低溫地熱水有機朗肯循環(huán)發(fā)電工質(zhì)的優(yōu)化

  ０ 引 言

 

  隨著(zhù)化石能源的緊缺以及人類(lèi)環(huán)境壓力的加大，人們對于清潔可再生的綠色能源越來(lái)越重視。地熱能源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變，是目前廣泛利用的可再生熱能源之一，隨著(zhù)地下水深處的循環(huán)和來(lái)自極深處的巖漿侵入到地殼后，把熱量從地下深處帶至近表層。地熱能的儲量比目前我們所利用的能量總量還要多，加上地熱能具有清潔性和再生性［１］，許多國家都采用低溫余熱發(fā)電技術(shù)對其加以應用，例如：德國的Ｎｅｕｓｔａｄｔ－Ｇｌｅｗｅ地熱發(fā)電站，采用簡(jiǎn)單亞臨界有機朗肯循環(huán)（ｏｒｇａｎｉｃ ｒａｎｋｉｎｅ ｃｙｃｌｅ，ＯＲＣ），以全氟化戊烷（ｎ－Ｐｅｒｆｌｕｏｒｐｅｎｔａｎｅ，Ｃ５Ｆ１２）為工質(zhì)，以約９８ ℃的地熱水為熱源發(fā)電，發(fā)電量為２１０ｋＷ［２］；美國的阿拉斯加運行著(zhù)１座以７４℃的地熱資源發(fā)電的電站［３］。目前，地熱發(fā)電技術(shù)有地熱干蒸汽透平發(fā)電技術(shù)、地熱熱水閃蒸發(fā)電技術(shù)以及地熱驅動(dòng)的ＯＲＣ發(fā)電技術(shù)，與其他地熱水發(fā)電技術(shù)相比較，ＯＲＣ發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟效益更好。

 

  ＯＲＣ發(fā)電的效果除了受蒸發(fā)溫度、凝結溫度、透平機以及進(jìn)氣溫度等參數的影響外，工質(zhì)的物性也是影響發(fā)電效率的主要因素之一［６］，因而，對工質(zhì)的優(yōu)化選擇就顯得特別重要。文獻［７］基于火用分析為地熱水ＯＲＣ發(fā)電系統篩選出了異丁烷和Ｒ２２７ｅａ這２種比較適合的工質(zhì)。文獻［８］對溫度為３０１００℃，壓力限定為２．０ＭＰａ的地熱機組進(jìn)行了研究，對烷烴、醚及其氟化物等３１種可用于ＯＲＣ的工質(zhì)物性參數進(jìn)行了計算且對ＯＲＣ的設計進(jìn)行了對比，認為在地熱ＯＲＣ中，臨界溫度較低的工質(zhì)（Ｒ１３４ａ，Ｒ１５２ａ）是不錯的選擇。文獻［９］對地熱水溫在３５１１０ ℃的地熱ＯＲＣ機組進(jìn)行了研究，得出：當工質(zhì)的臨界溫度與最高水溫接近時(shí)，使用該工質(zhì)的系統效率較高；使用丙烯和Ｒ２４５ｆａ作為工質(zhì)時(shí)，系統效率較高，在水溫為１００℃時(shí)系統效率分別為１４．６％和１４．１％。目前，文獻中常見(jiàn)的工質(zhì)優(yōu)化分析方法有火用效率、凈輸出功、熱效率、系統能量損失等評價(jià)方法［１０－１１］，本文采用熱效率加不可逆損失方法對ＯＲＣ系統進(jìn)行評價(jià)。

 

  １ ＯＲＣ發(fā)電系統工作原理

 

  地熱水ＯＲＣ發(fā)電系統包括地熱水循環(huán)、ＯＲＣ循環(huán)和冷卻水循環(huán)，系統工作原理如圖１所示。

 

  （１）地熱水循環(huán)系統。地熱水溫度為９５℃左右，經(jīng)過(guò)沉淀池除去雜質(zhì)后，進(jìn)入蒸發(fā)器加熱低沸點(diǎn)的有機工質(zhì)，溫度降到７５℃左右，經(jīng)地熱水泵加壓，可送入居民用戶(hù)作為生活用水。

 

  （２）ＯＲＣ系統。液體工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后，在蒸發(fā)器中等壓吸熱，變成過(guò)熱高溫蒸汽（過(guò)程４—１）；過(guò)熱蒸氣在汽輪機中絕熱膨脹，工質(zhì)對外做功（過(guò)程１—２），變成低溫低壓蒸氣；低壓蒸氣在冷凝器中等壓冷卻至液態(tài)（過(guò)程２—３）；液態(tài)工質(zhì)通過(guò)工質(zhì)泵等熵加壓并送到熱交換器中（過(guò)程３—４）。如此連續循環(huán)，將地熱水中的熱量源源不斷地提取出來(lái)，生成高品位的電能。

 

  （３）冷卻水循環(huán)系統。冷卻水經(jīng)冷凝器等壓冷卻有機工質(zhì)后，溫度升高經(jīng)冷卻水泵加壓送到冷卻塔中，被空氣冷卻后，循環(huán)使用。

 

  ２ ＯＲＣ工質(zhì)的選擇和計算

 

  ２．１ 工質(zhì)選取

 

  選擇ＯＲＣ工質(zhì)時(shí)，力求在熱源條件下使工質(zhì)吸收較多的熱量，并在把吸收的熱量更有效地轉化成功的同時(shí)，也必須使所選擇的工質(zhì)滿(mǎn)足環(huán)保性和安全性要求。因而，所選工質(zhì)應盡量滿(mǎn)足以下要求：（１）工質(zhì)的臨界溫度應該略高于循環(huán)中的最高溫度，以避免跨臨界循環(huán)可能帶來(lái)的諸多問(wèn)題；（２）工質(zhì)的壓力適宜，蒸發(fā)壓力不應過(guò)高，同時(shí)冷凝壓力也不宜過(guò)低，合適的冷凝壓力最好能保持正壓；（３）在Ｔ－Ｓ 圖的飽和蒸氣線(xiàn)上，ｄＳ／ｄＴ 應大于０或接近０；（４）蒸發(fā)潛熱小，粘度低，傳熱系數高，熱穩定性好；（５）安全性高。

 

  應選擇破壞臭氧層潛值（ｏｚｏｎｅ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ＯＤＰ）和全球變暖潛值（ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ＧＷＰ）值較低的工質(zhì)，同時(shí)也要考慮價(jià)格因素且易于獲得。表１是依據制冷劑安全性制定的工質(zhì)安全性分類(lèi)。

 

  （１）地熱水循環(huán)系統。地熱水溫度為９５℃左右，經(jīng)過(guò)沉淀池除去雜質(zhì)后，進(jìn)入蒸發(fā)器加熱低沸點(diǎn)的有機工質(zhì)，溫度降到７５℃左右，經(jīng)地熱水泵加壓，可送入居民用戶(hù)作為生活用水。

 

  （２）ＯＲＣ系統。液體工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵加壓后，在蒸發(fā)器中等壓吸熱，變成過(guò)熱高溫蒸汽（過(guò)程４—１）；過(guò)熱蒸氣在汽輪機中絕熱膨脹，工質(zhì)對外做功（過(guò)程１—２），變成低溫低壓蒸氣；低壓蒸氣在冷凝器中等壓冷卻至液態(tài)（過(guò)程２—３）；液態(tài)工質(zhì)通過(guò)工質(zhì)泵等熵加壓并送到熱交換器中（過(guò)程３—４）。如此連續循環(huán)，將地熱水中的熱量源源不斷地提取出來(lái)，生成高品位的電能。

 

  （３）冷卻水循環(huán)系統。冷卻水經(jīng)冷凝器等壓冷卻有機工質(zhì)后，溫度升高經(jīng)冷卻水泵加壓送到冷卻塔中，被空氣冷卻后，循環(huán)使用。

 

  ２ ＯＲＣ工質(zhì)的選擇和計算

 

  ２．１ 工質(zhì)選取

 

  選擇ＯＲＣ工質(zhì)時(shí)，力求在熱源條件下使工質(zhì)吸收較多的熱量，并在把吸收的熱量更有效地轉化成功的同時(shí)，也必須使所選擇的工質(zhì)滿(mǎn)足環(huán)保性和安全性要求。因而，所選工質(zhì)應盡量滿(mǎn)足以下要求：（１）工質(zhì)的臨界溫度應該略高于循環(huán)中的最高溫度，以避免跨臨界循環(huán)可能帶來(lái)的諸多問(wèn)題；（２）工質(zhì)的壓力適宜，蒸發(fā)壓力不應過(guò)高，同時(shí)冷凝壓力也不宜過(guò)低，合適的冷凝壓力最好能保持正壓；（３）在Ｔ－Ｓ 圖的飽和蒸氣線(xiàn)上，ｄＳ／ｄＴ 應大于０或接近０；（４）蒸發(fā)潛熱小，粘度低，傳熱系數高，熱穩定性好；（５）安全性高。

 

  應選擇破壞臭氧層潛值（ｏｚｏｎｅ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ＯＤＰ）和全球變暖潛值（ｇｌｏｂａｌ ｗａｒｍｉｎｇ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ＧＷＰ）值較低的工質(zhì)，同時(shí)也要考慮價(jià)格因素且易于獲得［１２－１４］。表１是依據制冷劑安全性制定的工質(zhì)安全性分類(lèi)。

 

  文獻［１５］針對８０１００℃的地熱水ＯＲＣ，選出性能較好的Ｒ６００、Ｒ６００ａ、Ｒ１２４、Ｒ１４２ｂ、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａ、Ｒ２４５ｆａ和Ｒ２４５ｃａ這８種純工質(zhì)以及Ｍ０１、Ｍ０２和Ｍ０４這３種混合工質(zhì)。本文結合設定工況的特點(diǎn)（９５℃地熱水）和ＯＲＣ系統對工質(zhì)的要求，初步篩選出Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等６種有機工質(zhì)［１６］進(jìn)行計算比較，工質(zhì)的物性參數如表２所示。

 

  表２中，Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ為純工質(zhì)，Ｒ６００ａ、Ｒ２９０為烷氫（異丁烷，丙烷），Ｒ４０７ｃ、Ｒ４１３ａ為非共沸混合工質(zhì)，其臨界溫度和環(huán)保型均滿(mǎn)足工質(zhì)的選取標準。

 

  ２．２ 設定工質(zhì)狀態(tài)參數

 

  假設本低溫余熱發(fā)電功率為１００ ｋＷ，地熱水進(jìn)口溫度約為９５℃，出口溫度為７５℃，蒸發(fā)器中地熱水與工質(zhì)的最小換熱溫差?。保啊?，則工質(zhì)在蒸發(fā)器內最高溫度為８５℃。假定環(huán)境溫度為２５℃，冷卻水進(jìn)冷凝器前的溫度?。常础?，出口溫度?。常啊?，冷凝器內冷卻水與工質(zhì)的溫差?。怠?，從而可確定工質(zhì)的冷凝溫度為３９℃。

 

  根據ＯＲＣ原理，在理想狀況下，可確定工質(zhì)在Ｔ－Ｓ圖上各狀態(tài)點(diǎn)的物性參數，如圖２所示。

 

  從圖３可看出，在設定工況下下，各工質(zhì)的熱效率相差不大，為１０．２４％１１．３９％，其中混合工質(zhì)Ｒ４０７ｃ的熱效率最高為１１．３９％。

 

  ３．２ 系統不可逆損失比較

 

  系統的不可逆損失反映了能量梯級利用的程度，即工質(zhì)把從低溫熱源吸收的熱量有效轉化成功的程度，工質(zhì)的不可逆損失如圖４所示。

 

  Ｆｉｇ．４ Ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ＯＲＣ ｓｙｓｔｅｍ從圖４可看出：Ｒ６００ａ和Ｒ２４５ｆａ這２種工質(zhì)不可逆損失較大，而２種非共沸混合工質(zhì)Ｒ４０７ｃ、Ｒ４１３ａ的不可逆損失較小，這是因為一般情況下非共沸工質(zhì)與熱源有更好的匹配性；Ｒ１３４ａ的不可逆損失最小，說(shuō)明在相同的工況下非共沸工質(zhì)的不可逆損失并不一定比共沸工質(zhì)小。

 

  ３．３ 質(zhì)量流量比較

 

  在發(fā)電功率一定的情況下，單位工質(zhì)的發(fā)電能力與所需工質(zhì)的流量成反比。從式（２）可以看出，工質(zhì)在汽輪機中的焓降越大，系統所需工質(zhì)的流量越小。

 

  工質(zhì)的流量是工質(zhì)泵選型的重要參數，由于國內生產(chǎn)的機械隔膜泵和液壓隔膜泵額定流量較小，一般不超過(guò)３ ０００Ｌ／ｈ。另外，工質(zhì)流量大會(huì )要求工質(zhì)泵的功率要大，從而會(huì )降低整個(gè)系統的效率從而降低系統的經(jīng)濟效益。為降低系統設備成本，提高經(jīng)濟效益，應盡量選擇流量小的工質(zhì)。發(fā)電功率為１００ｋＷ 時(shí)，工質(zhì)的流量計算如圖５所示。

 

  從圖５可看出：在設定工況下，各個(gè)工質(zhì)的流量相差較大；２種混合工質(zhì)的流量相對比其他工質(zhì)要大，其中Ｒ４１３ａ最大為７．８６ｋｇ／ｓ，可見(jiàn)其單位工質(zhì)的做工能力較差。

 

  ３．４ 系統汽輪機內壓力的比較

 

  汽輪機內的壓力包括蒸發(fā)壓力（極大值）和冷凝壓力（極小值），壓力需適宜，壓力過(guò)大對設備的耐壓強度要求高，一方面會(huì )增加投入的成本，另外一方面密封性往往難以達到要求，目前國內一般汽輪機內的壓力不宜超過(guò)２ＭＰａ，如果壓力過(guò)低，系統外的空氣容易進(jìn)入系統。一般情況下，冷凝壓力均滿(mǎn)足要求，因而這里只考察蒸發(fā)壓力。設定工況下，ＯＲＣ系統汽輪機內的壓力如下圖６所示。

 

  由圖６可看出：只有Ｒ２４５ｆａ和Ｒ６００ａ的壓力較為適合，其他幾種工質(zhì)均略大，其中Ｒ２４５ｆａ汽輪機內的壓力為０．７９ ＭＰａ，Ｒ６００ａ 汽輪機內的壓力為１．３５ＭＰａ。

 

  ４ 結 論

 

  （１）在設定工況下，Ｒ６００ａ的熱效率較高，壓力也較為適中，但由于其不可逆損失較大，單位工質(zhì)的發(fā)電能力較差，且具有爆炸性，因而不能作為最優(yōu)工質(zhì)。

 

  （２）一般情況下，非共沸工質(zhì)有熱源的匹配性要優(yōu)于共沸工質(zhì)，但不是絕對的。

 

  （３）Ｒ２４５ｆａ各項評價(jià)標準的結果均比較優(yōu)異，比較適合作為設定工況下的ＯＲＣ工質(zhì)。