核動力用有機郎肯循環性能分析及優化

婁聚偉 廖先偉 張曉玉 李瑋瑋 梁鐵波

摘 要

基于簡單有機郎肯循環，依據低溫核反應堆溫度及功率特性，構建了帶有回熱器的有機郎肯循環系統，研究了循環系統性能并對混合工質濃度、透平進口壓力、冷卻水溫度三個關鍵參數進行分析，采用GA優化算法對三個關鍵參數進行優化得到循環系統最佳性能參數。結果表明：回熱器可以大幅提升循環系統熱效率;循環系統熱效率與透平進口溫度正相關，與冷卻水溫度負相關;GA優化結果顯示R152a/R601a和R601a/R290兩種混合工質較高熱效率，分別達到23.58%和23.77%。

關鍵詞

有機郎肯循環;混合工質;參數分析;GA優化

中圖分類號： TL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 63

Abstract

The Organic Rankine cycle （ORC） system with regenerator model based on simple ORC system is established. The system performance as well as three key parameters including mixture concentration， turbine inlet pressure and cooling water temperature are analyzed in detail. In order to get highest thermal efficiency， the mentioned parameters is optimized by GA. The results show that system performance is improved with the regenerator and it is positively with turbine inlet pressure， whereas negatively with cooling water temperature. The optimization results show that ORC system using R152a/R600a and R601a/R290 as working fluid has high thermal efficiency of 23.25% and 23.77%， respectively.

Key words

Organic Rankine cycle; Mixture fluid; Parameters analysis; GA

0 引言

低溫核反應堆指的是使用低濃度核燃料工作在比普通核反應堆壓力低得多的條件下的小型反應堆。亞臨界小型核反應堆并沒有真正發生鏈式反應，只是在鏈式反應的臨界點以下工作，由于大量中子的活動產生熱量。因為鏈式反應并沒有發生，所以輻射很小，僅有少量的輻射和中子產生，屏蔽的防護比較簡單，工作溫度在280℃左右，壓力不超過20個大氣壓。常規上采用海水作為工作和冷卻介質。該種反應堆的工作溫度及功率較低，如采用常規的蒸汽動力循環，則循環效率較低。參考相似溫度的熱源，可采用有機郎肯循環作為動力循環，在中溫區可以提供較高的熱效率，在系統部件不復雜的情況下，提升循環系統的能源利用水平。

有機郎肯循環是以有機物為循環工質的動力循環，在當前的研究中，為了提升工質與熱源的匹配性，研究學者較多采用多種有機工質的混合工質作為循環系統工質。混合工質在蒸發過程中位變溫蒸發，蒸發過程中存在溫度滑移。在常規熱源下混合工質較純工質具有更好的循環效率。

在混合工質有機郎肯循環的研究中，中國科學院院士何亞玲等[1]研究了R245fa/R601a、R245fa/Pentane、R245fa/Cisbten以及R245fa/Butene四種混合工質有機郎肯循環系統的性能，結果表明，在375.15K～453.15K的熱源溫度下，經過GA優化后R245fa/R601a、R245fa/Pentane兩種混合工質表現出了較好的性能。M.Chys等[2]研究了Pentane/Isopentane混合工質在250℃的熱源條件下的有機郎肯循環系統性能，研究表明，混合工質可以提升循環系統6%的熱效率。D. Yogi Goswami等[3]研究了在393K～473K的溫度條件下0.7R134a/0.3R32混合工質超臨界有機郎肯循環的性能，研究結果表明，混合工質較純工質可提升10%～30%的熱效率。Maria E. Mondejar等[4]研究了九中混合工質在350K～450K的溫度區間內的有機郎肯循環系統性能，Lijun Yu等[5]研究了R227ea/R245fa混合工質濃度對循環系統性能的影響。文獻[6-11]對混合工質在不同熱源溫度，不同領域內的循環系統性能進行了研究。

為了研究混合工質在核動力方面的應用，本文依照K. Satanphol等[12]對當前研究的各種純工質及混合工質進行了系統性總結，選用了四種純工質組成六種混合工質進行有機郎肯循環性能研究。

1 有機郎肯循環系統性能分析

1.1 有機郎肯循環系統

由于亞臨界小型核反應堆的溫度及壓力參數較低，因此可采用有機工質直接作為冷卻介質，降低系統復雜性。循環系統示意圖如下圖所示。

反應堆中的熱量通過液態金屬帶走，維持反應堆的熱平衡，形成核反應堆一回路系統。有機工質通過蒸發器與一回路工質進行換熱，帶走蒸發器攜帶的核反應堆的熱量，形成過熱蒸氣，過熱蒸氣進入透平中做功，帶動透平葉輪轉動將動能轉化為機械能，通過發電機將機械能轉化為電能，在透平中做功后的有機工質進入冷凝器中冷凝至飽和液態，通過工質泵進行升壓進入到蒸發器中吸熱，完成整個循環。

1.2 有機郎肯循環系統模型

有機郎肯循環系統依據能量守恒與質量守恒，構建循環系統數學模型。

1.2.1 蒸發器

1.3 有機郎肯循環性能分析

為分析上述循環系統性能，采用MATLAB進行循環系統仿真分析，有機工質物性選用REFPEOP 9.1中提供的真實物性。為便于分析，在系統仿真中作出以下假設：

（1）循環系統在穩定狀態下運行;

（2）工質在冷凝器中被冷凝至飽和液態;

（3）透平及工質泵在給定的等熵效率下運行;

（4）工質在換熱器中的壓力損失給定。

循環系統的初始給定參數如下表1所示。

循環系統工質分別選用R152a，R600a，R601a，R290四種工質，分別研究其循環性能，在此基礎上，將四種工質按照相似相融的有機工質混合法則，研究混合工質性能，并對其關鍵參數進行分析及優化。

為研究四種工質及六種混合工質的循環系統性能，本文研究了混合工質的組分濃度對循環系統性能的影響。

由圖可知，隨著第一組分濃度的升高，R152a/R600a混合工質有機郎肯循環系統性能逐漸降低，R152a比R600a對應的有機郎肯循環性能高，且兩種工質混合后，總體性能并沒有較R152a得到提升;同樣的，R152a/R601a、R600a/R601a兩種混合工質有機郎肯循環隨著第一組分濃度的增加表現出與R152a/R600a相似的趨勢。R152a/R290混合工質有機郎肯循環系統隨著第一組分濃度的升高，熱效率先降低后升高，該種情況下，這兩種混合工質的總體性能均小于兩種純工質的性能，這種情況下，選用純工質循環系統的性能更佳。

對于簡單的有機郎肯循環而言，循環效率較低，為了提升能源利用效率，同時增大工質進入一回路系統中的溫度，防止一回路換熱器溫度過低，本文在簡單有機郎肯循環中增加回熱器。有機工質在透平中做功排出后，先進入換熱器放熱，然后進入冷凝器中進行冷卻，冷凝器中的液態工質被泵升壓后進入回熱器吸收透平出口工質熱量后進入蒸發器中繼續吸收熱量，從而提高能源的利用效率。

為了分析帶有回熱器的有機郎肯循環系統性能，本文對帶有回熱器的有機郎肯循環系統的混合工質濃度、透平進口壓力、冷卻水溫度三個關鍵參數進行分析。研究當關鍵參數變化時混合工質有機郎肯循環系統的性能。

上圖所示為帶回熱器的有機工質郎肯循環熱效率隨混合工質第一組分濃度的變化。由圖可知，隨著第一組分濃度從0增加至1，R152a/R600a和R600a/R601a混合工質有機郎肯循環熱效率逐漸降低，R600a/R290和R152//R290混合工質有機郎肯循環熱效率逐漸增加。通過熱效率的對比可以看出，對于四種純工質有機郎肯循環而言，在循環系統熱效率方面，R600a>R601a>R152a>R290。隨著混合工質第一組分濃度的增加，R152a/R601a和R601a/R290混合工質有機郎肯循環熱效率先增加后減少。說明混合工質相較純工質而言在熱效率方面具有一定的優勢。并且由圖中可知，R152a/R601a和R601a/R290混合工質有機郎肯循環最大熱效率均大于20%。

上圖所示為帶回熱器的有機工質郎肯循環熱效率、透平輸出功及泵耗功隨透平入口壓力的變化，為便于研究六種混合工質的特性，六種混合工質的質量比均為0.5/0.5。由圖可知，隨著透平入口蒸汽壓力的升高，六種混合工質對應的有機郎肯循環系統熱效率升高。這是因為當透平進口壓力增大時，由于背壓不變，導致透平輸出功增加，與此同時，泵耗功雖然也隨著透平進口壓力的升高而升高，但是增加幅度沒有透平輸出功增加幅度大，因此總的凈輸出功增大。但是對于幾種混合工質而言，當透平進口壓力較低時，循環系統的熱效率均處于非常低的水平，因此，對于混合工質有機郎肯循環而言，透平進口溫度不宜過低。

上圖所示為帶回熱器的有機工質郎肯循環熱效率、透平輸出功及泵耗功隨冷卻水溫度的變化，為便于研究六種混合工質的特性，六種混合工質的質量比均為0.5/0.5。由圖可知，六種混合工質對應的有機郎肯循環系統熱效率隨著冷卻水溫度的升高而降低，這是由于當冷卻水溫度升高時，對應的飽和壓力升高，導致透平背壓升高，因此透平輸出功減小。另外，隨著冷卻水溫度的升高，泵前后壓差減小，泵耗功減小。由于透平輸出功和泵耗功的共同作用，導致系統凈輸出功降低。

2 有機郎肯循環參數優化

根據上述幾個參數對循環性能的影響分析，當混合工質組分濃度、透平進口壓力、冷卻水溫度發生變化時，循環系統性能將會出現一個較優的值，為了尋求上述參數在一定范圍內循環系統性能最優值，本文采用GA算法，在MATLAB中對帶有回熱器的有機工質郎肯循環系統進行參數優化，相關參數及其范圍如下表3所示。

通過編寫MATLAB程序，調用GA優化算法，GA算法的相關設置如下表所示：

通過優化，得出在給定參數范圍內的最有參數。

由上表可知，六種混合工質的參數優化結果顯示，冷卻水溫度均為最低溫度，因此冷卻水溫度與循環系統性能之間為負相關的關系。對于R152a/R600a、R152a/290、R600a/R601a、R600a/R290四種混合工質，工質混合后并沒有優勢。對于R152a/R601a和R601a/R290兩種混合工質，工質混合后其性能得到較大程度的提升，因此，對于核動力有機郎肯循環系統而言，采用混合工質有利于提升循環系統性能。

3 結論

本文構建了核動力用簡單有機郎肯循環系統和帶有回熱器的有機郎肯循環系統，根據相關參考文獻選用了四種純工質組成了六種混合工質作為混合工質有機郎肯循環系統的工質，采用MATLAB對循環系統進行仿真并對循環系統的關鍵參數進行分析，為得到循環系統在一定參數范圍內的最佳循環性能，采用GA優化算法對循環系統進行參數優化。得出以下結論：