中低溫熱水發電系統及效率分析

和 婷

（云南農業大學 機電工程學院，云南 昆明 650201）

目前，中低溫熱水資源來越受到人們的重視，利用中低溫熱水資源發電通常采用有機朗肯循環系統，它以低沸點有機物為循環工質，充分利用低溫熱源實現朗肯循環發電。該技術在地熱能和生物質能領域的應用已經成熟，而在工業廢熱的利用上將得到很大的發展。在地熱能領域，一般將高于150℃的地熱資源稱為高溫地熱資源， 高于90℃-150℃的為中溫地熱資源， 低于90℃的為低溫地熱資源。

1 ORC循環發電系統

1.1 ORC系統的特點

在中低溫熱能的利用中，有機朗肯循環和水蒸汽朗肯循環相比，有很多優點。

（1）ORC以低沸點有機物為循環工質，不需要軟水系統、除氧器等輔助設備，系統構成簡單；（2）ORC的蒸發壓力高，透平所需的通流面積小，尺寸小；系統冷端一般處于壓力大于外界大氣壓的正壓狀態，不需要設置保持真空度的設施；（3）ORC循環顯熱∕潛熱比例大，可以更多地吸收低溫熱量，提高透平的輸出功和熱源的利用率；（4）ORC循環中，工質在透平中的膨脹是一個工質“變得更加干燥”的過程，因而工質蒸氣在進入透平前不需要過熱。

1.2 ORC系統的循環工質

有機朗肯循環工質的選擇，需要從環境效應、熱力性能、經濟性等多方面綜合考慮。工質的環保性能要好，應滿足具有較低的臭氧破壞性（ODP）和溫室效應值（GWP）。除此之外，還應滿足兩個主要條件。

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

1.3 ORC系統的循環參數

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

2 ORC循環發電系統效率分析

確定了循環的工質以及最佳循環參數以后，可得出單位質量熱流體的最大凈發電量，并確定循環效率。循環效率的分析可通過兩個方法進行。

（1）熱力學第一定律從量的角度對熱力循環系統的性能進行評價，指標為循環熱效率。（2）熱力學第二定律從做功能力的角度對熱力循環系統的性能進行評價，不可逆損失反映了系統中各個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ORC循環的做功能力損失。

3 中低溫熱水ORC循環發電系統效率計算及分析

在建立了ORC系統熱力計算模型后，利用美國的NIST實驗室開發的物性軟件RefProp 7.0，以Matlab軟件為計算工具，分別對以R123、R134a和R245fa為循環工質、熱源為80~150℃且流量為1Kg/s的熱水的有機朗肯循環ORC發電系統進行計算。計算中各已知參數如下：

環境溫度為20℃，蒸發器和冷凝器的最小傳熱溫差為5℃，蒸發器效率0.98，渦輪機效率0.78、機械效率0.98、發電機效率0.92、循環泵的效率0.6、電動機效率0.88，熱流體泵的效率0.7、揚程20m、對應的發電機效率0.88，冷卻水泵的效率0.75、揚程20m、對應的發電機效率0.88。預取冷卻水溫升5℃，則冷凝溫度為30℃。

圖1 不同熱水溫度下三種工質系統的不可逆損失

圖2 不同熱水溫度下三種工質系統的熱力學第二定律熱效率

本文用熱力學第二定律進行效率分析，做功能力損失及?效率的計算如下：

工質泵：IP=mT0（S4-S3）

蒸發器：IV=mT0[S1- S4-（h1-h4）/TH]

渦輪機：IT= mT0（S2-S1）

冷凝器：IC= mT0[S3-S2-（ h3-h2）/TL]

整個系統：

熱力學第二定律熱效率（?效率）為：

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

在系統中，有限溫差傳熱、渦輪機和循環泵中都存在不可逆損失。圖1是熱水初溫度不同時三種工質系統的不可逆損失，大小為：R134a＞R123＞R245fa。熱水初溫度升高，換熱溫差增大，循環工質流量增大，各環節的不可逆損失都增大。在以R134a為工質的系統中，當熱水溫度大于120℃時，出現循環工質流量的較大幅度增長，冷凝器中的損失大大增加，因而出現系統不可逆損失的大幅度增長。

熱力學第二定律熱效率是衡量循環過程在能量轉換方面完善程度的指標，又稱?效率。圖2是熱水初溫度不同時三種工質系統的熱力學第二定律熱效率，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為工質的系統中，當熱水溫度大于120℃時，不可逆損失的大幅度增長帶來的負面影響超出了發電功率的增長帶來的正面影響，導致系統效率降低。

結語

有機朗肯循環在中低溫熱能的領域中占有優勢，利用ORC循環系統時，要選用顯熱大的干性工質，在最佳的參數下運行，方能獲得較高的效率。在本文所選用的三個工質中，干流體R245fa為較理想的循環工質。

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