基于中高温热源的双级有机朗肯循环性能研究

秦亚琦，王重阳

基于中高温热源的双级有机朗肯循环性能研究

秦亚琦1，王重阳2

（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.中国中元国际工程有限公司，北京100089）

以利用中高温热源的双级有机朗肯循环系统为研究对象，选取R141b-R245fa、n-pentane-R600和isopentane-R114分别作为双级有机朗肯循环系统的工质，一级循环采用超临界循环，二级循环采用亚临界循环，研究分析了系统的热效率、效率、各级工质质量流量、烟气出口温度、净输出功等参数的变化情况。研究发现：在一级蒸发压力增大的过程中，采用n-pentane-R600、isopentane-R114的循环系统的热效率与效率均先增大后减小、净输出功则一直减小，采用R141b-R245fa的循环系统的热效率和效率则一直保持增大的趋势；所选取的三个系统中一级循环与二级循环中的工质均随一级蒸发压力的变化而发生变化，但变化幅度均不大；系统的烟气出口温度普遍偏高，系统性能具有进一步提高的潜力。

双级有机朗肯循环；超临界；亚临界；热力学性能D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.003

0 引言

随着能源危机的日趋加重，节能减排得到了越来越多的重视[1,2]。针对目前存在大量的低品位热能未能得到合理有效的开发利用，国内外学者开展了大量的研究[3-5]。在众多的地品位能源开放利用途径中，有机朗肯循环由于其设备简单、适用性强等优点，引起了人们的日益关注[6-9]。

在利用有机朗肯循环进行开发低品位能源过程中，根据“梯级开发、多级利用”的原则，中高温热源的开发利用多采用与热源进行多种形式的结合，以形成联合循环，提高系统的能源利用效率和整体性能。赵巍等[10]巧妙地利用回热器构建了由微型燃气轮机与有机朗肯循环相结合的联合循环，并分析了循环增压比、最高温度、回热度和环境温度等因素对该联合循环的热效率的影响。何茂刚等[11]根据车用发动机的润滑油、冷却水和废气等的温度特点，提出了一种新型的联合循环系统进行余热回收，在此系统中，有机朗肯循环回收温度较高的废气和润滑油的余热，卡琳娜循环则回收冷却水的余热，并且两个循环之间通过高低温换热器进行热交换，同时利用P-R状态方程对利用不同工质的联合循环进行热力学性能分析，并通过实验进行验证。M．K ane等[12]提出了一种与太阳能相结合的联合循环，该循环中包含了太阳能集热器、复迭式有机朗肯循环和柴油内燃机，并对此联合循环进行了热力学分析，指出其适用的范围及优点。2005年，宝马公司[13]就首次提出了在汽车中利用D O RC的概念，利用涡轮蒸汽机与1.8L四缸发动机组合形成的联合循环，使得排烟温度由700℃降低至100℃，燃料消耗减少了15%以上，该联合循环一级循环与二级循环均采用的是亚临界循环。

目前联合循环多侧重于与热源的多形式相结合，虽然大大提升了系统的能源利用效率，但是增加了系统的复杂性，给系统的高效运行带来了极大的挑战，而联合循环中多采用亚临界循环与亚临界循环相结合的形式。基于上述现象，本文采用形式较为简单的双级有机朗肯循环作为研究对象，对此双级有机朗肯循环系统的性能进行分析研究，系统所选取的热源为623.15K的烟气，水作为二级循环的冷却剂，双级循环中一级采用超临界循环，二级采用亚临界循环，分别选取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600和isopentane-R 114作为双级有机朗肯循环系统的一级、二级循环的工质。

图1 双级有机朗肯循环系统图

图2 双级有机朗肯循环的温熵图

1 系统模型

1.1 系统简述

所选取的研究系统为双级有机朗肯循环系统，其装置流程图如图1所示。双级有机朗肯循环一级采用超临界有机朗肯循环，二级循环采用亚临界有机朗肯循环，系统工作流程如下：烟气由A进入一级循环的蒸发器，对一级循环的工质进行加热，然后烟气从B出口进入二级循环的再热器，最后从C排入空气；一级循环中的工质在蒸发器被烟气加热后从3点进入透平机膨胀做功，从透平机排出的乏汽进入热交换器，对二级循环的工质进行预热，一级循化的工质被冷凝成饱和液状态，进入泵升压，再次进入蒸发器继续下一个一级循环；二级循环的工质在热交换器中被一级循环中工质加热，然后进入再热器被烟气加热至饱和气状态，饱和蒸汽进入透平机膨胀做功，膨胀后的乏汽进入冷凝器被冷却水冷凝，然后进入泵升压，再次进入预热器，继续下一次循环。一级循环和二级循环通过热交换器4-5-7-8来通过耦合进行热量交换，烟气高温段对一级循环进行加热，低温段对二级循环进行加热。

图1与图2中，A、B、C点分别代表双级有机朗肯循环中热源侧的进出口，F、G点分别代表冷源侧的进出口，1、1s、3、4、4s、5点分别代表一级循环的工质在高温一级循环中各状态点，7、7s、8、9、10、10s、11点分别代表二级循环的工质在低温二级循环中的各状态点。

1.2 系统模型

为方便计算和分析，对系统做以下假设和简化：1）忽略系统各个部件及管道中热量损失；2）工质在整个循环系统的流动为稳定状态，整个系统处于稳态；3）忽略流体的机械能，包括重力势能和动能；4）换热器部件的压力损失假定为固定值。选取的双级有机朗肯循环的T-s图如图2所示，系统稳定运行时各个过程的能量关系及热力学关系如下：

一级循环采用跨临界有机朗肯循环，在蒸发器中工质被热源加热，从过冷状态点7经历超临界过程至过热蒸汽点3，在此过程中，工质与热源发生的热交换过程为：

式中mhs—热源质量流量，kg/s；

mwf1—一级循环工质的质量流量，kg/s；

hA，hB—分别为热源在一级循环中蒸发器的进、出口的焓值；

h3，h1—分别为一级循环中工质在蒸发器中的进、出口的焓值，kJ/kg。

在此过程中，超临界循环的部分参数的确定需要利用夹点温差进行迭代来确定。

一级循环的工质在蒸发器中吸热被加热至3点，然后进入透平机膨胀做功，一级循环输出功为：

式中wt1—一级循环通过透平机对外输出功，W；

h4，h4s—分别为一级循环中工质经历等熵膨胀过程和实际过程后的出口焓值，kJ/kg；

ηt—一级循环中透平机的绝热系数，%。

一级循环中工质处于超临界压力情况下吸热，被加热终点3点的温度为：

式中T3—3点的工质温度，K；

Tcriwf1—一级循环中工质的临界温度，K。

一级循环与二级循环通过热交换器4-5-7-8耦合进行热交换，利用一级循环中的工质放热来对二级循环中工质进行预热，中的工质冷却至饱和液状态5点，进入工质泵升压，消耗的泵功为：

式中wp1—一级循环系统消耗的泵功，W；

h1，h1s，h5—分别为一级循环中各点的工质焓值，kJ/kg；

ηp—一级循环系统中泵的绝热效率，%。

二级循环中的工质利用一级循环中工质的冷凝过程4-5-7-8放出的热量来进行预热，此过程中的能量关系如下：

式中mwf2—二级循环中工质的质量流量，kg/s；

h7，h8—分别为二级循环中工质在预热器进、出口的焓值，kJ/kg。

在二级循环系统再热器中，工质再热过程8-9则由热源低温段来进行继续加热，此过程的能量关系如下：

式中hB，hC—分别为热源在二级循环中再热器进出口焓值，kJ/kg；

h9—二级循环再热器出口工质焓值，kJ/kg。

二级循环中工质被热源低温段加热至饱和蒸汽状态，然后后进入透平机膨胀做功，对外输出功为：

式中wt2—二级循环通过透平机对外输出功，W；

ηt—二级循环系统透平机的绝热效率，%；

h10s，h10—分别为二级循环中透平机工质绝热膨胀和实际过程中的出口焓值，kJ/kg。

二级循环工质经过泵升压过程11-7消耗泵功为：

式中wp2—二级循环中工质升压消耗的泵功，W；

h11—二级循环中工质泵进口焓值，kJ/kg；

h7s，h7—分别为二级循环工质等熵压缩和实际压缩压缩过程的出口焓值，kJ/kg。

二级循环中工质被外界冷却水冷凝，在此冷凝过程中能量的关系为：

式中mcw—冷却水的质量流量，kg/s；

hG，hF—分别为冷却水进、出口焓值，kJ/kg；

h10，h11—分别为二级循环中工质在冷凝过程中进、出口焓值，kJ/kg。

在此双级有机朗肯循环系统对外输出的功为：

系统消耗总泵功为：

系统对外输出净功为：

式中wt—双级有机朗肯循环系统对外输出总功，W；

wp—系统消耗总泵功，W；

wnet—系统对外输出总净功，W；

wΔp—系统中因换热器压损消耗的系统功，W。循环系统的热效率为：

循环系统的炬用效率为：

1.3 边界条件

根据上述模型，选取623.15K的烟气作为双级有机朗肯循环的热源，选取冷却水作为二级循环的冷却剂，一级循环采用超临界循环，二级循环采用亚临界循环，所选取的具体边界条件见表1。有机朗肯循环中，工质对系统性能的提升和系统优化至关重要，在工质的选取过程中，需要考虑到工质与热源的适配性、热力学性能、经济性、安全环保等多种因素[8，14-16]，综合多方面考虑分别选取R 141b-R 245fa、n-pentane-R 600、isopentane-R 114进行研究，各工质的具体相关物性见表2。

表1 双级有机朗肯循环的系统边界条件

表2 双级循环系统所选工质

2 模拟结果与分析

根据上述双级有机朗肯循环的热力学模型，以一级循环蒸发压力为自变量，分析研究双级有机朗肯循环系统的性能变化。

图3所示为双级有机朗肯循环系统的热效率随一级循环蒸发压力的变化情况。从图中可以发现，当一级循环的蒸发压力一直增大时，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114为工质的双级循环的系统热效率先增大后减小，而采用R 141b-R 245fa为工质的双级循环系统的热效率则一直增大。在一级蒸发压力增大的过程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114为工质的系统热量效率最大值分别为22.24%、20.45%。总体上，三个双级循环的系统热效率呈现n-pentane-R 600的热效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。虽然，三个双级循环系统的热效率呈现依次减小的规律，但是均维持在20%。

双级有机朗肯循环系统的炬用效率随一级蒸发压力的变化规律如图4所示。根据图所示，随着一级蒸发压力的增大，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的系统炬用效率先增大后减小，而采用R 141b-R 245fa的系统炬用效率则为一直增大。总体上，三个双级循环系统的炬用效率呈依次减小的规律，n-pentane-R 600的炬用效率最大，R 141b-R 245fa其次，isopentane-R 114最小。系统的热效率和炬用效率均呈现类似的现象，有可能与一级蒸发压力增大引起系统消耗泵功增大和烟气出口温度升高有关。

图5表示为各级循环的工质质量流量随一级系统蒸发压力的变化关系。在三个双级循环中，一级循环中的工质质量流量均随一级蒸发压力的增大而增大，而二级循环中的工质质量流量则呈现不一致的变化，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114循环的二级循环工质均先减小后小幅度地增大，采用R 141b-R 245fa的双级循环系统的二级工质质量流量则一直减小。

图3 系统热效率随一级蒸发压力的变化关系

图4 系统炬用效率随一级蒸发压力的变化关系

图5 各级循环的工质质量流量随一级蒸发压力的变化关系

图6 烟气出口温度随一级蒸发压力的变化关系

图7系统净输出功随一级蒸发压力的变化关系

图6 表示为烟气最终出口处的温度随一级蒸发压力的变化关系。在三个双级有机朗肯循环系统，烟气出口温度均随一级蒸发压力的增大而增大，且采用n-pentane-R 600的烟气出口温度最大，R 141b-R 245fa次之，isopentane-R 114最小。但是烟气出口的温度仍比回收低温热源的有机朗肯循环系统的烟气出口温度高，此系统仍具有继续优化提高循环性能的潜力。

图7表示为系统净输出功与一级蒸发压力之间的变化关系。从图上可以看出，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114的双级循环的系统净输出功变化较大，且随着系统蒸发压力的增大一直减小，而采用R 141b-R 245fa的循环的系统净输出功变化较小，基本维持在475kW左右。对于采用R 141b-R 245fa的双级循环系统，其系统的净输出功基本上维持不变，可以根据其他的优化目标来进行进一步优化。

3 结语

通过对基于中高温热源的双级有机朗肯循环系统进行研究，分析了系统的热效率、炬用效率、各级循环中的工质质量流量、烟气出口温度、净输出功等的变化情况，得出以下结论：

（1）在一级蒸发压力增大的过程中，采用n-pentane-R 600、isopentane-R 114为工质的双级循环的系统热效率与炬用效率均先增大后减小，系统的净输出功则一直减小。采用R 141b-R 245fa的循环系统的热效率和炬用效率随着一级蒸发压力的增大而增大。

（2）三个循环系统一级循环与二级循环中的工质质量流量均随一级蒸发压力的增大而发生变化，但均在一个很小的幅度内发生变化。

（3）三个循环系统的烟气出口温度均较高，其中采用isopentane-R 114的循环烟气出口温度最低时为380K，仍具有继续进行系统优化提高循环系统性能的潜力。

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修回日期：2017-01-22

加快特高压建设消纳富余水电

截至2016年底，四川水电装机突破7000万千瓦，约占全国的1/5，已成为全国重要的清洁能源基地。但是，我省电力供应已从“丰余枯缺”转变为“丰裕枯余”，清洁能源得不到有效利用。对此，四川代表团以集体名义建议，推进四川水电外送第四回特高压直流输电工程建设，尽快开工，以消纳我省富余的水电。

建议提出，当前我省电力供应已从“丰余枯缺”快速转变为“丰裕枯余”，同时弃水电量逐年增加。据统计，2014年、2015年我省丰水期弃水电量分别为96.7亿、102亿千瓦时，去年1至10月弃水电量达141亿千瓦时，预计2020年弃水电量将达到约600亿千瓦时。“如此下去，会导致我省大量水电清洁能源将得不到有效利用，造成巨大浪费。目前，我省急需建设新的水电外送输电工程，解决水电弃水问题。”全国人大代表、国网四川省电力公司副总经理褚艳芳表示。

国家发改委、国家能源局印发的电力发展“十三五”规划明确提出，四川第四回特高压直流通道在“十三五”期间建成投产，但未对落点进行明确。对此，四川代表团集体建议，国家有关部门加快四川水电外送第四回特高压直流输电工程的前期工作进度，明确项目落点，尽快核准项目，争取早日开工建设。同时，提前启动后续特高压交直流工程的前期工作，保障远期四川水电外送的需要。据介绍，四川水电外送第四回特高压直流输电工程预计每年可增加外送水电超过400亿千瓦时，是解决四川弃水问题的关键。

（摘自“北极星电力网”）

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

秦亚琦（1987-），男，河南漯河人，硕士，主要从事低碳技术及政策研究。