低温地热水有机朗肯循环发电工质的优化

作者:胡颢然;吴俐俊;张历华 刊名:电力建设 上传者:郭金多

【摘要】有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)是利用地热发电的重要途径之一,而有机工质的物性是影响ORC发电效率的主要因素。针对地热水的特点,筛选了R134a、R245fa等6种有机工质,并对每种工质的余热发电系统进行计算。从系统的热效率、不可逆损失、压力水平及环保性等方面综合分析,得出R245fa是低温地热水ORC发电系统比较适合的有机工质。

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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(organicrankinecycle,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。1ORC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.1PrincipleofORCpowergenerationsystemwithgeothermalwater(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41);过热蒸气在汽轮机中绝热膨胀,工质对外做功(过程12),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23);液态工质通过工质泵等熵加压并送到热交换器中(过程34)。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。2ORC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

参考文献

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