ww中低温热水发电系统循环参数和工质的选择
第30卷，总第176期2012年11月，第6期《节能技术》
ENERGYCONSERVATIONTECHNOLOGYVol.30，Sum.No.176November.2012，No.6
中低温热水发电系统循环参数和工质的选择
和
婷，张
光
(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)
要:针对热源为80～150℃热水的有机朗肯循环(ORC)发电系统，以发电功率和效率为评
R123和R245fa三种工质为循环介质时的系统，价指标，分别分析了以R134a、确定了最佳循环参
摘
数和工质。一般来说，最佳蒸发温度对应着最大的输出电功，且随着热流体温度的升高而升高;当R134a的系统不存在最佳蒸发温度，热源温度大于120℃时，此时输出电功随着蒸发温度的升高而增大。对于80～135℃的热水，工质R245fa的发电功率最大;当热水温度超过135℃时，工质R134a
的发电功率最大。工质R245fa的发电效率始终是最大的。
关键词:中低温热水发电;有机朗肯循环(ORC);循环参数;工质
+
中图分类号：TK115文献标识码：A文章编号：1002－6339（2012）06－0512－04
CycleParametersandWorkingFluidSelectioninLow－medium
TemperatureHotWaterPowerGeneration
HETing，ZHANGGuang
（SchoolofEnergy，PowerandMechanicalEngineer，NorthChinaElectric
PowerUniversity，Beijing102206，China）
Abstract：ThispaperpresentstheanalysisontheselectionofoptimumcycleparametersandworkingfluidfororganicRankinecycle（ORC）inlowtemperature（80～150℃）hotwaterpowergenerationsystembytestingR134a、R123andR245faastheworkingfluidsrespectively．Theresultsshowthatoutputnetpow-erdependsontheoptimalevaporationtemperature，andtheyincreasedwithincreasingtmperatureofhotwater；ThereisnooptimumevaporationtemperatureforR134awhenthetemperatureofhotwaterisabove120℃，anditspoweroutputincreasedwiththeriseofevaporationtemperature．Whenthetemperatureofwateriswithintherangeof80～135℃，theoutputnetpowerofR245faisthehighest；withintherangeof135～150℃，theoutputnetpowerofR134aisthehighest．ThegeneratingefficiencyofR245faisalwaysthehighest．
Keywords：low－mediumtemperaturehotwaterpowergeneration；organicRankinecycle（ORC）；cycleparameters；workingfluid
收稿日期2012－05－26
发电技术。
修订稿日期2012－07－01
引言
作者简介：和婷（1987～），女，硕士研究生；研究方向为中低温
中低温热能种类繁多，包括各种工业余热，以及
太阳热能、地热能等可再生能源，总量巨大，近年来很多学者对中低温热能发电做了大量研究
［1］
。其
·512·
中，工业余热和地热能中，含有大量的中低温热水资源。中低温发电技术较早、较成熟的应用是在地热
［2］能领域，一般认为温度高于150℃的为高温地热
90～150℃的为中温地热流体，低于90℃的为流体，
1．2ORC循环系统工质选择
在选择动力回收工质时，除了满足具有较低的
［8］
臭氧破坏性（ODP）和温室效应值（GWP）以外，还：（1）在T—S图中，其ORC循环接近表示可用大小的三角形，亦即潜热小、显热应满足两个主要条件
大的工质（图3）；（2）在T—S图中，其饱和蒸汽线斜率dT/dS＞0的干性工质，或者dT/dS→±∞的绝热工质，使工质在膨胀终了状态后有合适的干度（图4）。
R245fa本文选取湿流体R134a和干流体R123、
三种工质进行计算分析。在ORC循环中，是否采用过热取决于工质性质，湿性工质可适当过热，而干性
［10］
工质不宜过热。在本文计算中，均不采用过热
。
［9］
低温地热流体。中低温热源通常采用有机朗肯
ORC）或称双工质循环循环（OrganicRankineCycle，
，它采用低沸点有机工质，充分利用较
低温度的热源实现朗肯循环发电。发电系统
［4］
［3］
1
1．1
低温热水发电系统
低温热水发电系统参数
低温热水发电多采用有机朗肯循环（ORC），其
结构具有效率高、设备简单、噪音低、投资少等特点
［5］
。热力循环如图1和图2所示
。
图3
图1
有机朗肯循环系统图
低沸点工质的T－S
图
图4
图2
有机朗肯循环T－S图
不同性质工质的T－S图
1．3ORC循环系统热力计算
在已知热源温度和流量的情况下，确定循环的热力参数，主要是确定工质的蒸发温度和冷凝温度
［6］
在确定了循环工质以及最佳蒸发温度和最佳凝
可得出ORC发电系统净输出电功。结温度以后，
W净max=m（wT－wP）－w＇P－m″w″P）
wT=（h1－h2s）ηTηMηGwP=v3（p4－p3）/（ηPηEM）
（1）（2）（3）
。在循环中，蒸发温度决定了系统循环工质的
流量以及在涡轮机中的焓降，因此，净输出功存在一
“最佳蒸发温度”。循环最佳蒸个最大值，对应一个发温度和最佳冷却水温升根据单位质量的热流体净
［7］
输出的最大电功（即最大发电量）来确定。
w'P=gH'/（η'Pη'EM）（4）w″P=gH″/（η″Pη″EM）（5）m=c'pm（t'1－t1opt－δt'）ηV/r（6）
m″=m［h1－（h1－h2s）ηT－h3］/（c″pmΔt″opt）（7）
·513·
Q=m（h1－h3－wP）/ηV
η=W净max/Q
（8）（9）
2计算及结果分析
本文利用工质物性软件RefProp7．0，在Matlab界面下进行编程计算。计算过程中，取热水流量为1kg/s，温度为80～150℃，环境温度为20℃，蒸发器、冷凝器最小传热温差为5℃，蒸发器效率为0.98，涡轮机效率、机械效率、发电机效率、循环泵效0．98、0．92、0．6、0．88，率、电动机效率分别为0．78、热流体泵的效率、扬程及对应的发电机效率分别为0．7、20m、0．88，冷却水泵的效率、扬程及对应的发20m、0．88。预取冷却水温电机效率分别为0．75、升为5℃，则冷凝温度为30℃。2．1
工质和热流体温度对最佳蒸发温度的影响
对于湿流体R134a，热流体在80～120℃范围内
图6
热流体温度为150℃、工质为干性时蒸发温度对净输出功的影响
体温度的升高而升高；最佳冷却水温升主要取决于
冷却水泵消耗的功，变化很小。且可从表2中看出，热流体温度相同时，各个工质的最佳蒸发温度也基本相同。
表1
循环工质为R134a的系统
最佳蒸发温度/℃
56．39
59．1661．9864．8567．7870．7873．8777．0480．33
最佳凝结温度/℃
30．52
30．5330．5530．5630．5730．5830．5930．6130．62
热水温度/℃
80
[***********]120
时，循环存在最佳蒸发温度；当热流体温度高于120℃时，不存在最佳蒸发温度。这是因为随着热流体温度的升高，液体热越来越大，即有越来越多的流体热量被循环工质吸收转化为功。湿流体R134a的临界温度较低（约为101℃），当最佳蒸发温度靠
循环工质流量的增加近临界温度且超过某一值时，
导致系统输出电功随蒸发温度的升高而升高，即不
存在最佳蒸发温度。从图5可以看出湿流体R134a作为循环工质时系统最佳蒸发温度随热流体温度的变化
。
表2不同循环工质的最佳蒸发温度
R134a56．3959．1661．9864．8567．7870．7873．8777．0480．33
最佳蒸发温度/℃
R123
55．7758．3660．9663．5866．2168．8671．5274．2076．90
R245fa56．0158．6661．3364．0266．7469．4972．2675．0677．89
热水温度/℃
[***********]15120
2．2
图5
工质为R134a时蒸发温度对净输出功的影响
工质和热流体温度对发电功率及效率的影响在一个确定的热力循环中，净输出电功的大小
图6是热流体温度为150℃、循环工质为R123
和R245fa时系统发电功率随蒸发温度的变化。可以看出，对于干性工质R123和R245fa，由于其临界温度较高，在热流体温度低于150℃的范围内，系统始终存在最佳蒸发温度。
最佳蒸发温度主要取决于热流体温度和工质凝结温度，从表1可以看出，最佳蒸发温度的大小大约位于热流体温度和工质凝结温度之间，
且随着热流·514·
取决于循环工质在涡轮机中的有效焓降和流量的乘
积，而最佳蒸发温度对应了二者的最佳配比，最佳蒸发温度下的净输出电功是最大的。
图7是热水温度不同时系统的最大发电功率。当循环工质为干性工质R123和R245fa时，在热水温度为80～150℃范围时，随着热水温度的升高，发电功率增大，并且速率逐渐增大。因为在同一条件
R245fa的显热更大，下，可用能更大，因而发电功率更大。而当循环工质为湿流体R134a时，在热水温度为80～120℃范围内，随着热水温度的升高，发电
功率增大，但始终小于R123和R245fa；而当热水温度大于120℃时，由于不存在最佳蒸发温度，发电功率有了大幅度的提高，在125℃左右其发电功率超过R134a，在135℃左右其发电功率超过R245fa
。
工质R245fa的发电效率始终是最大的。符号说明
W、w———功、比功/kJ；m———质量/kg；h———比焓/kJ·kg－1；——效率；η—v———比容/m3·kg－1；p———压力/MPa；g———重力加速度/m·s－2；H———水泵扬程/m；
cpm———平均比热/kJ·kg－1·℃t———温度/℃；
－1
；
图7发电功率随热源水温度的变化
图8是热水温度不同时系统的发电效率。对
R134a，当热水温度超过120℃时，计算发电功率时可选取一个接近临界温度的值作为蒸发温度（本文选取98℃），因而在热水温度为120～150℃范围内，效率基本不变。因为循环工质为R245fa的系统显热大，可用能损失小，因而其效率高于另外两种工质。而循环工质为湿流体R134a的系统不仅可用
且工质在涡轮机膨胀终了状态处于湿蒸能损失大，汽区，其效率最低
。
——最小传热温差/℃；δt—
r———汽化潜热/kJ·kg－1；Q———热量/kJ；——增量；Δ—
上角标'———对热流体、热流体泵和蒸发器而言；″———对冷却水、冷却水泵和冷凝器而言；下角标T———涡轮机；P———泵；M———机械；G———发电机；EM———电动机；V———蒸发器；opt———最佳。
参考文献
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图8发电效率随热源水温度的变化
3结论
一般来说，最佳蒸发温度对应着最大的发电功
率，且随着热流体温度的升高而升高，其数值大约位于热流体温度和工质凝结温度之间。在热水温度为80～150℃范围内，干性工质R123和R245fa始终存在最佳蒸发温度。而湿流体R134a的临界温度较低（约为101℃），当热源温度高于其临界温度20℃以上时，系统不存在最佳蒸发温度，此时发电功率随着蒸发温度的升高而增大。
对于80～130℃的热水，工质R245fa的发电功率最大；当热水温度超过120℃时，工质R134a的发电功率大幅度增加，且在135℃左右超过了R245fa。
·515·