中低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)及效率分析

和 婷

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650201）

目前，中低溫?zé)崴Y源來越受到人們的重視，利用中低溫?zé)崴Y源發(fā)電通常采用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，它以低沸點(diǎn)有機(jī)物為循環(huán)工質(zhì)，充分利用低溫?zé)嵩磳?shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)發(fā)電。該技術(shù)在地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成熟，而在工業(yè)廢熱的利用上將得到很大的發(fā)展。在地?zé)崮茴I(lǐng)域，一般將高于150℃的地?zé)豳Y源稱為高溫地?zé)豳Y源， 高于90℃-150℃的為中溫地?zé)豳Y源， 低于90℃的為低溫地?zé)豳Y源。

1 ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 ORC系統(tǒng)的特點(diǎn)

在中低溫?zé)崮艿睦弥校袡C(jī)朗肯循環(huán)和水蒸汽朗肯循環(huán)相比，有很多優(yōu)點(diǎn)。

（1）ORC以低沸點(diǎn)有機(jī)物為循環(huán)工質(zhì)，不需要軟水系統(tǒng)、除氧器等輔助設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成簡單；（2）ORC的蒸發(fā)壓力高，透平所需的通流面積小，尺寸小；系統(tǒng)冷端一般處于壓力大于外界大氣壓的正壓狀態(tài)，不需要設(shè)置保持真空度的設(shè)施；（3）ORC循環(huán)顯熱∕潛熱比例大，可以更多地吸收低溫?zé)崃浚岣咄钙降妮敵龉蜔嵩吹睦寐剩唬?）ORC循環(huán)中，工質(zhì)在透平中的膨脹是一個(gè)工質(zhì)“變得更加干燥”的過程，因而工質(zhì)蒸氣在進(jìn)入透平前不需要過熱。

1.2 ORC系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)

有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇，需要從環(huán)境效應(yīng)、熱力性能、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮。工質(zhì)的環(huán)保性能要好，應(yīng)滿足具有較低的臭氧破壞性（ODP）和溫室效應(yīng)值（GWP）。除此之外，還應(yīng)滿足兩個(gè)主要條件。

（1）潛熱小、顯熱大的工質(zhì)，即在循環(huán)T—s圖中，過程應(yīng)接近表示可用能大小的三角形；（2）干工質(zhì)（飽和蒸汽線的斜率dT /ds>0）或者絕熱工質(zhì)（dT /ds→±∞），以保證工質(zhì)在膨脹終點(diǎn)有合適的干度。

1.3 ORC系統(tǒng)的循環(huán)參數(shù)

給定了熱源溫度、流量等條件后，確定循環(huán)系統(tǒng)的熱力參數(shù)，主要在于確定工質(zhì)的蒸發(fā)溫度及冷凝溫度。工質(zhì)的冷凝溫度一般變化不大，蒸發(fā)溫度對循環(huán)影響較大：冷凝溫度確定后，蒸發(fā)溫度越高，工質(zhì)在透平中的焓降越大，則單位流量工質(zhì)的做功能力越大；但是隨著蒸發(fā)溫度的升高，工質(zhì)從熱源得到的熱量減少，導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)流量的減少，超過某一值將造成裝置總功率的減少。因此，存在一個(gè)最佳蒸發(fā)溫度，得到“提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度”和“增大循環(huán)工質(zhì)流量”二者的最佳分配，對應(yīng)系統(tǒng)的最大凈輸出功。

2 ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率分析

確定了循環(huán)的工質(zhì)以及最佳循環(huán)參數(shù)以后，可得出單位質(zhì)量熱流體的最大凈發(fā)電量，并確定循環(huán)效率。循環(huán)效率的分析可通過兩個(gè)方法進(jìn)行。

（1）熱力學(xué)第一定律從量的角度對熱力循環(huán)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，指標(biāo)為循環(huán)熱效率。（2）熱力學(xué)第二定律從做功能力的角度對熱力循環(huán)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，不可逆損失反映了系統(tǒng)中各個(gè)裝置由于不可逆因素而引起的作功能力損失，其總和為整個(gè)ORC循環(huán)的做功能力損失。

3 中低溫?zé)崴甇RC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)效率計(jì)算及分析

在建立了ORC系統(tǒng)熱力計(jì)算模型后，利用美國的NIST實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的物性軟件RefProp 7.0，以Matlab軟件為計(jì)算工具，分別對以R123、R134a和R245fa為循環(huán)工質(zhì)、熱源為80~150℃且流量為1Kg/s的熱水的有機(jī)朗肯循環(huán)ORC發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中各已知參數(shù)如下：

環(huán)境溫度為20℃，蒸發(fā)器和冷凝器的最小傳熱溫差為5℃，蒸發(fā)器效率0.98，渦輪機(jī)效率0.78、機(jī)械效率0.98、發(fā)電機(jī)效率0.92、循環(huán)泵的效率0.6、電動(dòng)機(jī)效率0.88，熱流體泵的效率0.7、揚(yáng)程20m、對應(yīng)的發(fā)電機(jī)效率0.88，冷卻水泵的效率0.75、揚(yáng)程20m、對應(yīng)的發(fā)電機(jī)效率0.88。預(yù)取冷卻水溫升5℃，則冷凝溫度為30℃。

圖1 不同熱水溫度下三種工質(zhì)系統(tǒng)的不可逆損失

圖2 不同熱水溫度下三種工質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律熱效率

本文用熱力學(xué)第二定律進(jìn)行效率分析，做功能力損失及?效率的計(jì)算如下：

工質(zhì)泵：IP=mT0（S4-S3）

蒸發(fā)器：IV=mT0[S1- S4-（h1-h4）/TH]

渦輪機(jī)：IT= mT0（S2-S1）

冷凝器：IC= mT0[S3-S2-（ h3-h2）/TL]

整個(gè)系統(tǒng)：

熱力學(xué)第二定律熱效率（?效率）為：

首先分析計(jì)算出各個(gè)工質(zhì)在不同的熱流體溫度下對應(yīng)的最佳蒸發(fā)溫度：干性工質(zhì)R123和R245fa始終存在最佳蒸發(fā)溫度；而濕流體R134a，在熱流體溫度高于115℃時(shí)，不存在最佳蒸發(fā)溫度，此時(shí)，根據(jù)情況，可選取接近臨界溫度的某一值作為蒸發(fā)溫度，本文選取98℃。

在系統(tǒng)中，有限溫差傳熱、渦輪機(jī)和循環(huán)泵中都存在不可逆損失。圖1是熱水初溫度不同時(shí)三種工質(zhì)系統(tǒng)的不可逆損失，大小為：R134a＞R123＞R245fa。熱水初溫度升高，換熱溫差增大，循環(huán)工質(zhì)流量增大，各環(huán)節(jié)的不可逆損失都增大。在以R134a為工質(zhì)的系統(tǒng)中，當(dāng)熱水溫度大于120℃時(shí)，出現(xiàn)循環(huán)工質(zhì)流量的較大幅度增長，冷凝器中的損失大大增加，因而出現(xiàn)系統(tǒng)不可逆損失的大幅度增長。

熱力學(xué)第二定律熱效率是衡量循環(huán)過程在能量轉(zhuǎn)換方面完善程度的指標(biāo)，又稱?效率。圖2是熱水初溫度不同時(shí)三種工質(zhì)系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律熱效率，不可逆損失越大，?效率越低：R245fa＞R123＞R134a。不可逆損失隨著熱水溫度的升高而增大，但發(fā)電功率的增長幅度更大，效率仍呈增長的趨勢。但在以R134a為工質(zhì)的系統(tǒng)中，當(dāng)熱水溫度大于120℃時(shí)，不可逆損失的大幅度增長帶來的負(fù)面影響超出了發(fā)電功率的增長帶來的正面影響，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

結(jié)語

有機(jī)朗肯循環(huán)在中低溫?zé)崮艿念I(lǐng)域中占有優(yōu)勢，利用ORC循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，要選用顯熱大的干性工質(zhì)，在最佳的參數(shù)下運(yùn)行，方能獲得較高的效率。在本文所選用的三個(gè)工質(zhì)中，干流體R245fa為較理想的循環(huán)工質(zhì)。

[1]Bertrand F. Tchanche， Gr.Lambrinos， A. Frangoudakis， G.Papadakis. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles-A review of various applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 （2011）.

[2]劉紀(jì)福，白榮春，山本格.使用余熱回收和利用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[3]和婷，張光.中低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)和工質(zhì)的選擇[J].節(jié)能技術(shù)，2012， 30（06）：512-515.