低温地热水有机朗肯循环发电工质的优化

胡颢然，吴俐俊，张历华

（同济大学机械与能源工程学院，上海市 201408）

0 引 言

随着化石能源的紧缺以及人类环境压力的加大，人们对于清洁可再生的绿色能源越来越重视。地热能源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变，是目前广泛利用的可再生热能源之一，随着地下水深处的循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。地热能的储量比目前我们所利用的能量总量还要多，加上地热能具有清洁性和再生性［1］，许多国家都采用低温余热发电技术对其加以应用，例如：德国的Neustadt－Glewe地热发电站，采用简单亚临界有机朗肯循环（organic rankine cycle，ORC），以全氟化戊烷（n－Perfluorpentane，C5F12）为工质，以约98℃的地热水为热源发电，发电量为210kW［2］；美国的阿拉斯加运行着1座以74℃的地热资源发电的电站［3］。目前，地热发电技术有地热干蒸汽透平发电技术、地热热水闪蒸发电技术以及地热驱动的ORC发电技术，与其他地热水发电技术相比较，ORC发电技术的经济效益更好［4－5］。

ORC发电的效果除了受蒸发温度、凝结温度、透平机以及进气温度等参数的影响外，工质的物性也是影响发电效率的主要因素之一［6］，因而，对工质的优化选择就显得特别重要。文献［7］基于火用分析为地热水ORC发电系统筛选出了异丁烷和R227ea这2种比较适合的工质。文献［8］对温度为30100℃，压力限定为2.0MPa的地热机组进行了研究，对烷烃、醚及其氟化物等31种可用于ORC的工质物性参数进行了计算且对ORC的设计进行了对比，认为在地热ORC中，临界温度较低的工质（R134a，R152a）是不错的选择。文献［9］对地热水温在35110℃的地热ORC机组进行了研究，得出：当工质的临界温度与最高水温接近时，使用该工质的系统效率较高；使用丙烯和R245fa作为工质时，系统效率较高，在水温为100℃时系统效率分别为14.6%和14.1%。目前，文献中常见的工质优化分析方法有火用效率、净输出功、热效率、系统能量损失等评价方法［10－11］，本文采用热效率加不可逆损失方法对ORC系统进行评价。

1 ORC发电系统工作原理

地热水ORC发电系统包括地热水循环、ORC循环和冷却水循环，系统工作原理如图1所示。

图1 地热水ORC发电系统工作原理Fig.1 Principle of ORC power generation system with geothermal water

（1）地热水循环系统。地热水温度为95℃左右，经过沉淀池除去杂质后，进入蒸发器加热低沸点的有机工质，温度降到75℃左右，经地热水泵加压，可送入居民用户作为生活用水。

（2）ORC系统。液体工质经工质泵加压后，在蒸发器中等压吸热，变成过热高温蒸汽（过程4—1）；过热蒸气在汽轮机中绝热膨胀，工质对外做功（过程1—2），变成低温低压蒸气；低压蒸气在冷凝器中等压冷却至液态（过程2—3）；液态工质通过工质泵等熵加压并送到热交换器中（过程3—4）。如此连续循环，将地热水中的热量源源不断地提取出来，生成高品位的电能。

（3）冷却水循环系统。冷却水经冷凝器等压冷却有机工质后，温度升高经冷却水泵加压送到冷却塔中，被空气冷却后，循环使用。

2 ORC工质的选择和计算

2.1 工质选取

选择ORC工质时，力求在热源条件下使工质吸收较多的热量，并在把吸收的热量更有效地转化成功的同时，也必须使所选择的工质满足环保性和安全性要求。因而，所选工质应尽量满足以下要求：（1）工质的临界温度应该略高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸多问题；（2）工质的压力适宜，蒸发压力不应过高，同时冷凝压力也不宜过低，合适的冷凝压力最好能保持正压；（3）在T－S图的饱和蒸气线上，dS／dT 应大于0或接近0；（4）蒸发潜热小，粘度低，传热系数高，热稳定性好；（5）安全性高。应选择破坏臭氧层潜值（ozone depletion potential，ODP）和全球变暖潜值（global warming potential，GWP）值较低的工质，同时也要考虑价格因素且易于获得［12－14］。表1是依据制冷剂安全性制定的工质安全性分类。

表1 工质安全性分类Tab.1 Safety classification of working fluids

文献［15］针对80100℃的地热水ORC，选出性能较好的R600、R600a、R124、R142b、R134a、R152a、R245fa和R245ca这8种纯工质以及M01、M02和M04这3种混合工质。本文结合设定工况的特点（95℃地热水）和ORC系统对工质的要求，初步筛选出R134a、R245fa等6种有机工质［16］进行计算比较，工质的物性参数如表2所示。

表2 工质的物性参数Tab.2 Physical property parameters of working fluids

表2中，R134a、R245fa为纯工质，R600a、R290为烷氢（异丁烷，丙烷），R407c、R413a为非共沸混合工质，其临界温度和环保型均满足工质的选取标准。

2.2 设定工质状态参数

假设本低温余热发电功率为100 kW，地热水进口温度约为95℃，出口温度为75℃，蒸发器中地热水与工质的最小换热温差取10℃，则工质在蒸发器内最高温度为85℃。假定环境温度为25℃，冷却水进冷凝器前的温度取34℃，出口温度取30℃，冷凝器内冷却水与工质的温差取5℃，从而可确定工质的冷凝温度为39℃。

根据ORC原理，在理想状况下，可确定工质在T－S图上各状态点的物性参数，如图2所示。

图2 工质T－S图Fig.2 T－Sdiagram of working fluids

2.3 计算公式

单位质量的工质在汽轮机内的焓降为

发电量为E时，所需工质的质量流量为

蒸发器内的换热量为

冷凝器内的换热量为

系统的不可逆损失为

式中：T0为周围环境温度（这里取25℃）；TH为热源温度；TL为冷源温度。

系统热效率为

2.4 计算结果

假定过程1—2（工质在汽轮机中做功的过程）为等熵过程，根据运行工况，工质在各状态点的物性参数如表3所示。

对初选的工质进行设计计算，计算结果如表4所示。

?

?

从表4可看出：各工质系统热效率差别不大，但各个工质在汽轮机内的压力相差很大。R600a、R290具有爆炸性，且其系统热效率与其他工质相差不大，为保障ORC系统的安全性，此2种工质不宜采用。

3 计算结果分析

3.1 系统热效率比较

蒸发温度为80℃，冷凝温度为39℃时，初选各工质ORC的热效率如图3所示。

图3 ORC系统热效率Fig.3 Thermal efficiency of ORC system

从图3可看出，在设定工况下下，各工质的热效率相差不大，为 10.24%11.39%，其中混合工质R407c的热效率最高为11.39%。

3.2 系统不可逆损失比较

系统的不可逆损失反映了能量梯级利用的程度，即工质把从低温热源吸收的热量有效转化成功的程度，工质的不可逆损失如图4所示。

图4 ORC系统不可逆损失Fig.4 Irreversible loss of ORC system

从图4可看出：R600a和R245fa这2种工质不可逆损失较大，而2种非共沸混合工质R407c、R413a的不可逆损失较小，这是因为一般情况下非共沸工质与热源有更好的匹配性；R134a的不可逆损失最小，说明在相同的工况下非共沸工质的不可逆损失并不一定比共沸工质小。

3.3 质量流量比较

在发电功率一定的情况下，单位工质的发电能力与所需工质的流量成反比。从式（2）可以看出，工质在汽轮机中的焓降越大，系统所需工质的流量越小。工质的流量是工质泵选型的重要参数，由于国内生产的机械隔膜泵和液压隔膜泵额定流量较小，一般不超过3000L／h。另外，工质流量大会要求工质泵的功率要大，从而会降低整个系统的效率从而降低系统的经济效益。为降低系统设备成本，提高经济效益，应尽量选择流量小的工质。发电功率为100kW时，工质的流量计算如图5所示。

图5 工质的流量Fig.5 Flow of working fluids

从图5可看出：在设定工况下，各个工质的流量相差较大；2种混合工质的流量相对比其他工质要大，其中R413a最大为7.86kg／s，可见其单位工质的做工能力较差。

3.4 系统汽轮机内压力的比较

汽轮机内的压力包括蒸发压力（极大值）和冷凝压力（极小值），压力需适宜，压力过大对设备的耐压强度要求高，一方面会增加投入的成本，另外一方面密封性往往难以达到要求，目前国内一般汽轮机内的压力不宜超过2MPa，如果压力过低，系统外的空气容易进入系统。一般情况下，冷凝压力均满足要求，因而这里只考察蒸发压力。设定工况下，ORC系统汽轮机内的压力如下图6所示。

图6 ORC系统汽轮机内的压力Fig.6 Pressure of turbine in ORC system

由图6可看出：只有R245fa和R600a的压力较为适合，其他几种工质均略大，其中R245fa汽轮机内的压力为0.79MPa，R600a汽轮机内的压力为1.35MPa。

4 结 论

（1）在设定工况下，R600a的热效率较高，压力也较为适中，但由于其不可逆损失较大，单位工质的发电能力较差，且具有爆炸性，因而不能作为最优工质。

（2）一般情况下，非共沸工质有热源的匹配性要优于共沸工质，但不是绝对的。

（3）R245fa各项评价标准的结果均比较优异，比较适合作为设定工况下的ORC工质。

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