基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環性能研究

秦亞琦，王重陽

基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環性能研究

秦亞琦1，王重陽2

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.中國中元國際工程有限公司，北京100089）

以利用中高溫熱源的雙級有機朗肯循環系統為研究對象，選取R141b-R245fa、n-pentane-R600和isopentane-R114分別作為雙級有機朗肯循環系統的工質，一級循環采用超臨界循環，二級循環采用亞臨界循環，研究分析了系統的熱效率、效率、各級工質質量流量、煙氣出口溫度、凈輸出功等參數的變化情況。研究發現：在一級蒸發壓力增大的過程中，采用n-pentane-R600、isopentane-R114的循環系統的熱效率與效率均先增大后減小、凈輸出功則一直減小，采用R141b-R245fa的循環系統的熱效率和效率則一直保持增大的趨勢；所選取的三個系統中一級循環與二級循環中的工質均隨一級蒸發壓力的變化而發生變化，但變化幅度均不大；系統的煙氣出口溫度普遍偏高，系統性能具有進一步提高的潛力。

雙級有機朗肯循環；超臨界；亞臨界；熱力學性能D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.003

0 引言

隨著能源危機的日趨加重，節能減排得到了越來越多的重視[1,2]。針對目前存在大量的低品位熱能未能得到合理有效的開發利用，國內外學者開展了大量的研究[3-5]。在眾多的地品位能源開放利用途徑中，有機朗肯循環由于其設備簡單、適用性強等優點，引起了人們的日益關注[6-9]。

在利用有機朗肯循環進行開發低品位能源過程中，根據“梯級開發、多級利用”的原則，中高溫熱源的開發利用多采用與熱源進行多種形式的結合，以形成聯合循環，提高系統的能源利用效率和整體性能。趙巍等[10]巧妙地利用回熱器構建了由微型燃氣輪機與有機朗肯循環相結合的聯合循環，并分析了循環增壓比、最高溫度、回熱度和環境溫度等因素對該聯合循環的熱效率的影響。何茂剛等[11]根據車用發動機的潤滑油、冷卻水和廢氣等的溫度特點，提出了一種新型的聯合循環系統進行余熱回收，在此系統中，有機朗肯循環回收溫度較高的廢氣和潤滑油的余熱，卡琳娜循環則回收冷卻水的余熱，并且兩個循環之間通過高低溫換熱器進行熱交換，同時利用P-R狀態方程對利用不同工質的聯合循環進行熱力學性能分析，并通過實驗進行驗證。M．K ane等[12]提出了一種與太陽能相結合的聯合循環，該循環中包含了太陽能集熱器、復迭式有機朗肯循環和柴油內燃機，并對此聯合循環進行了熱力學分析，指出其適用的范圍及優點。2005年，寶馬公司[13]就首次提出了在汽車中利用D O RC的概念，利用渦輪蒸汽機與1.8L四缸發動機組合形成的聯合循環，使得排煙溫度由700℃降低至100℃，燃料消耗減少了15%以上，該聯合循環一級循環與二級循環均采用的是亞臨界循環。

目前聯合循環多側重于與熱源的多形式相結合，雖然大大提升了系統的能源利用效率，但是增加了系統的復雜性，給系統的高效運行帶來了極大的挑戰，而聯合循環中多采用亞臨界循環與亞臨界循環相結合的形式。基于上述現象，本文采用形式較為簡單的雙級有機朗肯循環作為研究對象，對此雙級有機朗肯循環系統的性能進行分析研究，系統所選取的熱源為623.15K的煙氣，水作為二級循環的冷卻劑，雙級循環中一級采用超臨界循環，二級采用亞臨界循環，分別選取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600和isopentane-R 114作為雙級有機朗肯循環系統的一級、二級循環的工質。

圖1 雙級有機朗肯循環系統圖

圖2 雙級有機朗肯循環的溫熵圖

1 系統模型

1.1 系統簡述

所選取的研究系統為雙級有機朗肯循環系統，其裝置流程圖如圖1所示。雙級有機朗肯循環一級采用超臨界有機朗肯循環，二級循環采用亞臨界有機朗肯循環，系統工作流程如下：煙氣由A進入一級循環的蒸發器，對一級循環的工質進行加熱，然后煙氣從B出口進入二級循環的再熱器，最后從C排入空氣；一級循環中的工質在蒸發器被煙氣加熱后從3點進入透平機膨脹做功，從透平機排出的乏汽進入熱交換器，對二級循環的工質進行預熱，一級循化的工質被冷凝成飽和液狀態，進入泵升壓，再次進入蒸發器繼續下一個一級循環；二級循環的工質在熱交換器中被一級循環中工質加熱，然后進入再熱器被煙氣加熱至飽和氣狀態，飽和蒸汽進入透平機膨脹做功，膨脹后的乏汽進入冷凝器被冷卻水冷凝，然后進入泵升壓，再次進入預熱器，繼續下一次循環。一級循環和二級循環通過熱交換器4-5-7-8來通過耦合進行熱量交換，煙氣高溫段對一級循環進行加熱，低溫段對二級循環進行加熱。

圖1與圖2中，A、B、C點分別代表雙級有機朗肯循環中熱源側的進出口，F、G點分別代表冷源側的進出口，1、1s、3、4、4s、5點分別代表一級循環的工質在高溫一級循環中各狀態點，7、7s、8、9、10、10s、11點分別代表二級循環的工質在低溫二級循環中的各狀態點。

1.2 系統模型

為方便計算和分析，對系統做以下假設和簡化：1）忽略系統各個部件及管道中熱量損失；2）工質在整個循環系統的流動為穩定狀態，整個系統處于穩態；3）忽略流體的機械能，包括重力勢能和動能；4）換熱器部件的壓力損失假定為固定值。選取的雙級有機朗肯循環的T-s圖如圖2所示，系統穩定運行時各個過程的能量關系及熱力學關系如下：

一級循環采用跨臨界有機朗肯循環，在蒸發器中工質被熱源加熱，從過冷狀態點7經歷超臨界過程至過熱蒸汽點3，在此過程中，工質與熱源發生的熱交換過程為：

式中mhs—熱源質量流量，kg/s；

mwf1—一級循環工質的質量流量，kg/s；

hA，hB—分別為熱源在一級循環中蒸發器的進、出口的焓值；

h3，h1—分別為一級循環中工質在蒸發器中的進、出口的焓值，kJ/kg。

在此過程中，超臨界循環的部分參數的確定需要利用夾點溫差進行迭代來確定。

一級循環的工質在蒸發器中吸熱被加熱至3點，然后進入透平機膨脹做功，一級循環輸出功為：

式中wt1—一級循環通過透平機對外輸出功，W；

h4，h4s—分別為一級循環中工質經歷等熵膨脹過程和實際過程后的出口焓值，kJ/kg；

ηt—一級循環中透平機的絕熱系數，%。

一級循環中工質處于超臨界壓力情況下吸熱，被加熱終點3點的溫度為：

式中T3—3點的工質溫度，K；

Tcriwf1—一級循環中工質的臨界溫度，K。

一級循環與二級循環通過熱交換器4-5-7-8耦合進行熱交換，利用一級循環中的工質放熱來對二級循環中工質進行預熱，中的工質冷卻至飽和液狀態5點，進入工質泵升壓，消耗的泵功為：

式中wp1—一級循環系統消耗的泵功，W；

h1，h1s，h5—分別為一級循環中各點的工質焓值，kJ/kg；

ηp—一級循環系統中泵的絕熱效率，%。

二級循環中的工質利用一級循環中工質的冷凝過程4-5-7-8放出的熱量來進行預熱，此過程中的能量關系如下：

式中mwf2—二級循環中工質的質量流量，kg/s；

h7，h8—分別為二級循環中工質在預熱器進、出口的焓值，kJ/kg。

在二級循環系統再熱器中，工質再熱過程8-9則由熱源低溫段來進行繼續加熱，此過程的能量關系如下：

式中hB，hC—分別為熱源在二級循環中再熱器進出口焓值，kJ/kg；

h9—二級循環再熱器出口工質焓值，kJ/kg。

二級循環中工質被熱源低溫段加熱至飽和蒸汽狀態，然后后進入透平機膨脹做功，對外輸出功為：

式中wt2—二級循環通過透平機對外輸出功，W；

ηt—二級循環系統透平機的絕熱效率，%；

h10s，h10—分別為二級循環中透平機工質絕熱膨脹和實際過程中的出口焓值，kJ/kg。

二級循環工質經過泵升壓過程11-7消耗泵功為：

式中wp2—二級循環中工質升壓消耗的泵功，W；

h11—二級循環中工質泵進口焓值，kJ/kg；

h7s，h7—分別為二級循環工質等熵壓縮和實際壓縮壓縮過程的出口焓值，kJ/kg。

二級循環中工質被外界冷卻水冷凝，在此冷凝過程中能量的關系為：

式中mcw—冷卻水的質量流量，kg/s；

hG，hF—分別為冷卻水進、出口焓值，kJ/kg；

h10，h11—分別為二級循環中工質在冷凝過程中進、出口焓值，kJ/kg。

在此雙級有機朗肯循環系統對外輸出的功為：

系統消耗總泵功為：

系統對外輸出凈功為：

式中wt—雙級有機朗肯循環系統對外輸出總功，W；

wp—系統消耗總泵功，W；

wnet—系統對外輸出總凈功，W；

wΔp—系統中因換熱器壓損消耗的系統功，W。循環系統的熱效率為：

循環系統的炬用效率為：

1.3 邊界條件

根據上述模型，選取623.15K的煙氣作為雙級有機朗肯循環的熱源，選取冷卻水作為二級循環的冷卻劑，一級循環采用超臨界循環，二級循環采用亞臨界循環，所選取的具體邊界條件見表1。有機朗肯循環中，工質對系統性能的提升和系統優化至關重要，在工質的選取過程中，需要考慮到工質與熱源的適配性、熱力學性能、經濟性、安全環保等多種因素[8，14-16]，綜合多方面考慮分別選取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600、isopentane-R 114進行研究，各工質的具體相關物性見表2。

表1 雙級有機朗肯循環的系統邊界條件

表2 雙級循環系統所選工質

2 模擬結果與分析

根據上述雙級有機朗肯循環的熱力學模型，以一級循環蒸發壓力為自變量，分析研究雙級有機朗肯循環系統的性能變化。

圖3所示為雙級有機朗肯循環系統的熱效率隨一級循環蒸發壓力的變化情況。從圖中可以發現，當一級循環的蒸發壓力一直增大時，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的雙級循環的系統熱效率先增大后減小，而采用R 141b-R 245fa為工質的雙級循環系統的熱效率則一直增大。在一級蒸發壓力增大的過程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的系統熱量效率最大值分別為22.24%、20.45%。總體上，三個雙級循環的系統熱效率呈現n-pentane-R 600的熱效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。雖然，三個雙級循環系統的熱效率呈現依次減小的規律，但是均維持在20%。

雙級有機朗肯循環系統的炬用效率隨一級蒸發壓力的變化規律如圖4所示。根據圖所示，隨著一級蒸發壓力的增大，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的系統炬用效率先增大后減小，而采用R 141b-R 245fa的系統炬用效率則為一直增大。總體上，三個雙級循環系統的炬用效率呈依次減小的規律，n-pentane-R 600的炬用效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。系統的熱效率和炬用效率均呈現類似的現象，有可能與一級蒸發壓力增大引起系統消耗泵功增大和煙氣出口溫度升高有關。

圖5表示為各級循環的工質質量流量隨一級系統蒸發壓力的變化關系。在三個雙級循環中，一級循環中的工質質量流量均隨一級蒸發壓力的增大而增大，而二級循環中的工質質量流量則呈現不一致的變化，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114循環的二級循環工質均先減小后小幅度地增大，采用R 141b-R 245fa的雙級循環系統的二級工質質量流量則一直減小。

圖3 系統熱效率隨一級蒸發壓力的變化關系

圖4 系統炬用效率隨一級蒸發壓力的變化關系

圖5 各級循環的工質質量流量隨一級蒸發壓力的變化關系

圖6 煙氣出口溫度隨一級蒸發壓力的變化關系

圖7系統凈輸出功隨一級蒸發壓力的變化關系

圖6 表示為煙氣最終出口處的溫度隨一級蒸發壓力的變化關系。在三個雙級有機朗肯循環系統，煙氣出口溫度均隨一級蒸發壓力的增大而增大，且采用n-pentane-R 600的煙氣出口溫度最大，R 141b-R 245fa次之，isopentane-R 114最小。但是煙氣出口的溫度仍比回收低溫熱源的有機朗肯循環系統的煙氣出口溫度高，此系統仍具有繼續優化提高循環性能的潛力。

圖7表示為系統凈輸出功與一級蒸發壓力之間的變化關系。從圖上可以看出，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的雙級循環的系統凈輸出功變化較大，且隨著系統蒸發壓力的增大一直減小，而采用R 141b-R 245fa的循環的系統凈輸出功變化較小，基本維持在475kW左右。對于采用R 141b-R 245fa的雙級循環系統，其系統的凈輸出功基本上維持不變，可以根據其他的優化目標來進行進一步優化。

3 結語

通過對基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環系統進行研究，分析了系統的熱效率、炬用效率、各級循環中的工質質量流量、煙氣出口溫度、凈輸出功等的變化情況，得出以下結論：

（1）在一級蒸發壓力增大的過程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114為工質的雙級循環的系統熱效率與炬用效率均先增大后減小，系統的凈輸出功則一直減小。采用R 141b-R 245fa的循環系統的熱效率和炬用效率隨著一級蒸發壓力的增大而增大。

（2）三個循環系統一級循環與二級循環中的工質質量流量均隨一級蒸發壓力的增大而發生變化，但均在一個很小的幅度內發生變化。

（3）三個循環系統的煙氣出口溫度均較高，其中采用isopentane-R 114的循環煙氣出口溫度最低時為380K，仍具有繼續進行系統優化提高循環系統性能的潛力。

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修回日期：2017-01-22

加快特高壓建設消納富余水電

截至2016年底，四川水電裝機突破7000萬千瓦，約占全國的1/5，已成為全國重要的清潔能源基地。但是，我省電力供應已從“豐余枯缺”轉變為“豐裕枯余”，清潔能源得不到有效利用。對此，四川代表團以集體名義建議，推進四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程建設，盡快開工，以消納我省富余的水電。

建議提出，當前我省電力供應已從“豐余枯缺”快速轉變為“豐裕枯余”，同時棄水電量逐年增加。據統計，2014年、2015年我省豐水期棄水電量分別為96.7億、102億千瓦時，去年1至10月棄水電量達141億千瓦時，預計2020年棄水電量將達到約600億千瓦時。“如此下去，會導致我省大量水電清潔能源將得不到有效利用，造成巨大浪費。目前，我省急需建設新的水電外送輸電工程，解決水電棄水問題。”全國人大代表、國網四川省電力公司副總經理褚艷芳表示。

國家發改委、國家能源局印發的電力發展“十三五”規劃明確提出，四川第四回特高壓直流通道在“十三五”期間建成投產，但未對落點進行明確。對此，四川代表團集體建議，國家有關部門加快四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程的前期工作進度，明確項目落點，盡快核準項目，爭取早日開工建設。同時，提前啟動后續特高壓交直流工程的前期工作，保障遠期四川水電外送的需要。據介紹，四川水電外送第四回特高壓直流輸電工程預計每年可增加外送水電超過400億千瓦時，是解決四川棄水問題的關鍵。

（摘自“北極星電力網”）

Performance Analysis of Dual-loop Organic Rankine Cycle Based on Middle-High Temperature as Heat Source

QIN Ya-qi1，WANG Chong-yang2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.China IPPR International Engineering Co.，Ltd，Beijing 100089，China）

The Dual-loop O rganic Rankine Cycle（DO RC）system based on m iddle-high tem perature as heatsource is analyzed，and the therm alefficiency，exergy efficiency，m ass flow rate ofworking fluids，the outlettem perature offlue gas, the netoutputpow er ofthe system are studied and in this paper.R 141b-R 245fa,n-pentane-R 600 and isopentane-R 114 w ere respectively selected as working fluids of DO RC.The supercriticalcycle is used in high tem perature loop（H T），and subcriticalcycle in low tem perature loop（LT）.The research results show that:with the increasing ofthe H T evaporating pressure，for the system using n-pentane-R 600 and isopentane-R 114，the therm alefficiency and exergy efficiency firstly increase and then decrease，the netoutputpowerkeep reducing，while the therm alefficiency and the exergy efficiency keep increasing ofthe system using R 141b-R 245fa；orthree D OR C system s the m ass flow rate ofthe working fluids changes in a very sm all range over the H T evaporating pressure;the system has the potential to further im prove because of the high tem perature ofthe flue gasoutlet.

SOR C；supercritical cycle；subcritical cycle；therm odynam ic properties

TK 1

B

2095-3429（2017）01-0011-06

2016-12-01

秦亞琦（1987-），男，河南漯河人，碩士，主要從事低碳技術及政策研究。