闪蒸-双工质联合发电系统热力性能比较

罗珂1，2，3，骆超1，2，龚宇烈1，2

（1中国科学院广州能源研究所可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；2广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东 广州 510640；3中国科学院大学，北京 100049）

闪蒸-双工质联合发电系统热力性能比较

罗珂1，2，3，骆超1，2，龚宇烈1，2

（1中国科学院广州能源研究所可再生能源重点实验室，广东 广州 510640；2广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东 广州 510640；3中国科学院大学，北京 100049）

为了筛选出适宜于闪蒸-双工质联合发电系统的循环工质，建立了闪蒸-双工质联合发电系统的热力学模型。在这个计算模型中，采用热水温度范围为100～150℃，热水流量取为36t/h，冷却水进口温度设定为15℃。以单位热水净发电量、热效率、㶲效率和系统不可逆损失作为联合系统性能的评价指标，研究5种有机工质（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a）的运行参数，比较不同地热流体温度条件下这5种有机工质的做功能力，确立了联合发电系统的最佳循环工质。研究结果表明：联合系统的净发电量随着闪蒸温度的增加呈先增大后减小的趋势，每种工质都有一个最佳的闪蒸温度使得联合系统的单位热水净发电量达到最大；综合考虑这5种工质的环保性能和热力学性能，工质R245fa是综合性能最好的工质，可作为闪蒸-双工质联合发电系统的有机工质。

闪蒸-双工质联合发电；工质选择；最佳闪蒸温度；热效率；㶲效率

近年来，全球都面临着越来越严峻的能源问题，随着我国不断推进节能减排政策，很多研究学者逐渐把能源的研究重点放在太阳能、地热能等可再生能源领域[1]。其中，地热能是指蕴藏在地球内部的巨大的天然热能，全球地热资源所拥有的热能约为已探明煤储量热能的1.7亿倍[2]，由于其储量大、分布范围广，并且其开采利用不受昼夜和季节变化的限制，因此越来越多的科研工作者开始关注和研究地热能的开发利用[3-4]。热水发电包括闪蒸系统和双工质循环系统两种基本的能量转换系统。闪蒸-双工质联合发电系统是由单级闪蒸和双工质发电两部分组成的。与单纯的双工质循环系统一样，联合系统中双工质循环部分有机工质的选择对循环系统性能影响也较大。

近年来，国内外的科研工作者对有机朗肯循环的有机工质进行了大量研究[5-8]。束杨等[9]在不同的蒸发温度下，对8种循环工质的热力循环性能进行计算分析，认为R123是适合低温热能有机朗肯循环系统的循环工质。韩中合等[10]选取9种有机工质对其热力循环特性进行了计算分析，认为R245fa作为太阳能低温热发电朗肯循环系统的循环工质具有较高的热效率和㶲效率。SALEH等[11]采用BACKONE 状态方程对31种纯工质进行了热力学物性分析。HUNG等[12]采用甲苯、苯、对二甲苯、R113和R123作为循环工质对回收余热ORC特性进行了分析，结果证明湿工质不适于ORC 系统，同时指出在一定热源条件下，等熵工质R113和R123更适于回收低温余热。WANG等[13]研究了9种工质的物理特性，指出R11、R113、R123和R141B的热力性能较好，R245fa和R245ca的环保性能最好。韩中合等[14]对预选的14种有机朗肯循环工质在热力学特性和经济性两方面进行了优选。刘健等

[15]基于蒸发参数法展开了工质R123和R245fa的优选研究。李惟毅等[16]采用了结合经济性能和㶲效率的综合评价指标对有机朗肯循环的13种有机工质进行了多目标优选。韩中合等[17]选用10种干工质，研究了内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响。

在以往的研究中，只是针对单一的有机朗肯循环有机工质进行了研究，然而对于闪蒸-双工质联合发电系统的有机工质选择，还没有相关的文献进行研究。对于单纯的闪蒸系统和双工质循环地热发电来说，只要闪蒸器采用最佳闪蒸温度、蒸发器采用最佳蒸发温度，单一系统的单位热水发电量就可以达到最大，然而对于闪蒸-双工质联合发电系统来说，由于联合发电系统的净发电量是由闪蒸和双工质发电两部分组成，在单级闪蒸的最佳闪蒸温度下，联合系统的单位热水发电量不能达到最大，联合系统的最佳闪蒸温度大于单一闪蒸系统的最佳温度[18]。联合发电系统呈现出和单一的有机朗肯循环不一样的特性，所以需要对联合发电系统的有机工质进行进一步的研究。

本文以单位热水净发电量、热效率、㶲效率和系统不可逆损失为性能指标，选取5种有机工质，通过数值计算，分析不同地热流体温度下这5种有机工质的做功能力以及热效率等参数随系统闪蒸温度的变化，从而确定联合发电系统的最佳循环工质。

1 有机工质的初选

由于闪蒸-双工质联合发电系统的有机工质就是应用在其有机朗肯循环部分，故联合系统有机工质选择标准和单独的有机朗肯循环系统相似，也应从以下几个方面考虑[19]。

（1）环保性能。应尽量选用无臭氧破坏能力和温室效应低的工质。

（2）化学稳定性。保证有机工质在运行工况最高温度下不分解。

（3）工质的安全性。应考虑选择无毒性或毒性低以及不易燃易爆，对设备管道无腐蚀的流体。

（4）工质的临界参数、正常沸点及凝固温度。工质的临界温度不能太低，要高于运行中的最高温度，同时工质的凝固温度要小于循环中可能达到的最低温度。

（5）工质的流动及换热性能。一般尽量选用对流换热系数高、黏度低的循环工质。

（6）价格、成本要求。工质价格应较低且容易购买到。

综合考虑上述各种要求，并参考有机朗肯循环系统有机工质的选择情况[1,2,5,10]，选取如表1所示的几种工质作为待选工质。这些工质的物性参数来自NIST提供的REFPROP9.0程序。

表1 所选工质的特性参数

2 闪蒸-双工质联合发电系统

如图1所示，闪蒸-双工质联合发电是将闪蒸器分离出的蒸汽用于推动汽轮机直接发电，剩下的饱和水则进入双工质循环部分用来加热有机工质，使之变为蒸汽推动汽轮机进行发电，这种特殊的两级能量转换系统使得地热水资源的热能得到充分利用[20]。

由生产井通过深井泵抽出来的地热水1先进入闪蒸器（亦称降压扩容器）降压闪蒸，生产出一部分低压饱和蒸汽2及饱和水5，然后蒸汽进入凝汽式汽轮发电机组将其热能转变为机械能及电能，残留的饱和水5则进入双工质循环发电系统继续利用。图2是与图1对应的联合系统中闪蒸发电部分的热力循环图；图3是与图1对应的双工质循环发电部分热力循环图。

3 闪蒸-双工质联合发电系统的热力计算模型

分别计算闪蒸系统和双工质系统的各热力学参数[21]，计算过程如式(1)～式(15)所述。

3.1 闪蒸循环

闪蒸循环的最佳闪蒸温度

参考图1及图2，由闪蒸器的热平衡计算如下。

图1 闪蒸-双工质联合发电系统

图2 闪蒸发电系统热力循环图

图3 双工质系统热力循环图

闪蒸循环的蒸汽质量流量

闪蒸循环部分的产汽率

闪蒸电站机组的净发电功率

闪蒸电站机组每吨热水净发电量Ne1

闪蒸电站机组的净热效率

3.2 双工质循环

双工质循环部分蒸发器的最佳蒸发温度

由式(7)可以清楚地看出，双工质循环的最佳蒸发温度t8与闪蒸循环的最佳闪蒸温度t2联系密切，由最佳闪蒸温度t2和冷凝温度Tc2可以确定双工质循环的最佳蒸发温度t8。参见图1和图3，由换热器的热平衡公式计算出有机工质的质量流量。

双工质循环电站机组的净发电功率

双工质循环电站机组每吨热水净发电量

双工质循环电站净热5效率

联合系统的发电净功率

联合系统每吨热水净发电量

联合系统各部分㶲效率如下。

闪蒸循环

双工质循环

联合系统总不可逆损失

4 各工质计算结果及其分析

为了解有机工质的选择对闪蒸-双工质联合发电系统的影响，选择表1中所列举的有机工质进行对比分析，其临界温度依次递增。计算时热水温度范围为100～150℃；热水流量为36t/h；冷却水进口温度为15℃；传热温差取Δtpp=5℃；联合发电系统的热力学参数取单位热水净发电量最大时的数值；厂用电率取x=0.2；汽轮机相对内效率取εoi=0.76；机械效率取εm=0.98；发电机效率取εg=0.97；闪蒸循环部分采用直接冷却的方式，双工质循环部分采用间接冷却方式。另外，忽略预热器、蒸发器、冷凝器和管道中的压力损失；忽略系统的摩擦损失和环境散热损失。表2列出了热水温度100～150℃条件下，不同工质的热力性能参数。

4.1 单位热水净发电量随闪蒸温度变化的影响

单位热水净发电量是评价有机工质做功能力的重要指标。图4为热水温度在100～150℃范围内，联合系统单位热水净发电量随闪蒸温度变化的曲线。随着闪蒸温度的升高，闪蒸-双工质联合发电系统的单位热水净发电量先增大后减小。当单位热水净发电量最大时，此时的闪蒸温度就是联合系统的最佳闪蒸温度，并且随着热水温度的升高，系统的最佳闪蒸温度也不断升高。从图4中可以明显看出，当热水温度在100～150℃时，在闪蒸温度小于系统最佳闪蒸温度时，5种工质的单位热水净发电量区别并不明显；在闪蒸温度大于系统最佳闪蒸温度时，随着热水温度的升高，5种工质的单位热水净发电量差距越来越明显。这是由于闪蒸温度较低时，系统发电量主要来自于闪蒸部分，随着闪蒸温度越来越高，双工质发电部分地位才越来越凸显。从图中可以看出，当联合系统采用最佳闪蒸温度时，R236fa的单位热水净发电量最大，R600a次之，R601a的单位热水净发电量最小。

表2 不同热水温度条件下的性能参数

4.2 热效率随闪蒸温度变化的影响

热水进口温度和流量不变时，由于闪蒸系统的热效率由闪蒸温度确定，所以闪蒸系统在闪蒸温度相同时，采用不同工质的热效率相同。这里只对双工质系统的热效率随闪蒸温度的变化进行研究。热水进口温度选为150℃，图5表示出双工质循环部分的热效率随着闪蒸温度的变化情况。从图5中可以看出，5种工质的热效率都是随着闪蒸温度的提高而升高。其中，R601a和R245fa的热效率最高，并且二者相差不大；R236fa的热效率最低。

图4 闪蒸温度对单位热水净发电量的影响

图5 闪蒸温度对热效率的影响

由于闪蒸-双工质联合发电系统不同于单独的闪蒸系统和双工质系统，为了比较联合系统选择不同有机工质时的热效率，以联合系统的最大单位热水净发电量作为评价指标，对于每一种热水进口温度，系统都对应一个最佳的闪蒸温度。图6给出了热水温度为100～150℃时，在与热水温度对应的最佳闪蒸温度下，联合系统各部分热效率的变化趋势。从图6可以看出，对于闪蒸系统，R601a的热效率最高，R600次之，R236fa的热效率最低，如热水温度为150℃时，在最佳闪蒸温度条件下，R601a的热效率为6.28%，R236fa的热效率为6.0%；对于双工质系统，R245fa的热效率最高，R601a次之，R236fa的热效率最差，如热水温度为150℃时，在最佳闪蒸温度条件下，R245fa的热效率为7.12%，R236fa的热效率为6.98%。由此可见，不管是闪蒸系统还是双工质系统，这5种工质的热效率相差都不是很大。

4.3 㶲效率随热水温度变化的影响

㶲效率是基于热力学第二定律得到的性能评价指标，更能够反映出系统能量的利用程度。这里采用热水温度100～150℃，计算联合系统在最佳闪蒸温度条件下的㶲效率。从图7可以看出，不管对于何种工质，联合系统的㶲效率均随热水温度的升高而升高。这是因为随着热水温度的升高，输入系统的㶲值增高，而闪蒸系统的净输出功增加比例小于系统㶲值增加比例，双工质系统的净输出功增加比例大于㶲值增加比例，联合系统总的净输出功增加比例大于系统㶲值增加比例。这也从侧面说明，热水温度的升高更加有利于双工质系统。对于联合系统而言，R236fa的㶲效率最高，R601a的㶲效率最低。比如在热水温度为150℃时，R236fa的㶲效率比R601a高0.61%。

图6 热水温度对热效率的影响

图7 热水温度对联合系统㶲效率的影响

4.4 不可逆损失随热水温度的变化

如图8所示，对于同一工质，系统在最佳闪蒸温度条件下，不可逆损失都是随着热水温度的升高而升高。这是因为，随着热水温度的升高，输入系统的㶲数值越来越大，输出系统的㶲数值基本变化不大，而系统减少的㶲本身不可能全部用来输出为电能，而是消耗在系统中的不可逆过程造成的㶲损上，所以，整体上系统总的不可逆损失越来越大。从图8可以看出，R601a的不可逆损失最小，R245a次之，R601a和R245fa的不可逆损失相差不大，R236fa的不可逆损失最大，其中在热水温度为150℃时，R236fa比R601a的不可逆损失高3.67%。

图8 热水温度对系统不可逆损失的影响

5 结论

本文在闪蒸-双工质联合发电系统的基础上，为了能够选出合适的有机工质，对经过初步筛选的5种有机工质（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a）进行对比研究，探讨了每种工质用于联合系统在单位热水净发电量、热效率、㶲效率和不可逆损失方面的性能参数，得出如下结论。

（1）联合系统的净发电量随着闪蒸温度的增加呈先增大后减小的趋势，每种工质都有一个最佳的闪蒸温度使得联合系统的单位热水净发电量达到最大；随着热水温度的升高，闪蒸系统㶲效率呈缓慢下降趋势，双工质系统㶲效率呈升高趋势，系统总的㶲效率呈上升趋势，说明热水温度的升高更加有利于双工质系统。

（2）工质R236fa的单位热水净发电量最大，㶲效率最高，但是热效率无论是在闪蒸系统，还是在双工质系统，都是最低的，不可逆损失也最大，并且GWP值较高（为6300），环保性能不是很好；工质R601a的不可逆损失最小，但是㶲效率最低，单位热水净发电量也最小；R600a的单位热水净发电量和㶲效率都排在第2位，其热效率在闪蒸系统和双工质系统都较高，但是其不可逆损失也排在第2位；R245fa的各种性能都处于中间位置，并且与R600a的各方面性能差距不是很大；综合考虑，R245fa具有良好的环境友好性与循环性能，适宜在闪蒸-双工质联合发电系统中使用。

符号说明

e1—— 进入闪蒸器热水㶲值，kJ/kg

e7—— 进入回灌井尾水㶲值，kJ/kg

h1—— 热水质量焓，kJ/kg

h2—— 饱和蒸汽质量焓，kJ/kg

h3—— 闪蒸循环汽轮机出口蒸汽实际质量焓，kJ/kg

h4—— 闪蒸循环泠凝器出口冷凝水质量焓，kJ/kg

h5—— 闪蒸器出口饱和水质量焓，kJ/kg

h7—— 回灌尾水质量焓，kJ/kg

h8—— 双工质循环汽轮机入口热水质量焓，kJ/kg

h9—— 双工质循环汽轮机出口有机工质蒸汽实际质量焓，kJ/kg

h11—— 工质泵入口工质质量焓，kJ/kg

h12——工质泵出口工质质量焓，kJ/kg

I——闪蒸-双工质联合发电系统总不可逆损失，kW

m——联合发电系统闪蒸产气率，%

Ne——闪蒸-双工质联合发电系统每吨热水净发电量，kW·h/t

Ne1——闪蒸系统每吨热水净发电量，kW·h/t

Ne2——双工质系统每吨热水净发电量，kW·h/t

P8——蒸发器蒸发压力，Pa

P11——凝汽器冷凝压力，Pa

qm——热水质量流量，t/h

qm1——闪蒸器产生的蒸汽质量流量，t/h

qm0——有机工质质量流量，t/h

T1——地热水开尔文温度，K

T2——闪蒸循环的最佳闪蒸热力学温度，K

T5——蒸发器入口热源侧开热力学温度，K

T8——双工质循环最佳蒸发热力学温度，K

Tc1——闪蒸循环的冷凝热力学温度，K

Tc2——双工质循环的冷凝热力学温度，K

t1——地热水温度，℃

t2——闪蒸循环的最佳闪蒸温度，℃

t8——双工质循环最佳蒸发温度，℃

Δtpp——传热温差，℃

Wnet——闪蒸-双工质联合发电系统发电净功率，kW

Wnet1——闪蒸循环净输出功率，kW

Wnet2——双工质循环净输出功率，kW

wp——工质泵压缩功，kJ/kg;

V11——冷凝工质的质量体积，m3/kg

x——厂用电率，%

εg——发电机效率，%

εm——机械效率，%

εoi——汽轮机相对内效率，%

εp——工质压缩泵效率，%

ηe1——闪蒸系统电站㶲效率，%

ηe2——双工质系统电站㶲效率，%

ηnet1——闪蒸系统电站净热效率，%

ηnet2——双工质系统电站净热效率，%

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Thermal performance comparison of flash-binary power system

LUO Ke1，2，3，LUO Chao1，2，GONG Yulie1，2
（1Key Laboratory of Renewable Energy，Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，Guangdong，China；3University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

To select a suitable working fluid for flash-binary power system（FBPS），a thermodynamic model for FBPS was established. In this calculation，the heat source temperature of the FBPS is 100—150℃ with a flow rate of 36t/h and cooling water inlet temperature is 15℃. Five organic working fluids（R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a） were selected to analyze their work capacity based on the performance index of net power output per ton of geofluid，thermal efficiency，exergy efficiency and irreversible loss of the system. Finally，the best working fluid was determined. Results showed that the net power output of FBPS increases with the increase of flash temperature and then decreases. Each working fluid has an optimum flash temperature which makes the net power output to be maximum. Taking environmental and thermodynamic performance into consideration，R245fa is the best working fluid for the flash-binary power system.

flash-binary power system；working fluid selection；optimal flash temperature；thermal efficiency；exergy efficiency

TK529

A

1000–6613（2017）04–1521–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.04.048

2016-09-08；修改稿日期：2016-10-28。

国家自然科学基金（5140060664）及广东省科技计划（2014A020223001）项目。

罗珂（1988—），男，硕士研究生，主要从事地热能利用方面的研究。E-mail：luoke@ms.giec.ac.cn。联系人：龚宇烈，博士，研究员，主要从事地热发电和地热综合利用方面的研究。E-mail：gongyl@ ms.giec.ac.cn。