指蘊藏在地球內部的巨大的天然熱能，全球地熱資源所擁有的熱能約為已探明煤儲量熱能的1.7億倍[2]，由于其儲量大、分布范圍廣，并且其開采利用不受晝夜和季節(jié)變化的限制，因此越來越多的科研工作者開始關注和研究地熱能的開發(fā)利用[3-4]。熱水發(fā)電包括閃蒸系統(tǒng)和雙工質循環(huán)系統(tǒng)兩種基本的能量轉換系統(tǒng)。閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是由單級閃蒸和雙工質發(fā)電兩部分組成的。與單純的雙工質循環(huán)系統(tǒng)一樣，聯(lián)合系統(tǒng)中雙工質循環(huán)部分有機工質的選擇對循環(huán)系統(tǒng)性能影響也較大。

近年來，國內外的科研工作者對有機朗肯循環(huán)的有機工質進行了大量研究[5-8]。束楊等[9]在不同的蒸發(fā)溫度下，對8種循環(huán)工質的熱力循環(huán)性能進行計算分析，認為R123是適合低溫熱能有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)工質。韓中合等[10]選取9種有機工質對其熱力循環(huán)特性進行了計算分析，認為R245fa作為太陽能低溫熱發(fā)電朗肯循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)工質具有較高的熱效率和?效率。SALEH等[11]采用BACKONE 狀態(tài)方程對31種純工質進行了熱力學物性分析。HUNG等[12]采用甲苯、苯、對二甲苯、R113和R123作為循環(huán)工質對回收余熱ORC特性進行了分析，結果證明濕工質不適于ORC 系統(tǒng)，同時指出在一定熱源條件下，等熵工質R113和R123更適于回收低溫余熱。WANG等[13]研究了9種工質的物理特性，指出R11、R113、R123和R141B的熱力性能較好，R245fa和R245ca的環(huán)保性能最好。韓中合等[14]對預選的14種有機朗肯循環(huán)工質在熱力學特性和經濟性兩方面進行了優(yōu)選。劉健等

[15]基于蒸發(fā)參數(shù)法展開了工質R123和R245fa的優(yōu)選研究。李惟毅等[16]采用了結合經濟性能和?效率的綜合評價指標對有機朗肯循環(huán)的13種有機工質進行了多目標優(yōu)選。韓中合等[17]選用10種干工質，研究了內回熱器對低溫有機朗肯循環(huán)熱力性能的影響。

在以往的研究中，只是針對單一的有機朗肯循環(huán)有機工質進行了研究，然而對于閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有機工質選擇，還沒有相關的文獻進行研究。對于單純的閃蒸系統(tǒng)和雙工質循環(huán)地熱發(fā)電來說，只要閃蒸器采用最佳閃蒸溫度、蒸發(fā)器采用最佳蒸發(fā)溫度，單一系統(tǒng)的單位熱水發(fā)電量就可以達到最大，然而對于閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)來說，由于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量是由閃蒸和雙工質發(fā)電兩部分組成，在單級閃蒸的最佳閃蒸溫度下，聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水發(fā)電量不能達到最大，聯(lián)合系統(tǒng)的最佳閃蒸溫度大于單一閃蒸系統(tǒng)的最佳溫度[18]。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出和單一的有機朗肯循環(huán)不一樣的特性，所以需要對聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有機工質進行進一步的研究。

本文以單位熱水凈發(fā)電量、熱效率、?效率和系統(tǒng)不可逆損失為性能指標，選取5種有機工質，通過數(shù)值計算，分析不同地熱流體溫度下這5種有機工質的做功能力以及熱效率等參數(shù)隨系統(tǒng)閃蒸溫度的變化，從而確定聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳循環(huán)工質。

1 有機工質的初選

由于閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的有機工質就是應用在其有機朗肯循環(huán)部分，故聯(lián)合系統(tǒng)有機工質選擇標準和單獨的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)相似，也應從以下幾個方面考慮[19]。

（1）環(huán)保性能。應盡量選用無臭氧破壞能力和溫室效應低的工質。

（2）化學穩(wěn)定性。保證有機工質在運行工況最高溫度下不分解。

（3）工質的安全性。應考慮選擇無毒性或毒性低以及不易燃易爆，對設備管道無腐蝕的流體。

（4）工質的臨界參數(shù)、正常沸點及凝固溫度。工質的臨界溫度不能太低，要高于運行中的最高溫度，同時工質的凝固溫度要小于循環(huán)中可能達到的最低溫度。

（5）工質的流動及換熱性能。一般盡量選用對流換熱系數(shù)高、黏度低的循環(huán)工質。

（6）價格、成本要求。工質價格應較低且容易購買到。

綜合考慮上述各種要求，并參考有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)有機工質的選擇情況[1,2,5,10]，選取如表1所示的幾種工質作為待選工質。這些工質的物性參數(shù)來自NIST提供的REFPROP9.0程序。

表1 所選工質的特性參數(shù)

2 閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

如圖1所示，閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電是將閃蒸器分離出的蒸汽用于推動汽輪機直接發(fā)電，剩下的飽和水則進入雙工質循環(huán)部分用來加熱有機工質，使之變?yōu)檎羝苿悠啓C進行發(fā)電，這種特殊的兩級能量轉換系統(tǒng)使得地熱水資源的熱能得到充分利用[20]。

由生產井通過深井泵抽出來的地熱水1先進入閃蒸器（亦稱降壓擴容器）降壓閃蒸，生產出一部分低壓飽和蒸汽2及飽和水5，然后蒸汽進入凝汽式汽輪發(fā)電機組將其熱能轉變?yōu)闄C械能及電能，殘留的飽和水5則進入雙工質循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)利用。圖2是與圖1對應的聯(lián)合系統(tǒng)中閃蒸發(fā)電部分的熱力循環(huán)圖；圖3是與圖1對應的雙工質循環(huán)發(fā)電部分熱力循環(huán)圖。

3 閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力計算模型

分別計算閃蒸系統(tǒng)和雙工質系統(tǒng)的各熱力學參數(shù)[21]，計算過程如式(1)～式(15)所述。

3.1 閃蒸循環(huán)

閃蒸循環(huán)的最佳閃蒸溫度

參考圖1及圖2，由閃蒸器的熱平衡計算如下。

圖1 閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

圖2 閃蒸發(fā)電系統(tǒng)熱力循環(huán)圖

圖3 雙工質系統(tǒng)熱力循環(huán)圖

閃蒸循環(huán)的蒸汽質量流量

閃蒸循環(huán)部分的產汽率

閃蒸電站機組的凈發(fā)電功率

閃蒸電站機組每噸熱水凈發(fā)電量Ne1

閃蒸電站機組的凈熱效率

3.2 雙工質循環(huán)

雙工質循環(huán)部分蒸發(fā)器的最佳蒸發(fā)溫度

由式(7)可以清楚地看出，雙工質循環(huán)的最佳蒸發(fā)溫度t8與閃蒸循環(huán)的最佳閃蒸溫度t2聯(lián)系密切，由最佳閃蒸溫度t2和冷凝溫度Tc2可以確定雙工質循環(huán)的最佳蒸發(fā)溫度t8。參見圖1和圖3，由換熱器的熱平衡公式計算出有機工質的質量流量。

雙工質循環(huán)電站機組的凈發(fā)電功率

雙工質循環(huán)電站機組每噸熱水凈發(fā)電量

雙工質循環(huán)電站凈熱5效率

聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電凈功率

聯(lián)合系統(tǒng)每噸熱水凈發(fā)電量

聯(lián)合系統(tǒng)各部分?效率如下。

閃蒸循環(huán)

雙工質循環(huán)

聯(lián)合系統(tǒng)總不可逆損失

4 各工質計算結果及其分析

為了解有機工質的選擇對閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的影響，選擇表1中所列舉的有機工質進行對比分析，其臨界溫度依次遞增。計算時熱水溫度范圍為100～150℃；熱水流量為36t/h；冷卻水進口溫度為15℃；傳熱溫差取Δtpp=5℃；聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學參數(shù)取單位熱水凈發(fā)電量最大時的數(shù)值；廠用電率取x=0.2；汽輪機相對內效率取εoi=0.76；機械效率取εm=0.98；發(fā)電機效率取εg=0.97；閃蒸循環(huán)部分采用直接冷卻的方式，雙工質循環(huán)部分采用間接冷卻方式。另外，忽略預熱器、蒸發(fā)器、冷凝器和管道中的壓力損失；忽略系統(tǒng)的摩擦損失和環(huán)境散熱損失。表2列出了熱水溫度100～150℃條件下，不同工質的熱力性能參數(shù)。

4.1 單位熱水凈發(fā)電量隨閃蒸溫度變化的影響

單位熱水凈發(fā)電量是評價有機工質做功能力的重要指標。圖4為熱水溫度在100～150℃范圍內，聯(lián)合系統(tǒng)單位熱水凈發(fā)電量隨閃蒸溫度變化的曲線。隨著閃蒸溫度的升高，閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量先增大后減小。當單位熱水凈發(fā)電量最大時，此時的閃蒸溫度就是聯(lián)合系統(tǒng)的最佳閃蒸溫度，并且隨著熱水溫度的升高，系統(tǒng)的最佳閃蒸溫度也不斷升高。從圖4中可以明顯看出，當熱水溫度在100～150℃時，在閃蒸溫度小于系統(tǒng)最佳閃蒸溫度時，5種工質的單位熱水凈發(fā)電量區(qū)別并不明顯；在閃蒸溫度大于系統(tǒng)最佳閃蒸溫度時，隨著熱水溫度的升高，5種工質的單位熱水凈發(fā)電量差距越來越明顯。這是由于閃蒸溫度較低時，系統(tǒng)發(fā)電量主要來自于閃蒸部分，隨著閃蒸溫度越來越高，雙工質發(fā)電部分地位才越來越凸顯。從圖中可以看出，當聯(lián)合系統(tǒng)采用最佳閃蒸溫度時，R236fa的單位熱水凈發(fā)電量最大，R600a次之，R601a的單位熱水凈發(fā)電量最小。

表2 不同熱水溫度條件下的性能參數(shù)

4.2 熱效率隨閃蒸溫度變化的影響

熱水進口溫度和流量不變時，由于閃蒸系統(tǒng)的熱效率由閃蒸溫度確定，所以閃蒸系統(tǒng)在閃蒸溫度相同時，采用不同工質的熱效率相同。這里只對雙工質系統(tǒng)的熱效率隨閃蒸溫度的變化進行研究。熱水進口溫度選為150℃，圖5表示出雙工質循環(huán)部分的熱效率隨著閃蒸溫度的變化情況。從圖5中可以看出，5種工質的熱效率都是隨著閃蒸溫度的提高而升高。其中，R601a和R245fa的熱效率最高，并且二者相差不大；R236fa的熱效率最低。

圖4 閃蒸溫度對單位熱水凈發(fā)電量的影響

圖5 閃蒸溫度對熱效率的影響

由于閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不同于單獨的閃蒸系統(tǒng)和雙工質系統(tǒng)，為了比較聯(lián)合系統(tǒng)選擇不同有機工質時的熱效率，以聯(lián)合系統(tǒng)的最大單位熱水凈發(fā)電量作為評價指標，對于每一種熱水進口溫度，系統(tǒng)都對應一個最佳的閃蒸溫度。圖6給出了熱水溫度為100～150℃時，在與熱水溫度對應的最佳閃蒸溫度下，聯(lián)合系統(tǒng)各部分熱效率的變化趨勢。從圖6可以看出，對于閃蒸系統(tǒng)，R601a的熱效率最高，R600次之，R236fa的熱效率最低，如熱水溫度為150℃時，在最佳閃蒸溫度條件下，R601a的熱效率為6.28%，R236fa的熱效率為6.0%；對于雙工質系統(tǒng)，R245fa的熱效率最高，R601a次之，R236fa的熱效率最差，如熱水溫度為150℃時，在最佳閃蒸溫度條件下，R245fa的熱效率為7.12%，R236fa的熱效率為6.98%。由此可見，不管是閃蒸系統(tǒng)還是雙工質系統(tǒng)，這5種工質的熱效率相差都不是很大。

4.3 ?效率隨熱水溫度變化的影響

?效率是基于熱力學第二定律得到的性能評價指標，更能夠反映出系統(tǒng)能量的利用程度。這里采用熱水溫度100～150℃，計算聯(lián)合系統(tǒng)在最佳閃蒸溫度條件下的?效率。從圖7可以看出，不管對于何種工質，聯(lián)合系統(tǒng)的?效率均隨熱水溫度的升高而升高。這是因為隨著熱水溫度的升高，輸入系統(tǒng)的?值增高，而閃蒸系統(tǒng)的凈輸出功增加比例小于系統(tǒng)?值增加比例，雙工質系統(tǒng)的凈輸出功增加比例大于?值增加比例，聯(lián)合系統(tǒng)總的凈輸出功增加比例大于系統(tǒng)?值增加比例。這也從側面說明，熱水溫度的升高更加有利于雙工質系統(tǒng)。對于聯(lián)合系統(tǒng)而言，R236fa的?效率最高，R601a的?效率最低。比如在熱水溫度為150℃時，R236fa的?效率比R601a高0.61%。

圖6 熱水溫度對熱效率的影響

圖7 熱水溫度對聯(lián)合系統(tǒng)?效率的影響

4.4 不可逆損失隨熱水溫度的變化

如圖8所示，對于同一工質，系統(tǒng)在最佳閃蒸溫度條件下，不可逆損失都是隨著熱水溫度的升高而升高。這是因為，隨著熱水溫度的升高，輸入系統(tǒng)的?數(shù)值越來越大，輸出系統(tǒng)的?數(shù)值基本變化不大，而系統(tǒng)減少的?本身不可能全部用來輸出為電能，而是消耗在系統(tǒng)中的不可逆過程造成的?損上，所以，整體上系統(tǒng)總的不可逆損失越來越大。從圖8可以看出，R601a的不可逆損失最小，R245a次之，R601a和R245fa的不可逆損失相差不大，R236fa的不可逆損失最大，其中在熱水溫度為150℃時，R236fa比R601a的不可逆損失高3.67%。

圖8 熱水溫度對系統(tǒng)不可逆損失的影響

5 結論

本文在閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的基礎上，為了能夠選出合適的有機工質，對經過初步篩選的5種有機工質（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a）進行對比研究，探討了每種工質用于聯(lián)合系統(tǒng)在單位熱水凈發(fā)電量、熱效率、?效率和不可逆損失方面的性能參數(shù)，得出如下結論。

（1）聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量隨著閃蒸溫度的增加呈先增大后減小的趨勢，每種工質都有一個最佳的閃蒸溫度使得聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量達到最大；隨著熱水溫度的升高，閃蒸系統(tǒng)?效率呈緩慢下降趨勢，雙工質系統(tǒng)?效率呈升高趨勢，系統(tǒng)總的?效率呈上升趨勢，說明熱水溫度的升高更加有利于雙工質系統(tǒng)。

（2）工質R236fa的單位熱水凈發(fā)電量最大，?效率最高，但是熱效率無論是在閃蒸系統(tǒng)，還是在雙工質系統(tǒng)，都是最低的，不可逆損失也最大，并且GWP值較高（為6300），環(huán)保性能不是很好；工質R601a的不可逆損失最小，但是?效率最低，單位熱水凈發(fā)電量也最小；R600a的單位熱水凈發(fā)電量和?效率都排在第2位，其熱效率在閃蒸系統(tǒng)和雙工質系統(tǒng)都較高，但是其不可逆損失也排在第2位；R245fa的各種性能都處于中間位置，并且與R600a的各方面性能差距不是很大；綜合考慮，R245fa具有良好的環(huán)境友好性與循環(huán)性能，適宜在閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中使用。

符號說明

e1—— 進入閃蒸器熱水?值，kJ/kg

e7—— 進入回灌井尾水?值，kJ/kg

h1—— 熱水質量焓，kJ/kg

h2—— 飽和蒸汽質量焓，kJ/kg

h3—— 閃蒸循環(huán)汽輪機出口蒸汽實際質量焓，kJ/kg

h4—— 閃蒸循環(huán)泠凝器出口冷凝水質量焓，kJ/kg

h5—— 閃蒸器出口飽和水質量焓，kJ/kg

h7—— 回灌尾水質量焓，kJ/kg

h8—— 雙工質循環(huán)汽輪機入口熱水質量焓，kJ/kg

h9—— 雙工質循環(huán)汽輪機出口有機工質蒸汽實際質量焓，kJ/kg

h11—— 工質泵入口工質質量焓，kJ/kg

h12——工質泵出口工質質量焓，kJ/kg

I——閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)總不可逆損失，kW

m——聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)閃蒸產氣率，%

Ne——閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)每噸熱水凈發(fā)電量，kW·h/t

Ne1——閃蒸系統(tǒng)每噸熱水凈發(fā)電量，kW·h/t

Ne2——雙工質系統(tǒng)每噸熱水凈發(fā)電量，kW·h/t

P8——蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力，Pa

P11——凝汽器冷凝壓力，Pa

qm——熱水質量流量，t/h

qm1——閃蒸器產生的蒸汽質量流量，t/h

qm0——有機工質質量流量，t/h

T1——地熱水開爾文溫度，K

T2——閃蒸循環(huán)的最佳閃蒸熱力學溫度，K

T5——蒸發(fā)器入口熱源側開熱力學溫度，K

T8——雙工質循環(huán)最佳蒸發(fā)熱力學溫度，K

Tc1——閃蒸循環(huán)的冷凝熱力學溫度，K

Tc2——雙工質循環(huán)的冷凝熱力學溫度，K

t1——地熱水溫度，℃

t2——閃蒸循環(huán)的最佳閃蒸溫度，℃

t8——雙工質循環(huán)最佳蒸發(fā)溫度，℃

Δtpp——傳熱溫差，℃

Wnet——閃蒸-雙工質聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電凈功率，kW

Wnet1——閃蒸循環(huán)凈輸出功率，kW

Wnet2——雙工質循環(huán)凈輸出功率，kW

wp——工質泵壓縮功，kJ/kg;

V11——冷凝工質的質量體積，m3/kg

x——廠用電率，%

εg——發(fā)電機效率，%

εm——機械效率，%

εoi——汽輪機相對內效率，%

εp——工質壓縮泵效率，%

ηe1——閃蒸系統(tǒng)電站?效率，%

ηe2——雙工質系統(tǒng)電站?效率，%

ηnet1——閃蒸系統(tǒng)電站凈熱效率，%

ηnet2——雙工質系統(tǒng)電站凈熱效率，%

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Thermal performance comparison of flash-binary power system

LUO Ke1，2，3，LUO Chao1，2，GONG Yulie1，2
（1Key Laboratory of Renewable Energy，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，Guangdong，China；3University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

To select a suitable working fluid for flash-binary power system（FBPS），a thermodynamic model for FBPS was established. In this calculation，the heat source temperature of the FBPS is 100—150℃ with a flow rate of 36t/h and cooling water inlet temperature is 15℃. Five organic working fluids（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a） were selected to analyze their work capacity based on the performance index of net power output per ton of geofluid，thermal efficiency，exergy efficiency and irreversible loss of the system. Finally，the best working fluid was determined. Results showed that the net power output of FBPS increases with the increase of flash temperature and then decreases. Each working fluid has an optimum flash temperature which makes the net power output to be maximum. Taking environmental and thermodynamic performance into consideration，R245fa is the best working fluid for the flash-binary power system.

flash-binary power system；working fluid selection；optimal flash temperature；thermal efficiency；exergy efficiency

TK529

A

1000–6613（2017）04–1521–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.048

2016-09-08；修改稿日期：2016-10-28。

國家自然科學基金（5140060664）及廣東省科技計劃（2014A020223001）項目。

羅珂（1988—），男，碩士研究生，主要從事地熱能利用方面的研究。E-mail：luoke@ms.giec.ac.cn。聯(lián)系人：龔宇烈，博士，研究員，主要從事地熱發(fā)電和地熱綜合利用方面的研究。E-mail：gongyl@ ms.giec.ac.cn。