低温循环发电系统有机工质的研究

彭菊生

（湖州职业技术学院机电与汽车工程学院 湖州 313000）

1 引言

随着能源危机问题越来越严重,急需开发出更多新能源来解决当前能源不足问题。地热能是近年来开发的一种可持续发展能源,它的开发潜力非常大。据探测获悉我国地热能储量高达50 000 MW[1],全球总地热能超过煤热能的1.7 亿倍,鉴于地热能储量大[2],开发价值极高,因此需对它的开采技术进行深入分析,尤其对地热开发的能量传输介质展开更深入研究。

据统计地球上75% 以上的地热能都是温度在150 ℃以下的低值热能,无法被直接开发利用,需借助有机朗肯循环系统将地热能量转换成电能后[3-4],再供给人们日常生活生产所用。随着地热能的开发价值逐渐被人们认可,近年来各国逐渐加大对地热能的开发力度,其中我国西藏地区的八井地热电站的装机容量高达7 000 kW,解决该地区一半以上的电力供给[5]。为了更进一步提高有机朗肯循环系统的能量转化效率,通过对该系统能量传输工质进行研究和实验测试,得到综合性能最优的有机工质[6]。

2 低温发电系统工质工作原理

低温循环发电系统中工质将循环流动在有机朗肯系统各个部分,它的运动线路如图1 所示。首先该液态工质在泵站作用下将从储液罐流入与地热的能量交换中心——蒸发器中,然后液态工质吸收地热能后升华成气态,并沿着管道流通且驱动汽轮机做功,最后做完功后的有机工质成为乏气后回流到蒸馏器、冷凝器中,则有机工质完成整个工作流程。

图1 低温发电系统有机工质原理图Fig.1 Schematic diagram of power plant of low temperature power generation

由于有机工质贯穿在有机朗肯循环发电系统的各个过程中,它的性能将直接决定整个系统的电能产值量。基于有机朗肯循环发电系统基本属性,可知有机工质R114、R123、R600、R11、R236fa、R245fa 等比较符合。因此,对它们的性能进行测试,得到其临界压力、临界温度和标态沸点等参数如表1 所示。为了获得性能更好的有机工质,可通过建立有机朗肯循环发电系统对工质性能进行更深入研究,选择出性能最优的有机工质。

表1 有机工质参数表Table 1 Parameters of organic working medium

3 低温发电系统有机工质实验研究

3.1 低温发电系统实验模型的建立

基于低温发电有机工质的工作原理,可建造如图2 的实验系统。通过分别向系统中注入R114、R123、R600、R11、R236fa、R245fa 等有机工质,可测试出各种有机工质的性能参数。

图2 低温发电实验系统Fig.2 Experimental platform of ORC system

为了确保整个低温发电实验系统正常工作,需设置如表2 所示的设备参数。表中列举低温发电实验系统中汽轮机、发电机、工质泵和冷凝器等设备的主要参数,其中汽轮机采用SET260 机组,额定功率大小为5 kW。

表2 低温发电系统设备参数表Table 2 Parameter table of equipment of low temperature power generation system

据地质探测可知地热能饱和蒸气温度集中在110—150 ℃之间,如何将该地热能合理高效的转化成电能成为本文的重点研究对象。因此,需研究出发电效率最高的有机工质。

3.2 低温发电有机工质测试方法

基于所建设的低温发电实验系统,为了方便观察系统每一步的运行状况,可设置如图3 所示的检测点,从而获得不同工质下系统的功率、热效率、损失和效率等参数[7]。为了确保系统安全、高效运行,需在系统开启前进行抽真空处理,以及在储液罐中注入定量有机工质和在加热锅炉水缸中注入50 cm 以上的水。

图3 低温发电系统参数检测图Fig.3 Test chart of parameters of low-temperature power generation system

基于热力学定律,结合有机工质特性和低温发电系统的工作原理,初步判定系统相关参数范围如表3所示。为了确保实验系统安全工作,需对重要参数进行在线监测,确保系统重要参数在允许范围内,以防发生事故。

表3 实验系统参数表Table 3 Parameter table of experimental system

基于所建设低温发电实验系统,可通入各种有机工质后测量它们的输出功率、热效率、损失和效率等参数,为后续的研究做好铺垫。

4 低温发电系统有机工质热力性能分析

在低温发电系统中,汽轮机的输出功率、热效率与发电机发电量成正比,直接影响系统的电能产值。因此,通过对比不同有机工质下汽轮机的输出功率和热效率状况,综合比较分析后选择发电效率最高的有机工质[8]。

4.1 汽轮机输出功率和热效率分析

通过对有机工质进行加热使其在蒸发器中达到饱和状态,进而推动汽轮机做功。基于热力学定律可知汽轮机做功为:

式中:WT为低温发电系统汽轮机输出功率大小,为低温发电系统有机工质流量大小,h3为低温发电系统饱和蒸气比焓值,h4为低温发电系统乏气比焓值,ηT为汽轮机相对内效率值,ηm为汽轮机机械传动效率大小,ηG为低温发电系统发电机工作效率值。

同样,根据低温发电系统中汽轮机输出功率与吸收热量的比值,可得该系统热效率计算公式为:

式中:ηr为汽轮机热效率值,Q吸为汽轮机低温发电过程吸收的热量。

基于低温发电系统汽轮机的输出功率和热效率分析,可求解出该系统输出功率和热效率曲线如图4、图5 所示。

图4 不同工质系统输出功率Fig.4 Rules of net power under the condition of different working fluids

图5 不同工质系统热效率Fig.5 Rules of thermal efficiency under the condition of different working fluid

通过对系统实验数据统计分析,可得有机工质的热力性质对系统热效率和输出功率影响关系曲线,并统计出它的最大输出功率和最大热效率如表4 所示。

表4 有机工质最大输出功率、热效率数据表Table 4 Table of thermal efficiency and net power of working fluid

综合分析有机工质的热效率、输出功率数据,可知它们的具体如下特性:虽然R236fa、R600、R114、R141b 都具有较高的热效率和净输出功率,但它们在0.2 MPa 背压下的冷凝温度分别为289.25 K、291.94 K、296.18 K、298.28 K 比正常水温低,因此很难通过常规的水冷方式进行冷凝；相对而言,工质R245fa、R123 和R11 的冷凝过程就非常容易,它们的冷凝温度分别为306.33 K、321.16 K、317.18 K。尤其是对于有机工质R245fa,它的的净输出功率和热效率高达7261 kW 及11.81%,非常适合用于低温发电系统。虽然R11 与R245fa 性能相似,但是R11 对环境具有破坏性因此作为禁用品。综上所述,从环保性、经济性以及实用性等方面综合比较后,可知R245fa性能最优。

4.2 系统损失和效率分析

式中:It为低温发电系统的损失大小；T0为系统的环境温度,本实验环境温度为298.15 K；s4为工质饱和蒸气在汽轮机入口比熵值；s5为工质乏气在汽轮机出口比熵值。

式中:ηex为低温发电系统效率,Wnet为低温发电系统效率,EH为低温发电系统饱和蒸气输入效率。

图6 不同工质效率变化曲线Fig.6 Rules of exergy efficiency under the condition of different working fluid

由图6 曲线可知所有工质随着蒸发压力增加都呈现单调递增,且增幅不断减小的变化趋势。同样,可得到如图7 所示不同工质损失变化曲线。

图7 不同工质下系统损失变化曲线Fig.7 Rules of exergy destruction under the condition of different working fluid

表5 有机工质效率、损失数据表Table 5 Table of exergy efficiency and exergy loss of working fluid

表5 有机工质效率、损失数据表Table 5 Table of exergy efficiency and exergy loss of working fluid

5 R245fa 工质工况热力性能分析

5.1 工质流量对系统热力性能的影响

为了让低温发电系统在工作过程中汽轮机获得更大的输出功,则要求它的工质流量尽可能大。通过以R245fa 为工质的低温朗肯循环发电系统中热效率、输出功率、效率和损失进行分析,可知它们随工质流量变化曲线如图8 所示。由图8 所示工质流量对系统热力变化曲线,可知系统热效率、汽轮机输出功率将随着工质流量的增加呈现不断降低的趋势,效率与热效率变化规律一样。但是,由于低温发电系统做功是不可逆的,从而使工质吸热温度与热源的温差随着工质流量增加而变大,进而导致损失随工质流量增加而变大。

图8 工质流量对系统热力变化曲线Fig.8 Performance effect of system in working fluid flux

5.2 汽轮机背压对系统热力性能的影响

由于低温发电系统汽轮机在做功完成后产生大量的乏气,所以需保持一定的背压。根据有机工质R245fa 特性,实验选择蒸发温度为80 ℃,环境温度298.15K,过冷度、过热度均为5 K 环境条件下,得到如图9 所示汽轮机背压对系统热力性能影响曲线。通过对图9 所示汽轮机背压对系统热力性能变化曲线分析,可得知:（1）系统热效率和净输出功率随汽轮机背压的增加呈现明显降低趋势,据分析产生该现象主要原因是由于汽轮机背压增加,导致它的进出口焓差减小,从而使汽轮机做功能力降低；（2）系统?效率随汽轮机背压的增加明显降低,主要是随着汽轮机背压增加,进而使循环温差增大导致。

图9 汽轮机背压对系统热力变化曲线Fig.9 Curve of system in different back pressure of turbine

6 结 论

基于低温循环发电系统有机工质的热力性能分析,以及结合有机工质在实验过程中的测试结果,可得到如下结论:

（1）基于低温循环发电系统有机工质的实验参数分析,可知有机工质R245fa 各项性能指标较好,非常适用于低温循环发电系统,其中热效率高达11.81%,最大净输出功率为7261 kW；

（2）通过对有机工质R245fa 的工况热力性能指标分析,可得到工质流量和汽轮机背压对系统发电效率影响,从而更好开发该有机工质。