1、第38卷第6期 2011年11月 华北电力大学学报 Journal of Noah China Electric Power University V0】38No6 NOV。2011 基于太阳能的有机朗肯循环低温 热发电系统热力性能分析 韩中合，叶依林，王碌，郑庆宇 (华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003) 摘要：研究了汽轮机进口温度和进口压力对基于太阳能的有机朗肯循环系统性能的影响。以R600，R600a， R245fa，R236fa，R236ea，R601，R601a，RC318，R227ea九种有机工质为例，基于热力学第一定律和第二 定律，研究了这两个参数对系统性能变
2、化的影响，主要是对系统热效率、净输出功率以及系统总不可逆损失 的影响。 关键词：太阳能；低温热发电；有机朗肯循环；进1：7温度；进口压力 中图分类号：TK514 文献标识码：A 文章编号：10072691(2011)06007500 Thermodynamic analysis of low-temperature power generation based on solar organic Rankine cycle HAN Zhong-he，YE Yilin，WANG Jing，ZHENG Qingyu (School of Energy Power and Mechanical Eng
3、ineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China) Abstract：The impact of the turbine output temperature and pressure on the system performance of organic Rankine system was investigatedIn this paper，nine kinds of organic fluids including R600，R600a，R245fa，R236fa， R236ea，R601，R601a
4、，RC318 and R227ea were taken as cycle working mediumBased on the first and second law of thermodynamics，the thermodynamics analysis revealed the relationship between these two parameters and cycle per- formances，primarily covering system thermal efficiency，net output power and system irreversibility
5、 Key words：solar energy；lowtemperature power；organic Rankine cycle；inlet temperatue；inlet pressure 0 引 言 根据我国的可再生能源法，作为可再生 能源的重要组成部分，低温热能的发展尤为重 要J。低温热能是指品位较低的热能，一般温度 低于200。这些能源种类繁多，能量巨大，包 括太阳能，地热能，海洋温差能，工业余热等可 再生能源 J。目前利用低温热能的发电技术主要 是基于朗肯循环的热力发电系统，其中有机朗肯 循环(ORC)采用低沸点的有机物作为工质回收 低品位热能并产生电能 J，它的设备相对简单、
6、 适用性强，同时不产生有害气体，对环境不产生 污染，其研究与应用越来越受到人们的青睐。 近年来，国内外学者对有机朗肯循环系统进 收稿日期：20110603 行了诸多深入研究。例如：Lourdes GarcaRodrlguez 等人分析了基于有机朗肯循环的分布式太阳能发 电系统 ；Saleh等使用BACKONE状态方程得到 31种用于ORC的有机工质物性，在一定的条件 下，得到了不同类型的热效率 ；李晶，裴刚等 分析了一种以有机朗肯循环(ORC)和复合抛物 面集热器(CPC)为主要组成的太阳能低温热发 电系统，建立了系统的数学模型并进行了数值模 拟 ；Donghong Wei等从热力学第二定律角
7、度分 析了以单种工质R245fa下各部件的性能，研究了 环境温度改变对余热驱动的有机朗肯循环系统性 能的影响 ；顾伟等以R123、R21和R245fa工质 为例给出了热源温度低于100情况下ORC发电 系统的热力学模型分析，比较了不同工质下系统 工作参数对ORC性能的影响规律 J。 本文在建立系统热力模型的基础上，以 R600，R600a，R245fa，R236fa，R236ea，R601， 76 华北电力大学学报 R601a，RC318，R227ea为例，研究汽轮机进口 温度和汽轮机进口压力对系统性能的影响，主要 是对循环系统热效率，净输出功量和系统总不可 逆损失变化的影响。 1 系统热力分
8、析 基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统 主要由4个热力设备组成：包括太阳能集热器， 汽轮机，冷凝器和泵，循环的流程图如图1所示： 图l循环过程示意图 Fig1 Schematic diagram of cycle 假设系统处于稳定流动状态，太阳能集热器、 冷凝器等设备与环境不进行换热，集热器、冷凝 器以及连接管道的压力损失可以忽略不计。冷凝 器出口工质为饱和液体。 (1)过程12：工质经过泵升压，被送到太 阳能集热器中。理想状态下，为等熵过程12s， 泵加压中，工质接收的外功为 ， ，Ide l m(h2 一h1) w D= 7e 叼P 式中： i 。为泵的理想耗功；r 为泵等熵效率， h
9、2 一hl 叼 。 泵的不可逆损失为 ，P=rom(s2一s1) (2)过程24：太阳能集热器将太阳能聚集 起来并转换为热能，将有机工质加热，产生高温 高压的蒸汽。在此过程中，工质吸收的热量为 Q =m(h 一h ) 太阳能集热器的不可逆损失为 。： )一 1 式中：m为集热器中工质的质量流量，kgs。 为高温热源平均温度， =7“4+ 。 (3)过程45：高温高压的蒸汽驱动汽轮机 旋转并带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽， 其压力和温度均已大大降低。理想状态下，汽轮 机膨胀过程为可逆绝热过程45S。在汽轮机膨胀 过程中，工质对外所做的功量为 Wr= ，ideaIrr=m(h4一h5 )叼 汽
10、轮机输出有效功： W=Wr叼 式中： i 为汽轮机的理想耗功；叩 为汽轮机 等熵效率，叼 = 三 ；叼 为汽轮机的机械 效率。 汽轮机中的不可逆损失为 ，r=rom(S5一S4) (4)过程51：从汽轮机出来的低温低压工 质经过冷凝器凝结为液体，对外放热。冷凝过程 中，工质放出的热量为 Q2=m(hlh5) 冷凝器中的不可逆损失为 j：=tomtom )一 1 ，：=l(s 一s )一 l 式中： 为冷源温度， ：T。一 (5)朗肯循环的热效率为 一 (h 一h ) 一(h2 一 )叼 一 r1一Ql Ql h4一h2 (6)系统总不可逆损失： n n r，n 一 2 不同工况下ORC系统性能
11、分析 影响有机朗肯循环性能的主要参数是汽轮机 的进VI压力和汽轮机进口温度 。在建立系统热 力模型的基础上，以R600，R600a，R245fa， R236fa，R236ea，R601，R601a，RC318，R227ea 为例，研究这两个参数对系统性能变化的影响。 有机工质的热物理性质按照NIST提供的PEFROP 程序进行计算。由于所选的工质均为ODP为零的 干工质，因此系统中可以不用过热，饱和蒸汽直 接进入汽轮机做功。设系统的冷凝温度为25 0【=， 太阳能集热器传热温差为5 cc，冷凝器传热温差 为4，环境温度为15 qC。汽轮机的等熵效率和 机械效率分别为85和98，泵等熵效率为 8
12、0。 计算进口温度对系统影响时，R600，R600a， 第6期 韩中合，等：基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统热力性能分析 77 R245fa， R236fa， R236ea， R601， R601a， RC318，R227ea的进口压力分别定为1MPa，13 MPa，07 MPa，12 MPa，09 MPa，035 MPa， 045 MPa1。3 MPa，18 MPa。在计算进口压力 对系统工况影响时，工质的进口温度恒为90。 21 对系统热效率的影响 系统热效率是基于热力学第一定律的一种性 能评价准则，图2显示了不同工质在定压条件下， 汽轮机进口温度和系统热效率的关系。可见，随 着系统
13、进口温度的升高，系统热效率总体趋势逐 渐降低，但降低的幅度不大。如R227ea，当进口 温度在80时，热效率为9702，温度升高到 83时，热效率为9711 7，热效率随着进口 温度的升高略有升高，但是当温度升高到86 时，热效率为971，热效率随进口温度升高开 始逐渐降低，这是因为提高汽轮机进口温度增加 了汽轮机做功的焓降，但是汽轮机进口温度升高 会使太阳能集热器吸热量增加，两种因素共同作 用使汽轮机进口温度对热效率的影响较小。总体 来说，R600等烷类工质的热效率明显高于R245fa 等HFC类工质。 ； 耧 进U温度f4。c +R600PJ=1 MPa R600aP-I 3MPa一R24
14、5faP 0 7MPa 7 R236faP-I 2MPa q R236eaP-09MPa R601 J)7=O 3 5MPa R60I aPl-045MPa-e RC31 8P11 3MPaR227eaP 1 8MPa 图2汽轮机进口温度对系统热效率的影响 Fig2 The ralationship between turbine inlet temperature and system thermal efficiency 图3给出了在进口温度为90时，汽轮机进 口压力和系统热效率之间的关系，从图可知，系 统热效率随着汽轮机进口压力的升高而增加，这 是由于工质的吸热量和汽轮机的焓降均随着进口
15、 压力的增加而增大，汽轮机对外做功能力的增加 的相对量大于吸热量的变化，因而系统热效率增 汽轮机进u压力PdMPa +R600R600a一R245fa J-一R236fa R236ea R60l一R601 a RC3l8 一R227ea 图3 汽轮机进口压力对系统热效率的影响 Fig3 The ralationship between turbine inlet preesure and system thermal efficiency 大。相对于HFC类工质，烷类工质随压力升高， 热效率增加的速度更快。由于机械的承压问题， 汽轮机进口压力不能无限升高，由于所选工质均 为干工质，因此进口压力
16、的极限为汽轮机进口温 度所对应的饱和压力。 22对系统输出净功量的影响 图4显示了在定压条件下，汽轮机进口温度 对系统的净输出功量的影响。可见，随着工质进 口温度的升高，系统的净输出功量增加，如 R236ea，当进口温度为86时，系统的净输出功 量为20868 kJkg，当进口温度升高到905 时，系统的净输出功量为21293 kJkg。这是由 于在冷凝温度确定后，随着进口温度升高，汽轮 机焓降增大，单位流量工质的做功能力也增强。 从图上可以很明显的看出，在同一进口温度下， 烷类工质的做功能力大大优于HFC类工质，例 如，在汽轮机进口温度86时，R600a的净输出 功量几乎是R245fa的两倍
17、。为对于所选取的HFC 类工质，R245fa的做功能力最强，对于所选取的 烷类工质，R601的做功能力最强。 图5给出了在进口温度恒为90时，汽轮机 进口压力和系统净输出功量之间的关系。从图可 知，就总体趋势而言，随着汽轮机进13压力的升 高，系统的净输出功量升高。且在进口压力较低 时，净功增加的越快，当进口压力逐渐升高，净 功增加的速度也逐渐减慢。就单种工质而言， R600等烷类工质净功增加的速度远大于R245fa 等HFC类工质，并且烷类工质的净功输出量大于 78 华北电力大学学报 2011年 】j 弭 集 史 姆 卫 进口温度，4 - +R600P7 =1 MPa 1-R600aPT-I
18、 3MPa 245f -O 7MPa R236faPTM 2MPaR236eaPr=0 9MPa R601pz-O 35MPa R601aP045MPa t-RC3l 8PJ：1 3MPa$一R227c扩?-_l 8MPa 图4汽轮机进口温度对系统净输出功量的影响 Fig4 The ralationship between turbine inlettemperature and output power of system HFC类工质，这显示了烷类工质在低温朗肯循环 系统的优势。 65 6O 55 5() 45 40 35 30 25 2O l 5 lO 5 0 汽轮机进口压力P4MPa
19、卜R600一R600a一R245fa R236fa R236ea R601一R601 a一Rc318R227ea 图5 汽轮机进口压力对系统净输出功量的影响 Fig5 The ralationship between turbine inlet pressure and output power of system 23对系统总不可逆损失的影响 图6显示了在定压条件下，汽轮机进口温度 和系统总不可逆损失之间的关系。从总体趋势看， 系统不可逆损失与汽轮机进口温度基本呈线性关 系，且随着进口温度的升高而升高，从图中还可 以看出，汽轮机进口温度对系统不可逆损失的影 响比较小。从单个工质看，尽管烷类工
20、质的做功 能力高于HFC类的工质，但是在同一进口温度条 件下，单位流量烷类工质的不可逆损失要远高于 HFC类工质，在不同的进口温度下，烷类工质的 不可逆损失增加量大于HFC类工质。 图7给出了在进口温度恒为90时，汽轮机 进口压力对系统不可逆损失的影响。可见，随着 汽轮机进口压力的升高，系统不可逆损失随之降 低。在进口压力较低时，系统不可逆损失降低的 越快，随着进口压力逐渐升高，不可逆损失降低 的速度变慢。从图上可以很明显的看出，HFC类 工质不可逆损失减小的速度远小于烷类工质，在 同一压力水平下，烷类工质的不可逆损失大于 HFC类工质，即是在同种压力水平下做功，烷类 工质损失的能量要高于HF
21、C类工质。 进l-I温度t4C +R6OO|p =IMPaR600aPI“=I 3MPa一R245faPz=0 7MPa R236faP7-_1 2MPa t R236eaPz-0 9MPa R601 P7=0 35MPa R601 aPT 0 45MPa+RC31 8Pl-I 3MPa+R227eaD 】8MPa 图6汽轮机进口温度对系统不可逆损失的影响 Fig6 The ralationship between turbine inlet temperature and system irreversibility 汽轮机进口压力P4MPa 一R600 R600a，rR245fa R236
22、fa 一 一R236ea一一R601一R6Ola一Rc3l8 R227ea 图7汽轮机进1：7压力对系统不可逆损失的影响 Fig7 The ralationship between turbine inlet pressure and system irreversibility 通过对图1到图7的分析可以发现，不同有 螺 咖 丑 史爵姆靶蔷 撩懈 第6期 韩中合，等：基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统热力性能分析 79 机工质对系统影响效果差异很大，这是由于不同 工质在物理性质之间存在很大差异，比如对流换 热系数高，黏度低的工质在克服流动阻力的功耗 上更具有优势，做功能力更强。而不同工质
23、的临 界参数、沸点等对系统性能也存在较大的影响， 如R600的临界压力比R245fa高，临界温度和临 界比体积均比R245fa低，标准沸点低于R245fa 近15 ，两种工质对系统影响效果表现出了较大 的差异，R245fa的做功能力小于R600，但是 R245fa产生的系统总不可逆损失远低于R600。 24对系统各个热力设备不可逆损失的影响 图8和图9以R245fa为例，研究汽轮机进口 温度和进口压力对热力系统各个热力设备的影响。 图8给出了有机郎肯循环各热力设备的不可 逆损失随着汽轮机进口温度变化的规律，从图中 看出，太阳能集热器的不可逆损失最大，随着进 口温度的升高而增大，汽轮机的不可逆损
24、失随着 汽轮机进口温度的升高而减小，冷凝器的不可逆 损失随着进口温度的升高而增加，泵的不可逆损 失相对其他设备很小。 8O 82 84 86 88 9O 92 94 96 汽轮机进口温度tU=C 一泵 一太阳能集热器一汽轮机一L。冷凝器 图8汽轮机进口温度对各热力设备不可逆损失的影响 Fig8The ralationship between turbine inlet temperature and all thermal equipment 图9显示了有机朗肯循环各热力设备与汽轮 机进口压力之间的关系。可见，太阳能集热器的 不可逆损失相对其他设备最大，随着进口压力的 升高而减小。而泵的不可逆
25、损失最小，汽轮机的 不可逆损失随着汽轮机进口压力的升高而升高， 冷凝器的不可逆损失随着汽轮机进口压 勺的升高 而减小，这是由于汽轮机排气温度升高，冷凝器 中的传热温差也随之增加，导致冷凝器中损失的 能量增加。 汽轮机进口压力PUMPa -_泵 太阳能集热器 汽轮机 v冷凝器 图9 汽轮机进口压力对各热力设备不可逆损失的影响 Fig9 The ralationship between turbine inlet pressure and all thermal equipment 3 结 论 (1)随着汽轮机进口温度的升高，系统的热 效率降低，净输出功量增大，系统总不可逆损失 增大。就总体趋势来
26、看，汽轮机进口温度对系统 性能变化的影响较小，这是由于汽轮机焓降的相 对增加的相对量与太阳能集热器的相对吸热量几 乎相等。 (2)随着汽轮机进口压力的升高，系统的热 效率升高，净输出功量升高，系统总不可逆损失 减小，烷类工质的净输出功量和系统总不可逆损 失均高于HFC类工质，这说明，烷类物质尽管具 有很强的做功能力，但是在系统运行过程中所损 失的能量也很大。 (3)由图8和图9可以看出，随着汽轮机进 口温度和汽轮机进口压力的升高，各热力设备不 可逆损失的变化趋势是不一样的，因此，要改善 系统性能和降低系统不可逆损失，不能单从一个 设备人手，而要从整个系统考虑，以保证使整个 系统的性能改善。 参
27、考文献： 1王华，王辉涛低温余热发电有机郎肯循环技术 M北京：科学出版社，2010 2Hung Tzu ChenWaste heat recovery of Organic Ranking Cycle using dry fluidsJEnergy Conversion and Man agement，2001，42(5)：53955 (下转第90页) 8 6 4 2 O I H 划 华北电力大学学报 2011矩 5 结 论 (1)本文根据热力系统热经济性指标和炯效 率，结合再热机组的特性，推导了炯经济性指标的 数学模型；根据小扰动理论和微分原理，在抽汽压 损变化下，推导了锅炉烟效率、机组炯效
28、率和机组 炯耗率变化的微分关系式。 (2)该模型物理意义明确，具有较强的规律 性，不需要单独计算压损变化对机组煤耗量的影 响，计算更加简洁、快速，便于编程，通用性强，可应 用于任意形式的火电机组。 (3)根据该模型对N100025600600机组 进行计算，计算结果表明抽汽压损的变化情况影响 炯经济性指标的变化，为评价热力发电机组经济性 提供依据。 参考文献： 1郭江龙基于能效分布矩阵方程的火电厂热力系统分 析方法D保定：华北电力大学，2004 2林万超火电厂热系统节能理论M北京：清华大学出 版社，1994 3薛青鸿基于矩阵法的超超临界机组热经济性分析 J电力建设，2010，31(1O)：10
29、0103 4王松岭，张学镭，陈海平，等抽汽压损对机组热经济性 影响的通用计算模型J动力工程，2006，26(6)：888 893 5李永华，李玉辉抽汽压损对煤耗影响分析的通用微分 关系式J汽轮机技术，2008，50(6)：410412 6郑体宽热力发电厂M北京：中国电力出版社，2001 7樊泉桂，阎维平锅炉原理M北京：中国电力出版 社，2004 8郭民臣，魏楠电厂热力系统矩阵热平衡方程式及其应 用J动力工程，2002，38(3)：17331738 9严俊杰，李秀云，李继平，等抽汽压损运行标准值定量 方法研究J热力发电，2000，29(2)：3336 1O刘强，郭民臣，刘鹏飞抽汽压损对机组热经济
30、性的影 响J中国电机工程学报，2007，27(8)：5963 11王朝伟600 M超超临界机组热力系统热经济性分析 研究D保定：华北电力大学，2007 12弓学敏，付文峰，白中华，等抽汽压损对循环热经济性 影响的计算与分析J华北电力大学学报，2007，34 (4)：6468 13李静，陈海平，石维柱，等抽汽压损对机组热经济性影 响计算方法研究J汽轮机技术，2008，50(3)： 173-175 14杜亚荣600 MW机组热力系统的热力学分析与优化 D保定：华北电力大学，2008 15李新鹏张电300 MW机组回热系统热经济学诊断研 究D保定：华北电力大学，2008 作者简介：王富兴(1965一
31、)，男，高级工程师，研究方向为发电 设备的运行与研究。 (上接第79页) 3顾伟，翁一武，曹广益低温热能发电的研究现状和发 展趋势J热能动力工程，2007，22(2)：115一l19 4Lourdes GarciaRodrigueza，Julidn BlancoG(alvezSo larheated Rankine cycles for water and electricity pro- duction：POWERSOL projectJScienceDirect，212 (2007)：311318 5Bahaa Saleh，Gerald Koglbauer，Martin Wendland，
32、et a1 Working fluids for lowtemperature organic Rankine cy- clesJEnergy，2007，(32)：12101221 6李晶，裴刚，季杰太阳能有机朗肯循环低温热发电关 键因素分析J化工学报，2009，60(4)：826-832 7Wei Donghong，Lu Xuesheng，Lu ZhenDynamic model ing and simulation of an Organic Rankine Cycle(ORC) system for waste heat recovery【J 1Applied Thermal Engi neefing，2008，(28)：12161224 8顾伟，翁一武，王艳杰低温热能有机物发电系统热力 分析J太阳能学报，2008，29(5)：608_1612一 9王江峰基于有机工质的中低温热源利用方法及其热 力系统集成研究D西安：西安交通大学，2010 作者简介：韩中合(1964一)，男，教授，博士生导师，研究方向为 电厂热力设备的状态监测与故障诊断，两相流动计算与测量，叶轮 机械CFD与优化设计等
