核动力用有机郎肯循环性能分析及优化

娄聚伟 廖先伟 张晓玉 李玮玮 梁铁波

摘 要

基于简单有机郎肯循环，依据低温核反应堆温度及功率特性，构建了带有回热器的有机郎肯循环系统，研究了循环系统性能并对混合工质浓度、透平进口压力、冷却水温度三个关键参数进行分析，采用GA优化算法对三个关键参数进行优化得到循环系统最佳性能参数。结果表明：回热器可以大幅提升循环系统热效率;循环系统热效率与透平进口温度正相关，与冷却水温度负相关;GA优化结果显示R152a/R601a和R601a/R290两种混合工质较高热效率，分别达到23.58%和23.77%。

关键词

有机郎肯循环;混合工质;参数分析;GA优化

中图分类号： TL                          文献标识码： 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

低温核反应堆指的是使用低浓度核燃料工作在比普通核反应堆压力低得多的条件下的小型反应堆。亚临界小型核反应堆并没有真正发生链式反应，只是在链式反应的临界点以下工作，由于大量中子的活动产生热量。因为链式反应并没有发生，所以辐射很小，仅有少量的辐射和中子产生，屏蔽的防护比较简单，工作温度在280℃左右，压力不超过20个大气压。常规上采用海水作为工作和冷却介质。该种反应堆的工作温度及功率较低，如采用常规的蒸汽动力循环，则循环效率较低。参考相似温度的热源，可采用有机郎肯循环作为动力循环，在中温区可以提供较高的热效率，在系统部件不复杂的情况下，提升循环系统的能源利用水平。

有机郎肯循环是以有机物为循环工质的动力循环，在当前的研究中，为了提升工质与热源的匹配性，研究学者较多采用多种有机工质的混合工质作为循环系统工质。混合工质在蒸发过程中位变温蒸发，蒸发过程中存在温度滑移。在常规热源下混合工质较纯工质具有更好的循环效率。

在混合工质有机郎肯循环的研究中，中国科学院院士何亚玲等[1]研究了R245fa/R601a、R245fa/Pentane、R245fa/Cisbten以及R245fa/Butene四种混合工质有机郎肯循环系统的性能，结果表明，在375.15K～453.15K的热源温度下，經过GA优化后R245fa/R601a、R245fa/Pentane两种混合工质表现出了较好的性能。M.Chys等[2]研究了Pentane/Isopentane混合工质在250℃的热源条件下的有机郎肯循环系统性能，研究表明，混合工质可以提升循环系统6%的热效率。D. Yogi Goswami等[3]研究了在393K～473K的温度条件下0.7R134a/0.3R32混合工质超临界有机郎肯循环的性能，研究结果表明，混合工质较纯工质可提升10%～30%的热效率。Maria E. Mondejar等[4]研究了九中混合工质在350K～450K的温度区间内的有机郎肯循环系统性能，Lijun Yu等[5]研究了R227ea/R245fa混合工质浓度对循环系统性能的影响。文献[6-11]对混合工质在不同热源温度，不同领域内的循环系统性能进行了研究。

为了研究混合工质在核动力方面的应用，本文依照K. Satanphol等[12]对当前研究的各种纯工质及混合工质进行了系统性总结，选用了四种纯工质组成六种混合工质进行有机郎肯循环性能研究。

1 有机郎肯循环系统性能分析

1.1 有机郎肯循环系统

由于亚临界小型核反应堆的温度及压力参数较低，因此可采用有机工质直接作为冷却介质，降低系统复杂性。循环系统示意图如下图所示。

反应堆中的热量通过液态金属带走，维持反应堆的热平衡，形成核反应堆一回路系统。有机工质通过蒸发器与一回路工质进行换热，带走蒸发器携带的核反应堆的热量，形成过热蒸气，过热蒸气进入透平中做功，带动透平叶轮转动将动能转化为机械能，通过发电机将机械能转化为电能，在透平中做功后的有机工质进入冷凝器中冷凝至饱和液态，通过工质泵进行升压进入到蒸发器中吸热，完成整个循环。

1.2 有机郎肯循环系统模型

有机郎肯循环系统依据能量守恒与质量守恒，构建循环系统数学模型。

1.2.1 蒸发器

1.3 有机郎肯循环性能分析

为分析上述循环系统性能，采用MATLAB进行循环系统仿真分析，有机工质物性选用REFPEOP 9.1中提供的真实物性。为便于分析，在系统仿真中作出以下假设：

（1）循环系统在稳定状态下运行;

（2）工质在冷凝器中被冷凝至饱和液态;

（3）透平及工质泵在给定的等熵效率下运行;

（4）工质在换热器中的压力损失给定。

循环系统的初始给定参数如下表1所示。

循环系统工质分别选用R152a，R600a，R601a，R290四种工质，分别研究其循环性能，在此基础上，将四种工质按照相似相融的有机工质混合法则，研究混合工质性能，并对其关键参数进行分析及优化。

为研究四种工质及六种混合工质的循环系统性能，本文研究了混合工质的组分浓度对循环系统性能的影响。

由图可知，随着第一组分浓度的升高，R152a/R600a混合工质有机郎肯循环系统性能逐渐降低，R152a比R600a对应的有机郎肯循环性能高，且两种工质混合后，总体性能并没有较R152a得到提升;同样的，R152a/R601a、R600a/R601a两种混合工质有机郎肯循环随着第一组分浓度的增加表现出与R152a/R600a相似的趋势。R152a/R290混合工质有机郎肯循环系统随着第一组分浓度的升高，热效率先降低后升高，该种情况下，这两种混合工质的总体性能均小于两种纯工质的性能，这种情况下，选用纯工质循环系统的性能更佳。

对于简单的有机郎肯循环而言，循环效率较低，为了提升能源利用效率，同时增大工质进入一回路系统中的温度，防止一回路换热器温度过低，本文在简单有机郎肯循环中增加回热器。有机工质在透平中做功排出后，先进入换热器放热，然后进入冷凝器中进行冷却，冷凝器中的液态工质被泵升压后进入回热器吸收透平出口工质热量后进入蒸发器中继续吸收热量，从而提高能源的利用效率。

为了分析带有回热器的有机郎肯循环系统性能，本文对带有回热器的有机郎肯循环系统的混合工质浓度、透平进口压力、冷却水温度三个关键参数进行分析。研究当关键参数变化时混合工质有机郎肯循环系统的性能。

上图所示为带回热器的有机工质郎肯循环热效率随混合工质第一组分浓度的变化。由图可知，随着第一组分浓度从0增加至1，R152a/R600a和R600a/R601a混合工质有机郎肯循环热效率逐渐降低，R600a/R290和R152//R290混合工质有机郎肯循环热效率逐渐增加。通过热效率的对比可以看出，对于四种纯工质有机郎肯循环而言，在循环系统热效率方面，R600a>R601a>R152a>R290。随着混合工质第一组分浓度的增加，R152a/R601a和R601a/R290混合工质有机郎肯循环热效率先增加后减少。说明混合工质相较纯工质而言在热效率方面具有一定的优势。并且由图中可知，R152a/R601a和R601a/R290混合工质有机郎肯循环最大热效率均大于20%。

上图所示为带回热器的有机工质郎肯循环热效率、透平输出功及泵耗功随透平入口压力的变化，为便于研究六种混合工质的特性，六种混合工质的质量比均为0.5/0.5。由图可知，随着透平入口蒸汽压力的升高，六种混合工质对应的有机郎肯循环系统热效率升高。这是因为当透平进口压力增大时，由于背压不变，导致透平输出功增加，与此同时，泵耗功虽然也随着透平进口压力的升高而升高，但是增加幅度没有透平输出功增加幅度大，因此总的净输出功增大。但是对于几种混合工质而言，当透平进口压力较低时，循环系统的热效率均处于非常低的水平，因此，对于混合工质有机郎肯循环而言，透平进口温度不宜过低。

上图所示为带回热器的有机工质郎肯循环热效率、透平输出功及泵耗功随冷却水温度的变化，为便于研究六种混合工质的特性，六种混合工质的质量比均为0.5/0.5。由图可知，六种混合工质对应的有机郎肯循环系统热效率随着冷却水溫度的升高而降低，这是由于当冷却水温度升高时，对应的饱和压力升高，导致透平背压升高，因此透平输出功减小。另外，随着冷却水温度的升高，泵前后压差减小，泵耗功减小。由于透平输出功和泵耗功的共同作用，导致系统净输出功降低。

2 有机郎肯循环参数优化

根据上述几个参数对循环性能的影响分析，当混合工质组分浓度、透平进口压力、冷却水温度发生变化时，循环系统性能将会出现一个较优的值，为了寻求上述参数在一定范围内循环系统性能最优值，本文采用GA算法，在MATLAB中对带有回热器的有机工质郎肯循环系统进行参数优化，相关参数及其范围如下表3所示。

通过编写MATLAB程序，调用GA优化算法，GA算法的相关设置如下表所示：

通过优化，得出在给定参数范围内的最有参数。

由上表可知，六种混合工质的参数优化结果显示，冷却水温度均为最低温度，因此冷却水温度与循环系统性能之间为负相关的关系。对于R152a/R600a、R152a/290、R600a/R601a、R600a/R290四种混合工质，工质混合后并没有优势。对于R152a/R601a和R601a/R290两种混合工质，工质混合后其性能得到较大程度的提升，因此，对于核动力有机郎肯循环系统而言，采用混合工质有利于提升循环系统性能。

3 结论

本文构建了核动力用简单有机郎肯循环系统和带有回热器的有机郎肯循环系统，根据相关参考文献选用了四种纯工质组成了六种混合工质作为混合工质有机郎肯循环系统的工质，采用MATLAB对循环系统进行仿真并对循环系统的关键参数进行分析，为得到循环系统在一定参数范围内的最佳循环性能，采用GA优化算法对循环系统进行参数优化。得出以下结论：