（工程热物理专业论文）低温地热发电orc工质与系统经济性优化研究.pdf

中文摘要 开展低温地热发电o r c 技术研究，将极大地促进数量庞大的低温地热能资 源的开发利用，大幅减小发电用化石燃料消耗及相应的温室气体、大气污染物的 排放，为可持续发展提供重要能源支持，带来巨大的社会效益与经济效益。低温 地热发电o r c 技术研究应以取得高的系统经济性为研究目标，工质及循环参数 的优化选择是改善系统性能、技术经济性的一个重要方面。 考虑到低温地热资源的温度范围为7 0 1 0 0 0 c ，本文在蒸发温度6 0 9 0 0 c 范围 内对3 5 种纯质及1 2 种混合工质的理论循环性能进行评价，筛选出了2 0 种( 1 3 种纯质和7 种混合工质) 综合理论循环性能较优的低温地热发电o r c 系统的适 用工质。 本文根据地热资源的利用特点，提出以系统的单位净输出功率要求的传热面 积( a p r ) ，以及系统的单位净输出功率对应的汽轮机中工质的体积流量( v p r ) 为系统经济性优化目标函数。 在指定相同的热源条件( 地热水的进口温度、流量) 、冷源条件( 冷却水的 进口温度) ，相同的冷凝温度下，采用窄点分析方法，以a p r 和v p r 为目标函 数，并参考工质的净输出功率和膨胀比的变化情况，对理论循环性能较优、样品 可得的l o 种纯质和3 种混合工质，进行系统经济性优化计算，寻找工质的最优 蒸发温度工况；并对各种工质在其最优工况下的系统经济性进行对比评价。研究 结果表明，所考察工质的目标函数a p r 和v p r 均随蒸发温度的升高单调递减； 纯质r 15 2 a 、r 2 4 5 c a 、r 2 4 5 f a 和r 6 0 0 ，以及混合工质m 1 2 ，适用于低温地热发 电o r c 系统。本文以l 也4 5 f a 为例，讨论对比低温地热发电与中温地热发电o r c 系统的经济性。 对低温地热发电o r c 系统的应用进行初步探索，提供了以r 1 5 2 a 为工质的 系统主要部件( 汽轮机、蒸发器、冷凝器、水泵及工质泵) 的设计选型相关参数。 关键词：低温地热发电o r c 工质理论循环性能目标函数系统经济性优化 a b s t r a c t 1 1 1 el o w - t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lo r ct e c h n o l o g yh a sb i gp o w e rt op r o m o t e e x p l o i t a t i o na n du s a g eo fl o w t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lr e s o u r c ew h i c hh a se n o r m o u s q u a n t i t ya n dt od e c r e a s ec o n s u m p t i o no ff o s s i lf u e lf o rp o w e rg e n e r a t i o na n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x h a u s to fg r e e nh o u s eg a s e sa n da i rp o l l u t a n t s ，m a k i n gg r e a t c o n t r i b u t i o nt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o n ei m p o r t a n ta s p e c to ft h ei n v e s t i g a t i o n s o nl o w - t e m p e r a t u r e0 r ct e c h n o l o g yi st oa c h i e v eh i g h e rs y s t e me c o n o m y , w h i c h m a i n l yd e p e n d so nt h ec h o i c eo fw o r k i n gf l u i d sa n dc y c l ep a r a m e t e r s i nt h i s t h e s i s ，c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r eo fl o w t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a l r e s o u r c ei sg e n e r a l l yi nt h er a n g eo f 7 0t o10 0o c ，t h e o r e t i c a lc y c l ep e r f o r m a n c e so f 3 5p u r ew o r k i n gf l u i d sa n d12m i x t u r e sh a db e e ne v a l u a t e di nt h ee v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r er a n g eo f6 0t o9 0o c a n d2 0o u to f4 7w o r k i n gf l u i d si n c l u d i n g13p u r e f l u i d sa n d7m i x t u r e sw e r ep r o p o s e dt ob eu s e di nl o w t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lo r c s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a k i n gu s eo ft h eg e o t h e r m a lr e s o u r c e ，a c o m p r e h e n s i v es y s t e me c o n o m i co p t i m i z a t i o nf u n c t i o nw h i c hi n c l u d e st w of a c t o r s ， t h a ti s ，a p ra n dv p i lw a sp r o p o s e d a p rm e a n st h er a t i oo ft o t a l lh e a tt r a n s f e ra r e a ( t h ea r e ao fc o n d e n s e rp l u st h a to fe v a p o r a t o r ) a n dn e tp o w e rg e n e r a t e dw h i l ev p r m e a n st h er a t i oo fv o l u m ef l o wo fw o r k i n gf l u i di nt u r b i n ea n dn e tp o w e ro ft h e s y s t e m t h es y s t e me c o n o m i e so f10p u r ef l u i d sa n d3m i x t u r e sr e c o m m e n d e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i si n t h i st h e s i sw e r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r a t i v e l ya s s e s s e dw i t h p i n c hp o i n ta n a l y s i sm e t h o d o l o g y , a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gn e tp o w e rg e n e r a t e da n d t h er a t i oo fv o l u m ef l o wr a t ea tt h ei n l e to ft u r b i n et ot h a to ft h eo u t l e ta sw e l la sa p r a n dv p ra m o n gd i f f e r e n tw o r k i n gf l u i d si n v e s t i g a t e d d e s i g n a t i n gt h es a m ei n l e t t e m p e r a t u r ea n dm a s sf l o wr a t eo fh e a ts o u r c e ，t h es a m ei n l e tt e m p e r a t u r eo f h e a ts i n k a n dc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e i ti ss h o w nt h a ta p ra n dv p ro fa l lt h ew o r k i n gf l u i d s i n v e s t i g a t e dd e c r e a s e w i t ht h ei n c r e a s eo fe v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e a m o n gt h e w o r k i n gf l u i d s ，p u r eo n e ss u c ha sr 15 2 a , r 2 4 5 c a , r 2 4 5 f aa n dr 6 0 0a n dm i x t u r e s m a r k e dm 1 2a r ea p p r o p r i a t ef o rl o w t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lo r cs y s t e m s 1 1 1 e d i f f e r e n c e so fs y s t e me c o n o m i e sb e t w e e nl o w a n dm o d e r a t et e m p e r a t u r eg e o t h e r m a l o r c p o w e rs y s t e mw e r ea l s od i s c u s s e dt a k i n gr 2 4 5 f aa st h er e f e r e n c ew o r k i n gf l u i d t h ep r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o no nt h ea p p l i c a t i o no fl o w - t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a l o r cs y s t e m sw a sc a r r i e do u t t h er e f e r e n c ew o r k i n gf l u i dw a sr 15 2 a ，t h e r e c o m m e n d e do n ei nt h i st h e s i s a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sf a c i l i t a t i n gt o d e s i g no rc h o o s ea p p r o p r i a t et u r b i n e ，e v a p o r a t o r , c o n d e n s e r , w a t e rp u m pa n dw o r k i n g f l u i dp u m pw e r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a ls y s t e m ，o r cw o r k i n gf l u i d s ， t h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c e s ，o b j e c t i v ef u n c t i o n , s y s t e me c o n o m i co p t i m i z a t i o n 天津大学硕士学位论文发表论文和科研情况说明 压力 温度 温差 密度 比容 质量流量 体积流量 定压比热 比熵值 下角标 e 蒸发、蒸发器 d e w 露点 w 特指水 w f 工质 w s 水侧 w f s 工质侧 w p 水泵 i n 进口 a c t u a l 真实平均 m p a o c o c k g m 3 m 3 k g k g s m 3 s k j k g 。k k j k g k 符号表 换热量 平均温度 换热面积 导热系数 换热系数 传热系数 动力粘度 比焓值 功 c 冷凝、冷凝器 b u b 泡点 g w 地热水 b 标准沸点 n e t 净 t 总 g r o s s 总 o u t 出口 l m t d 对数平均温差 k k k m m m 蜒 w。嘣嘣衄w q一丁彳2 口k 厅形 h 1 上 l p ， 尸丁加p v廊咖勺s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：1 该衔谰签字日期：硼f 年莎月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 讳乓备二阳 导师签名： 签字日期：7 呵年莎月歹日 孤儒拂l 夏 签字吼唧年6 月歹e ? 天津大学硕士学位论文第上章绪论 第一章绪论 1 1 低温地热发电技术的研究背景 1 1 1 低温地热发电技术的研究意义 开展可再生能源利用技术研究，对于促进可再生能源开发利用，减小化石能 源消耗和c 0 2 、s 0 2 、n o 。等温室气体和环境污染物的排放，实现可持续发展， 具有重要意义。地热能作为一种可再生能源，其开发利用正得到迅猛发展。近5 年来，全世界地热能的利用量，以年均约1 3 的速度增长。我国的可再生能源 中长期发展规划中，提出了“到2 0 1 0 年，地热能年利用量达到4 0 0 万吨标准煤， 到2 0 2 0 年，地热能年利用量达到1 2 0 0 万吨标准煤”的发展目标。 地热能的利用，有发电( 热能转换为电能) 利用和直接热利用两种方式( 一 此外，对于高温地热资源，在有供热需求的情况下，还可考虑热电联供方式) 。 不同利用方式的选择，在社会效益和特定的需要之外，主要取决于经济性。而经 济性，( 在政府扶持政策之外) 则取决于两个方面：资源的温度水平和利用技术 水平。就地热能的发电利用而言，一方面，在特定的技术水平下，高温资源发电 的经济性好于中低温资源，并存在一个可经济利用的热源温度一低于该温度，发 电利用变得不经济，只能作直接热利用，若缺乏热需求，资源就得不到开发。另 一方面，技术进步则在不断降低资源的发电利用经济温度。在传统的水蒸汽朗肯 循环、千蒸汽和闪蒸系统技术下，只有高温资源( 2 2 0 0 c ) 才具有商业发电的经 济性 1 】；而有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i l l ec y c l e ，o r c ) 及其它双循环技术【2 3 ，4 】 的应用，则使得1 0 0 2 2 0 0 c 的中温地热资源，也具备了发电利用的经济性。扩大 可经济利用的资源范围，是技术进步带来的重大效益。 近年来，随着能源与环境问题带来的挑战的不断加大，可持续发展、重视社 会效益的意识的加强，政府优惠政策、c 0 2 排放税、环境污染治理成本等经济影 响因素的出现，以及从技术角度看o r c 技术在中温地热发电中的成功应用，资 源量最为丰富、而以往一直被认为不具备发电经济性的、温度低于1 0 0 0 c 的低温 地热资源( 特别是7 0 1 0 0 0 c 范围的资源) 的发电潜力和经济性前景，正得到越 来越多的关注p j 。 勘探表明，我国有丰富的地热资源，资源遍布全国各地，可开采资源量约为 3 3 亿吨标准煤。但我国的地热田均属热水型热储，且以6 0 1 0 0 0 c 的低温资源为 天津大学硕士学位论文第一章绪论 主，中高温资源较少，主要分布在藏南、川西、滇西地区。在目前已得到开发利 用的地热资源中，除西藏的中高温热水资源( 井口水温1 4 0 1 6 0 。c ) 用于发电外， 其余主要作直接热利用，用于建筑采暖、供应生活热水、保健疗养和种植养殖等。 目前我国地热能的开发利用量，接近可再生能源中长期发展规划中提出 的“到2 0 1 0 年，地热能年利用量达到4 0 0 万吨标准煤”的目标，但相对于3 3 亿吨 标准煤的资源量可谓微乎其微。中高温资源的装机潜力约为6 0 0 0 m w ，而现有地 热发电装机容量仅为2 5 m w ；低温资源方面，大量资源由于资源所处位置附近缺 乏更多的热需求，又缺乏具有良好经济性的发电利用技术，而不能得到开发。 设想若能经济地对低温地热能资源作发电利用，无疑将极大地促进数量庞大 的低温地热能资源的开发利用，大幅减小发电用化石燃料消耗及相应的温室气 体、大气污染物的排放，为可持续发展提供重要能源支持，带来巨大的社会效益 与经济效益。 1 1 2o r c 技术作为低温地热发电动力循环技术的选择 低温地热发电技术研究应以取得高的系统经济性为研究目标。从中温地热发 电技术实践所表明的经济性来看，闪蒸系统和以水为工质的常规朗肯循环技术， 已被证明技术经济性差而被o r c 技术取代。关于中温发电领域中的循环，o r c 之外，在某种程度上被认为经济可行的动力循环，还有t f c 6 ( t r i l a t e r a lf l a s h c y c l e ) ，和广为人知的k a l i n a 循环【2 7 s 】。 e t f c 包括液体加热、两相膨胀、冷凝、液体压缩四个基本过程。其独到优 势为，加热过程中可实现工质与热源流体温度变化的完美匹配。对于低温显热源 发电而言，这种温度匹配可谓弥足珍贵，它可以最大限度地保证低温发电本就很 有限的循环温差。这一突出优点，也使得t f c 具有比其它循环更高的理论内可 逆循环效率。但问题在于，其两相膨胀过程中工质的容积膨胀比达到1 0 0 ：1 的量 级，这就使得：一，实际膨胀过程的绝热效率以及系统经济性大受影响；二，技 术上实施难度很大：三，勉强以多级膨胀机执行膨胀过程，不仅使系统变得复杂， 多台膨胀机、级间汽液分离器的费用，也将大大影响其系统经济性。或许可以说， t f c 作为循环具有独到的优势，但难以形成有效的循环实施技术一如“o r c 技术” 般的“t f c 技术”。t f c 至今尚无实际应用。 e k a l i n a 循环技术，在循环上，着眼点同样是改善换热过程中工质与热源流 体温度间的匹配度，并有不错的效果。在循环实施技术上，以n h 3 h 2 0 溶液为 工质，通过增设分馏装置来改变工质的浓度。但分馏装置的设置，增加了系统的 复杂性，也增加了系统造价；出于分馏的需要，使得工质膨胀过程的终态上移， 不利于循环效率；以有毒、可燃易爆的n h 3 作为工质的组元，不仅存在处理上 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的麻烦，防护措施也造成费用的增加。若将k a l i n a 循环技术用于经济性本就不 足的低温地热发电，这些问题对经济性的影响会更大。k a l i n a 循环技术自提出以 来，研究者众多，但迄今只有冰岛的h f i s a v l k 地热发电站( 地热水温度为1 2 4 0 c ， 冷却水温度为5 0 c ) 实际应用了k a l i n a 循环技术，而从该电站的运行数据看，并 未取得k a l i n a 循环技术所预期的高性能p 】。 e o r c 技术已有几十年的中温发电应用经验，技术相对成熟，应用系统遍布 世界各地。与t f c 形成明显对比的是，o l 犯系统的关键部件一汽轮机，已有成 熟的设计制造技术。o r c 汽轮机的效率高达8 5 ，而且有出色的部分负荷性能， 机组容量可大到几百m w 。低温发电系统采用o r c 技术，可充分利用其在中高 温发电应用中发展起来的成熟部件，至少可利用其研究和设计经验。 因此，以o r c 及其相关技术作为低温地热发电的动力循环技术，是一种自 然的选择；在借鉴中温o r c 技术基础上，研发与低温热源相适应的o r c 技术， 自然应该成为低温地热发电技术的研发路线。 1 2 低温地热发电0 r c 技术的研究现状 研究方面，m a i z z a 1 0 】等对1 1 种常见的氟利昂类纯质及9 种混合工质，在蒸 发温度为8 0 1 1 0 0 c ，冷凝温度3 5 6 0 。c 时，计算它们在o r c 系统中的效率，计 算结果表明纯质中r 1 2 3 、r 1 2 4 ，混合工质中r 4 0 1 c 效率最优o b a h a as a l e h 1 1 】 等对温度为3 0 1 0 0 0 c ，压力限定为2 0 b a r 的地热机组o r c 进行了研究。该文基 于b a c k o n e 状态方程，对包含烷烃、醚及其氟化物在内的3 1 种可用于o r c 的纯 质进行了理论循环性能计算，并对o r c 的设计进行了对比。结果表明：在地热 有机朗肯循环中，临界温度较低的工质，如r 1 2 4 a 、r 1 5 2 a ，是不错的选择。 b o r s u k i e w i c z g o z d 一1 2 j 等对地热水温在3 5 1 1 0 0 c 的地热o r c 机组进行研究，并 得出以下结论：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r 2 4 5 f a 作为工质时系统效率较高，在水温为1 0 0 0 c 时分别为 1 4 6 和1 4 1 。h e t t i a r a c h c h i 等【5 j 对7 0 9 0 0 c 地热水发电的o r c 系统进行了理 论仿真，指出工质的选择对系统的性能有重要影响：对经济性予以关注，以单位 功率输出的换热器面积最小为目标函数，对氨、r 1 2 3 、正戊烷和p f 5 0 5 0 等四种 工质进行了系统性能对比分析。k a r e l l a s 掣”】在对中温( 考虑的地热水温度范围 为9 0 1 6 0 0 c ) o r c 的理论分析中，涉及到9 0 1 0 0 0 c 的低温部分，但给出的计算 结果热源温度为1 1 0 1 6 0 0 c ，以汽轮机进口温度相同为比较条件，对两种工质 r 1 3 4 a 和r 2 2 7 e a 对比了亚临界o r c 和超临界o r c 的循环热效率。 这些已有研究还只限于理论分析，尚无实验研究文献报导；讨论的工质绝大 天津大学硕士学位论文第一章绪论 部分为纯工质，很少涉及换热过程中与热源有更好温度匹配、因而具有提高循环 效率潜力的非共沸混合工质；只是从热力学角度分析循环，缺少结合传热性能、 流动特性的分析。 尽管目前直接关于低温地热发电o r c 技术的研究还很少，但低温地热发电 o l 犯技术的研究应建立在借鉴中温o r c 技术的基础上。中温地热或余热发电 o r c 技术研究文献相对丰富，在基础研究相关方面，提供了下述可借鉴的成果： 关于系统经济性优化的目标函数。文献中提出了多种有意义的指标，包括 ( 相同热源条件下) ：循环的热效率，系统的净效率，循环的可用能效率，系统的 可用能效率，系统的净功率输出，单位质量流量热源流体的系统净功率输出，单 位净功率输出的费用，单位净电功率输出的换热器面积等。 关于亚临界o r c 与超临界o r c 。端 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 中比较一致的观点为：对于 显热源，在亚临界o r c 中采用非共沸混合工质，或采用超临界o r c ，可在蒸发 器；l l l ：l 热器中实现比纯工质亚临界o r c 更好的工质一热源流体温度匹配，因而能 给出更好的系统性能。 关于工质与循环参数优化。关于工质，文献 5 , 6 , 1 8 】中比较一致的观点为：工 质选择可极大地影响系统的性能，工质的优化选择是改善性能的一个重要方面； 关于循环参数优化，普遍的做法为：给定热源条件下，以窄点分析法确定工质在 o r c 中的加热过程的压力( 对亚临界o r c 亦即确定蒸发温度) ，继而对有无过 热、是否需要设回热器等优化。 1 3 低温地热发电o r c 技术的工程实例 由于人们正在重新认识低温地热资源的发电潜力和经济性前景，目前关于低 温地热发电技术的研究报导还很少。但有些出人意料的是，虽然研究报导、特别 是基础研究报导很少，却已经有了应用实践：日本北海道浊川地热田和九州地热 田，在1 9 7 8 年即有1 m w 发电容量，采用双工质o r c 发电系统，前者使用r 1 1 4 为工质，而后者则使用异丁烷【1 9 1 。德国的n e u s t a d t g l e w e 地热发电站 2 0 1 ，采用 简单亚临界o r c ，以全氟化戊烷( n 。p e r f l u o r p e n t a n e ，c s f l 2 ) 为工质，以约9 8 0 c 的地热水为热源发电，发电量为2 1 0k w ；阿拉斯加运行着一座以7 4 0 c 的地热资 源发电的电站【2 lj ；另外据称以色列的o r m a t 公司亦成功开发出以9 0 0 c 余热发 电的技术，但未见报导。目前尚未见到关于前两者的技术经济性数据或分析的报 导。 我国曾于上世纪7 0 年代一8 0 年代，大力度地开展了地热发电试验，先后建 立了一批以6 7 9 2 0 c 的低温地热水发电的试验电站，采用“双循环”( 含义比o r c 天津大学硕士学位论文第一章绪论 更广，泛指以地热水之外的物质为工质的循环，不仅限于有机工质，也不仅限于 朗肯循环。但实践中以丁烷等有机工质为主，以o r c 为主) ，机组容量在 5 0 3 0 0 k w 的范围。由于效率低、经济性差、技术可靠性差等原因，多数机组已 停运，但有两台1 0 0 k w 机组( 辽宁熊岳，地热水初温7 5 0 c ) 目前仍在运行。 1 4 低温地热发电o r c 技术有待研究的问题 低温地热发电o r c 技术研究，尽管有上述中温发电o r c 技术研究成果供参 考，但在基础研究相关的方面上，仍有许多研究工作有待开展。主要包括一下几 个方面： ( 1 ) 根据低温地热资源的特点，建立科学的经济性优化目标函数； ( 2 ) 低温地热发电工况下，亚临界o r c 与超临界o r c 的对比； ( 3 ) 循环参数的优化； ( 4 ) 适用于低温地热发电工况的o r c 工质，充分关注非共沸混合工质。 1 5 本文主要研究内容 由上述可见，关于综合环境特性与循环性能俱优的低温地热发电o r c 系统 适用工质的提出，系统经济性优化目标函数的建立，系统工质与循环参数的优化， 以及后继的针对优良工质的热物性研究与应用研究，均有待进一步开展。 本文主要内容如下： ( 1 ) 考虑到低温地热资源的温度范围为7 0 1 0 0 0 c ，本文依据o r c 工质的筛 选标准，在蒸发温度6 0 9 0 0 c 范围内，对多种纯质及混合工质的理论循环性能进 行评价，完成工质的初选； ( 2 ) 根据低温地热资源的利用特点，建立科学的系统经济性优化目标函数。 ( 3 ) 利用本文提出的系统经济性优化目标函数，选用适当的优化方法和计算 工具，对低温地热发电o r c 系统进行工质和循环参数优化，为系统实际应用推 荐适宜工质及其最优运行工况； ( 4 ) 对低温地热发电o r c 系统的应用进行初步探索。 天津大学硕士学位论文第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 低温地热发电o r c 系统理论循环性能分析，是通过忽略一些次要因素的影 响( 如蒸发器和冷凝器中的压降) ，将工质在o r c 系统中经历的实际循环过程， 简化提炼为理论循环模型，根据工质的热力学性质评价其理论循环性能的一种稳 态简化方法。并且，在理论循环分析中，不考虑具体设备情况、工质在输运性质 ( 导热系数、动力粘度等) 和溶油特性等方面的差异，并对所有工质指定相同的 内循环参数及汽轮机效率、工质泵效率进行循环性能计算，比较不同工质在相同 工况及汽轮机效率下的热效率、单位质量输出功、汽轮机进口比容、膨胀比等参 数。优良的热力学性能是循环工质的必备条件，所以通过理论循环性能分析进行 j 工质的初步选择是合理的，为实验研究奠定基础。 非共沸混合工质具有等压相变滑移的特性，如果能保证其与地热流体以及冷 却水之间形成良好的温度匹配关系，可减少传热温差带来的不可逆损失，提高系 统效率和经济性；另外通过组元以及组分的变化形成不同的混合工质，不仅可以 扩大可选物系的范围，而且通过利用组元间的优势互补可获得满意的循环性能。 故本文的研究对象既包括纯质，也包括以纯质为组元的混合工质。 考虑到低温地热资源温度范围为7 0 1 0 0 0 c ，本文依据o r c 工质的筛选标准， 在蒸发温度6 0 9 0 0 c 范围内，评价纯质和混合工质的理论循环性能，完成工质的 初选。 2 1 低温地热发电o r c 系统简介 低温地热o r c 系统的示意图如图2 1 所示，包括蒸发器、冷凝器、汽轮机、 水泵和工质泵等主要部件。 天津大学硕士学位论文 第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 图2 - 1 低温地热发电o r c 系统示意图 系统的运行原理为：低温低压工质经过工质泵加压进入蒸发器，在蒸发器中 与地热流体进行热交换吸收热量，发生相变。此时工质一般为饱和气态或有一定 的过热度。然后，工质进入汽轮机膨胀做功，工质的热能转化为轴功来驱动发电 机。汽轮机捧出的低压工质蒸汽进入冷凝罂放热变为饱和液态，再次进入工质 泵，完成一次循环过程。图2 - 2 为o r c 理论循环过程示意图。o r c 理论循环包 括以下基本过程： 1 - 2 ：等熵膨胀过程( 汽轮机，l 一2 考虑到等熵效率) 2 - 3 ：等压冷凝过程( 冷凝器) 3 _ 4 ；等熵压缩过程( 工质泵，3 - 4 。考虑到工质泵效率) 4 - i ：等压蒸发过程( 蒸发器) t l 图2 - 2 0 r c 理论循环过程示意圈 三。 o 一 天津大学硕士学位论文第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 2 2 低温地热发电o r c 系统工质的筛选原则 ( 1 ) 环境性能 。 环境因素是选择工质的首要标准，应不破坏臭氧层，即o d p 值为0 ；温室 效应尽可能小，即g w p 值尽可能小。 ( 2 ) 理化和输运性能 1 ) 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全； 2 ) 化学、热稳定性好，不易分解，不与接触的系统构件发生化学作用； 3 ) 导热系数高，粘度小，流动性好。 ( 3 ) 热力学性能 1 ) 适中的压力：冷凝压力不低于大气压力，蒸发压力在系统可承受的压力水 平范围之内； 2 ) 液相比热要小，即液相饱和线要尽可能垂直； 3 ) 汽轮机出口比容应尽量小，进而可减小汽轮机的尺寸； 4 ) 饱和蒸汽线应尽量垂直，以保证膨胀不进入湿蒸汽区； 5 ) 较高的系统效率。 2 3 计算方法 2 3 1 计算工具 课题组【2 4 】的前期关于中高温热泵的研究表明，三参数通用立方型p t 状态方 程及其混合规则【27 】在制冷、空调、热泵、中高温热泵工质的热力学性质与理论循 环性能分析计算中，有较高的计算精度和较好的性能( 计算快速、稳定可靠) 。郑 臣明【2 5 】对a s h r a e 数据手册中所列全部制冷剂，利用汽液平衡实验数据拟合了 p t 状态方程的参数，使具体物质的p t 方程达到更高的精度。 所以，本文仍然选择p t 状态方程及其混合规则【2 6 】作为计算工具。p t 状态方 程及其混合规则【z7 j 的形式简列如下： p = 而r t 一石碉a f 硐t 口 丁】= q 。( r 2 疋2 h i ，6 = q 。( r r o l p o ) ，c = n ( r t o p o ) 口：h + 尸o t 。1 2 ) f q 。= 1 - 3 6 。，q 。= 3 舅+ 3 ( 1 一蜘。+ q ；+ l 一3 幺 ( 3 1 a ) ( 3 1 b ) ( 3 1 c ) ( 3 1 d ) 天津大学硕士学位论文第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 而q 。是方程 q ；+ ( 2 3 幺：硷；+ 3 舅q 。一乒= 0 的最小正根。f 、乒为偏心因子的函数： f ：0 4 5 2 4 1 3 + 1 3 0 9 8 2 国一0 2 9 5 9 3 7 功2 乞= 0 3 2 9 0 3 2 - 0 0 7 6 7 9 9 国+ 0 0 2119 4 7 国2 ( 3 1 e ) ( 3 1 f ) ( 3 1 9 ) 式中，z = 叫c 。对于每一种具体的流体，确定状态方程的三个参数a ，b 、 c ，只需要流体的临界压力、临界温度i 和偏心因子国。在流体汽液平衡实验 数据充足的情况下，亦可由实验数据求取特定物质的f 、0 ，将使具体物质的 p t 方程达到更高的精度田1 。 与p t 方程相应的混合规则为： = x f x j a u ( 3 2 a ) 吒= 鹕 i ( 3 2 b ) 2 i 鹕 ( 3 。2 c ) 口扩= 岛g 盯n p ( 3 2 d ) 其中品是二元交互作用系数，需要由二元汽液平衡实验数据求解得到。课题 组前期研究【2 6 1 表明，磊在一定范围上的取值误差，对相平衡强度参数影响明显， 但对于循环性能参数的影响不大，所以对缺乏汽液平衡实验数据的二元系，计算 中将毒，取为1 。 。 一般理想气体比热c 等公式表示成以下形式： 砖= c o + q t + c 2 t 2 + c 3 t 3 + c 4 t 4 ( 3 3 ) 2 3 2 研究对象 本文将对3 5 种纯质以及1 2 种混合工质进行理论循环性能计算，进行初步筛 选。考察的纯质物系主要是o d p 值为0 的h f c s 、h c s 和h f e s 类物质，以及部 分o d p 值较小的h c f c s 类物质。 o r c 系统工质可根据温熵图的饱和蒸汽曲线的斜率，分为三类【2 8 】：( 1 ) 斜 率为负的湿流体，大多为低分子量的工质，如水、氨、r 2 2 ，这些流体的等熵膨 胀一般会产生冷凝现象；( 2 1 斜率为正的干流体，大多为高分子量流体，如r 1 2 3 、 r 1 2 4 、r 6 0 0 等( 3 ) 具有近乎垂直的饱和蒸汽曲线的等熵流体，如r 1 1 、r 1 3 4 a 等。已有文献研究【2 9 1 表明，干流体与等熵流体更适用于o r c 系统。本文所考察 的3 5 种纯质，其中3 0 种为干流体，5 种为等熵流体。表2 1 为部分工质的基本 物性和环境特性参数【3 0 3 。 天津大学硕士学位论文第二章低温地热发电o r c 系统适用工质的理论循环性能研究 表2 1 部分工质的基本物性和环境特性参数 代号 分子量瓦 t l v - t w a 大气寿命o d p g w p g t o o l 。c 。cm p ap p m y r 1 0 0y r r 1 3 1 11 9 5 9 r 6 0 05 8 1 r 6 0 0 a5 8 1 r 6 0 l7 2 2 r 6 0 l a7 2 2 r 6 0 l b7 2 2 l - p e m e n e 7 0 1 r l l 41 7 0 9 r 1 2 31 5 2 9 r 1 2 3 a1 5 2 9 r 1 2 4 1 3 6 5 r 1 4 1 b1 1 7 o r 1 4 2 bl o o 5 r 1 3 4 a1 0 2 0 r 1 4 38 4 0 r 1 5 2 a6 6 1 r 2 2 7 c a1 6 9 8 l 也3 6 伍1 5 2 0 r 2 3 6 e a1 5 2 o i 匕4 5 自1 3 4 1 r 2 4 5 c a1 3 4 1 e 1 3 41 1 8 o - 2 1 81 2 3 33 9 5 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 蔓 褥 唇 弓| 舞 受 ( f ) 净输出功率 筠晒7 07 5 蒸发温度 ( 曲净输出功率( h ) 净输出功率 图4 2 地热水温度为1 0 0 。c 时，工质的a p r 、v p r 、膨胀比和净输出功率随蒸发温度的变化 情况 氧三娶i 摹茂三量熟i 弋 蒸发沮度 c c a ) a p r 3 6 ( b ) a p r 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 董 为 话 7 07 5舶 蒸发沮度 ( c ) v p r( d ) v p r ( e ) 净输出功率 尸肇i 书o o a f 瓣 j 弱筠7 07 5 蒸发温度 c ( f ) 净输出功率( g ) 净输出功率 图4 _ 3 地热水温度为9 5 0 c 时，工质的a p r 、v p r 和净输出功率随蒸发温度的变化情况 3 7 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 毫 蕈一! 鹭皓7 07 5 蒸发温度 ( a ) a p r 一； 龉7 07 5 蒸发涅度 c ( c ) v p r 耋 ( b ) a p r 弱7 07 5 蒸发温度 ( d ) v p r 一-4-r24留a 翻筐6 4荫 7 07 2 蒸发疆度1 0 ( e ) 净输出功率( t 3 挣输出功率 图4 4 地热水温度为9 0 0 c 时，工质的a p r 、v p r 和净输出功率随蒸发温度的变化情况 3 8 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 董 ( a ) a p r 一r 刚1 钠4 1 b ： ， 。 j 甚恕 吣汝蕊j 笛瞄7 0 蒸发温度 c ( c ) v p r 耋 迤 i 茎 弱皤越6 47 07 2 蒸发温度 ( b ) a p r i 鹭 加 蒸发温度 ( d ) ，r ( e ) 净输出功率( f ) 净输出功率 图禾5 地热水温度为8 5 0 c 时，工质的a p r 、v p r 和净输出功率随蒸发温度的变化情况 - 3 9 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 薰 鼍 耄 童 走 ( a ) a p r ：黜r 1 2 3 j i ， ：n ! 吣毡惑! 弱6 67 0 蒸发温度 c ( c ) v p r !翻弱 蒸发温度 ( e ) 净输出功率 ( b ) a p r 量 并 喜 竞 ( d ) v p r 一 盛m鹦 蒸发副生 ( f ) 净输出功率 图4 _ 6 地热水温度为8 0 0 c 时，工质的a p r 、v p r 和净输出功率随蒸发温度的变化情况 4 2 4 不同纯质在其最优工况下的比较分析 通过系统经济性优化计算，寻找到各种工质在不同地热资源条件下的最优运 行工况。下面将对各个工质最优工况下的循环性能进行对比分析，为系统的实际 4 0 让柚芸；拍让聆篮暑协协 ，p翟翟盈“z 天津大学硕士学位论文 第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 应用筛选适宜工质。 ( a ) a p r( b ) a p r ( c ) v p r ( d ) 膨胀比 4 1 天津大学硕士学位论文第四章低温地热发电o r c 系统经济性优化研究 地热水温度 ( e ) 净输出功率 图4 7 工质在最优工况下的a p r 、v p r 和净输出功率随蒸发器进口地热水温度的变化情况 蒸发器进1 ：3 地热水温度不同，各种工质的最优工况也随之不同。图4 7 ( a b ) 显示了不同的蒸发器进口地热水温度下，各种工质的最优工况时的目标函数值变 化情况。从图4 7 ( a ，b ) 中可以看出，随着蒸发器进口地热水温度的升高，所考 察工质的目标函数a p r 逐渐减小，在所考察工质中，r 1 5 2 a 在其最优工况下的 v p r 值均小于其它工质，地热水温度为1 0 0 0 ( 2 时，r 1 5 2 a 在蒸发温度为6 6 0 c 时 工况最优，其a p r 值为1 5 9 ，地热水温为8 0 0 c 时，其a p r 值为2 4 1 。r 2 4 5 f a 和r 2 4 5 c a 在各自最优工况下的a p r 值很接近。r 2 3 6 f a 和r 2 3 6 e a 在最优工况下 的a p r 值相对较大。r 1 2 3 在其最优工况下的a p r 值，在所考察的工质中，处 于最高水平，地热水温度为8 0 0 c 时，其最优工况下的a p r 值为3 1 5 ，比r 1 5 2 a 在同样地热水温度下最优工况的a p r 值高3 0 7 。r 6 0 0 在其最优工况下的a p r 值略高于r 1 5 2 a ，处于较低水平。r 6 0 0 a 、r 1 4 1