黎永盛
(廣東理工學院,廣東 肇慶 526000)
自從能源危機發(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。在西部偏遠地方實行雪能發(fā)電不僅可以解決當?shù)赜秒妴栴},而且可以降低運輸電力的成本。
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熱源驅(qū)動發(fā)電技術,已在地熱、太陽能和工業(yè)余熱發(fā)電領域得到了一定應用,然而在現(xiàn)有文獻中,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,主要設備包括蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪機、水輪機、發(fā)電機等。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,沖擊汽輪機并帶動其轉(zhuǎn)動,從而帶動發(fā)電機,最后乏氣到達冷凝器,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,將水的勢能轉(zhuǎn)換成驅(qū)使機械旋轉(zhuǎn)的機械能,發(fā)電機再將機械能轉(zhuǎn)換成電能輸出。
圖1 循環(huán)原理圖
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)字對應過程與圖1對應,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,帶動汽輪機葉片轉(zhuǎn)動,從而帶動發(fā)電機發(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的下標與圖1對應。
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)。
汽輪機是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成軸旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械,其為溫差能發(fā)電的關鍵設備,汽輪機進口工質(zhì)的狀態(tài)為飽和狀態(tài)或過飽和狀態(tài),汽輪機內(nèi)部進行的是不可逆絕熱膨脹過程[4]。汽輪機做功方程為:
式中:WT為汽輪機的功率(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)。
當雪融化成水,通過管子從高山流下,沖擊水輪機時,重力勢能轉(zhuǎn)化成機械能,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為高山到水輪機的高度差(m)。
循環(huán)效率是檢測循環(huán)系統(tǒng)性能的重要指標,而汽輪機進口蒸汽壓力又是影響循環(huán)熱效率的一個關鍵因素[5]。氣體在汽輪機中做的功與氣體的進口壓力密切相關。
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)果進行了比較分析。
圖3 循環(huán)熱效率與汽輪機壓力的關系
分析可得,在其他條件不變的情況下,當進口蒸汽壓力低于0.85 MPa時,循環(huán)熱效率隨著汽輪機進口蒸汽壓力的升高而升高;當進口蒸汽壓力高于0.85 MPa時,循環(huán)熱效率隨著壓力的增加開始下降。這是因為當汽輪機進口氣體壓力小于0.85 MPa時,隨著汽輪機進口氣體壓力的增大,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,最適進口蒸汽壓力為0.85 MPa。
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,應該嚴格滿足以下條件:
(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)化學穩(wěn)定性。有機流體在高溫高壓下會分解,對設備材料產(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)的相關物性參數(shù)如表1所示。
有機工質(zhì)熱物性影響有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)特性,而有機工質(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,可用作有機朗肯循環(huán)的工質(zhì)。
表1 常用工質(zhì)的物性參數(shù)
本文以熱力學原理為基礎,對雪能溫差系統(tǒng)進行分析,得到以下結(jié)論:
(1)在其他條件不變的情況下,當進口蒸汽壓力低于0.85 MPa時,循環(huán)熱效率隨著壓力的升高而升高;當進口蒸汽壓力高于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)關鍵設備熱力分析可知,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,可選取R236ea、R245fa。