（热能工程专业论文）中低温有机朗肯循环orc发电系统优化研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的快速增长，能源需求逐年上升，因经济发展带来的能源紧 缺问题日益突出，开发利用可再生能源已被我国列为能源发展的优先领域。有 机朗肯循环地热发电是地热能利用的一种有效形式，它采用低沸点有机工质实 现朗肯循环发电。由于采用低沸点工质，可以充分利用较低温度的地热流体实 现发电，且不需要消耗其他的化石燃料，减小对环境的污染，因而受到人们的 关注。 本文通过理论分析与e e s 软件模拟，对于中低温地热o r c 发电系统进行 了研究。根据工程热力学基本原理，分析了发电系统的基本运行原理。并且提 出了确定了基本o r c 系统循环参数( 包括蒸发温度，冷凝温度；地热流体的质 量流量，温度；外界环境温度) 的方法。 在基本o r c 发电系统方式下，采用最佳循环参数，根据不同的地热流体温 度( 6 0 - - 1 5 0 ) ，选择出最佳且环保的循环有机工质，为实际电站的设计提供 依据。 从火用分析和能分析角度对亚临界饱和蒸气循环和亚临界过热蒸汽循环做 详细的对比分析，最终确定亚临界饱和蒸气循环要优于亚临界过热蒸汽循环， 并且在此基础上进行双级双工质有机朗肯循环。根据一级，二级系统不同的地 热流体入口温度选择合适的工质，并且考察系统的适用性，给出合理的设计方 案。本文的研究成果将为实际电站的设计提供依据。 关键词：有机朗肯循环系统中，低温地热有机工质选择系统优化 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , e n e r g yd e m a n d si n c r e a s ey e a rb y y e a r b e c a u s eo ft h ee c o n o m yd e v e l o p ，t h ep r o b l e mo fe n e r g ys c a r c i t yi sb e c o m i n g m o r ep r o m i n e n t ，t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l ee n e r g yh a sb e e nl i s t e d a sp n o r i t ya r e a sf o re n e r g yd e v e l o p m e n t o r g a n i cr a n k i n ec y c l eg e o t h e r m a lp o w e r i sa ne f f e c t i v ef o r mt ou s eg e o t h e r m a le n e r g y i tu s e so r g a n i cf l u i do fl o wb o i l i n g p o i mt oa c h i e v er a n k i n ec y c l ep o w e rg e n e r a t i o n a sar e s u l to fl o wb o i l i n gp o i n t w o r k i n gf l u i d ，i tc a nt a k ef u l la d v a n t a g eo fl o w e rt e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lf l u i d st o a c h i e v ep o w e r , a n dd o e sn o tr e q u i r ec o n s u m p t i o no fo t h e rf o s s i lf u e l s ，r e d u c c p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n th a sb e e nam a t t e ro fc o n c e r n i nt h i sp a p e r , m e d i u ma n dl o w t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a lo r c p o w e rs y s t e mi s r e s e a r c h e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fe e ss o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h e r m o d y n a m i c s ，t h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h i sp o w e r s y s t e mi sa n a l y s e d t h e nt h em e t h o dt od e t e r m i n et h em a i np a r a m e t e r so fo r c s y s t e m ( i n c l u d i n ge v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，c o n d e n s i n gt e m p e r a t u r e ；g e o t h e r m a l f l u i df l o wr a t e ，a n dt e m p e r a t u r e ：a m b i e n tt e m p e r a t u r e ) a r ei l l u s t r a t e d a c c o r d i n gt ot h eg e o t h e r m a lf l u i dt e m p e r a t u r e ( 6 0 15 0 c ) ，s e l e c tt h eo p t i m u m a n de n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l yo r g a n i cf l u i d su n d e rt h eb a s i co r cs y s t e mu s i n g o p t i m u mp a r a m e t e r s ，i no r d e rt op r o v i d ed e s i g nc o n s i g n m e n tf o rt h ep o w e rs t a t i o n c o m p a r e 、析廿ls u b - c r i t i c a ls a t u r a t i o ns t e a mc y c l ea n ds u b - c r i t i c a ls u p e r h e a t s t e a mc y c l eb ye x e r g ya n a l y s i sa n de n e r g ya n a l y s i s ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n et h e s u b c r i t i c a ls a t u r a t i o ns t e a mc y c l ei ss u p e r i o rt os u b c r i t i c a ls u p e r h e a ts t e a mc y c l e b a s e do ns u b c r i t i c a ls a t u r a t i o ns t e a mc y c l ec h o o s ed u a l - l e v e lo r g a n i cr a n k i n ec y c l e a c c o r d i n gt og e o t h e r m a lf l u i di n l e tt e m p e r a t u r eo fp r i m a r ya n ds e c o n d a r ys y s t e m s , t h ed u a l l e v e lc h o o s ec o n f o r m a b l ew o r k i n gf l u i d sa n dr e s e a r c ht h ea p p l i c a b i l i t ya n d g i v ear e a s o n a b l ep r o j e c to fd e s i g n t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rw i l lp r o v i d t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ec o n s t r c t i o no fg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t k e y w o r d s ：o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，m e d i u ma n dl o w - t e m p e r a t u r eg e o t h e r m a l o r g a n i cw o r k i n gf l u i ds e l e c t i o n ，s y s t e mo p t i m i z a t i o i i i 物理名称及符号表 物理名称及符号表 形一功 k w q 一热流量 k w 】 m 一质量流量 k e d s c 平均比热 k j 堙 ，7 一效率 日一扬程 m s 熵值【k j 堙k 】 下标： n e t 一净剩 c 卜工质泵 既一冷却水泵 e _ 一蒸发器 p h 一预热器 l ，2 ，3 ，4 ，5 状态点 0 环境 y 冷却水出口 v 卜火用值 1 ( w 卜火用损失值 k w t 温度 p 一压力【k p a 】 v 质量体积 m 3 堙】 h 焓值 k j 堙 t _ 输出 砘热流体泵 g 一地热流体 c 一冷凝器 p s 卜螺杆机 0 总和 x 冷却水入口 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：锄：， 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：聊躲圈 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 能源是经济发展的物质基础，为保证国民经济的可持续发展，必须有可持 续供应的能源作为支撑。随着我国经济的快速增长，能源需求逐年上升，能源 进口也逐年增加，加上我国能源结构是以煤炭为主，因此由经济发展带来的能 源安全问题和环境问题日益突出。从能源安全，减少污染，改善生态环境和立 足于本国资源诸方面来考虑，开发利用安全，可靠的清洁能源新能源和可 再生能源，并提高其在能源结构中的比重，将是实现经济社会可持续发展的一 种重要保证。 新能源和可再生能源，包括太阳能，生物能，风能，地热能和海洋能。地 热能作为一种新能源，是一种无污染或极少污染的清洁绿色能源。地热利用历 史悠久。在2 0 世纪初，地热能源已在采暖，工业，发电能方面加以利用。地热 能的利用方式主要有两种，一种是直接利用，即地热采暖，地热制冷，地源热 泵等，另一种是地热发电。 地热发电是地热利用的重要方式。地热发电站已经在全世界的2 1 个城市运 行，并且联合装机发电能力超过6 0 0 0 m w n l 。由于1 9 7 3 年的石油危机，许多国家 在2 0 世纪6 0 年代早期开始着手建设地热电站，大多数地热电站建于2 0 世纪 7 0 年代和8 0 年代，而我国的羊八井地热发电厂从1 9 7 7 年9 月第l 台1 0 0 0 千 瓦试验机组发电成功投入运行后，先后建成3 5 千伏升压站两座，1 9 8 1 年又投 资修建了1 1 0 千伏输电线路。随着装机容量逐步增加，生产规模逐渐扩大，发 电量亦逐年上升；1 9 7 7 年发电量4 9 4 万千瓦时，到1 9 9 4 年发电量达1 0 8 5 1 9 4 万千瓦时，通过1 1 0 千伏输电线路向拉萨电网输电达1 1 0 1 9 6 4 9 万千瓦时， 有效地缓解了拉萨电网的供、需矛盾，成为拉萨电网的骨干电厂之一，参见图 卜1 ，卜2 。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮 机中转变为机械能，然后带动发电机发电。有所不同的是，地热发电不像火力 发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能， 减小对环境的污染，因而受到人们的关注雎】。 通常高温地热源是最适合发电的，但是储存量很少，而多数地热资源属于 中，低温热源。因此对中，低温地热发电技术的开发更具有实际意义。对于中， 低温地热发电通常采用的是有机朗肯循环发电系统，但是，有机朗肯循环发电 系统主要存在以下问题：( 1 ) 缺少设计电站所必需的地热资源资料( 如地热层储 量，温度压力等) 以及所采用的有机工质资料。( 2 ) 有机朗肯循环多应用低品位 北柬t 业 学t 学倒i ：学位论文 大容量地热源，受限于地源温度低等自然条件，普遍存在效率较低的问题，进 而难以保证经济性。以上两点是限制中，低温地热发电技术发展的主要原因0 1 。 基于此，针对中，低温地热资源，选择罐佳的有机工质，并且优化发电系统提 高效率是具有实际可行性的。 本课题j 下是基于这一方向来展开的研究。对不l 司温度的中，低温热源，采 用有机朗肯循环系统，对其有机工质和循环系统进行优化，达到节约能源，提 高效率的目的。 b 蠢蒸二i 隧蠹醢馘一。 第一章绪论 1 。2 地热发电的研究现状 1 9 0 4 年意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站( 功率为 5 5 0w ) ，开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到5 0 多万k w 。日本 自1 9 6 6 年松川( m a t s u k a w a ) 地热电站开始运行，至, j 1 9 9 6 年全国地热发电容量已超 过5 2 万k w 。截至2 0 0 5 年，全世界地热发电总装机容量为8 9 0 0 m w ，利用地热发电所 生产的电力达5 6 8 0 0g w h h l 。目前，应用最多的地热发电方式为干蒸汽发电系统这 类热田发电单机组容量为3 5 - - 一1 2 0 m w ，印度尼西亚、意大利、日本以及美国均建 有此类电站。这些电站的总发电量占地热能总发电量的一半。世界上大多数地热 田属液态热储，湿蒸汽地热发电站或扩容蒸汽地热电站应用液态地热系统中的热 液流体发电，日本、新西兰、美国、意大利、菲律宾、墨西哥等国家应用得较好。 有机朗肯循环发电也应用液态地热系统发电，但由于热储温度较低，不能通过压 力变化扩容成蒸汽，只能通过低沸点的中间介质来发电，一般单机组装机容量小 于3 m w 。有机朗肯循环发电在菲律宾、墨西哥是较常见的。 1 2 1 地热发电系统类型和特点 当今运行的地热电站主要分为四种类型：干蒸汽地热发电站，闪蒸地热发 电站，有机朗肯循环地热发电，干热岩发电系统h 1 。 ( 1 ) 地热干蒸汽发电系统。利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。本系统 运行安全可靠，如图1 - 3 所示，这种发电系统适合于高温高压的地热资源嘲。 w e l lw e l l 图l - 3 干蒸汽地热发电系统图 f i g 1 - 3 t h es y s t e mo fd r ys t e a mg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t ( 2 ) 双循环发电系统也称有机朗肯循环系统。如图1 - 4 所示，它以低沸点有机 物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽， 进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电，乏气在冷凝器中重新冷却为液态，由 3 北京t 业大学t 学硕十学位论文 泵打入热交换器，完成一个循环。这种发电系统能够利用低品位，易于结垢的 地热水，适合于中，低温地热发电1 。 ( 3 ) 地热水( 汽) 扩容发电。地热流体通过汽、水分离器，由于压力骤然降低，有 一部分热水扩容( 闪蒸) 成饱和蒸汽，这部分扩容蒸汽作朗肯循环，带动凝汽式 或背压式汽轮机发电机组发电。这种发电系统的总热效率一般低于1 0 ，根据 地热水( 汽) 的具体状态，分为一级扩容、二级扩容、多级扩容系统等。由于三 级以上扩容系统结构复杂，目前尚未采用。这种发电系统适合于较高温的地热 资源 喇捌 图l 一4 双循环地热发电系统图 f i g 1 - 4 t h es y s t e mo fb i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t 一级扩容系统 如图1 - 5 所示，单级扩容系统的优点：系统和结构简单，运行可靠，操作方 便。缺点是排水温度高、循环热效率低。通过多台单机扩容地热发电机组的运 行证明，这种低参数、小容量的发电技术，只有在缺油、缺媒、缺电或电力以 小水电为主而无法解决枯水期用电的边远山区，比小柴油发电机具有更强的竞 争力口1 。 4 第一章绪论 w e l l w e l l 图1 5 一级扩容地热发电系统图 f i g 1 - 5t h es y s t e mo fs i n g l ef l a s h e dg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t 二级扩容系统 如图卜6 所示。二级扩容的设备和系统较复杂，但是可获得更高的热效率， 在相同热源和冷源的条件下，其热效率比一级扩容循环提高2 0 3 0 嗍。 w e l l w e l l 图1 6 二级扩容地热发电系统图 f i g 1 6t h es y s t e mo f d o u b l ef l a s h e dg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t ( 4 ) 干热岩发电系统。利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯 于1 9 7 0 年提出的。1 9 7 2 年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4 0 0 0 米的深斜 井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸 汽，功率达2 3 0 0 千瓦 引。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国 5 北京t 业人学t 学硕i ：学位论文 和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用n 们。 通常把地热流体按温度分为：高，中，低温地热源。温度的划分按照所属 地区的地热资源情况而定，没有硬性的规定。献 1 1 中规定：温度高于2 2 0 的为高温地热流体，1 0 0 - 2 2 0 为中温地热流体，低于1 0 0 的为低温地热流 体。文献 1 2 中规定：温度高于1 5 0 的为高温地热流体，9 0 1 5 0 。c 的为中温 地热流体，低于9 0 的为低温地热流体。本文通过大量的文献调研，并且结合 实际情况给出温度划分。本文规定：温度高于1 8 0 的为高温地热流体，1 0 0 1 8 0 的为中温地热流体，低于1 0 0 的为低温地热流体。通常高温地热源是最 适合发电的，干蒸汽发电系统，闪蒸发电系统已经被广泛的应用。而中温，低 温地热源通常采用有机朗肯循环发电系统。然而，干蒸汽和闪蒸发电系统由于 采用较高温度的地热流体，所以两者的效率要明显高于有机朗肯循环发电系统 的效率。加上地热流体以中，低温为主，所以提高中，低温有机朗肯循环电站 的发电性能显得尤为重要并且更具实用性。 1 2 2 有机朗肯循环地热发电系统研究现状 有机朗肯循环地热发电系统是利用地热水来加热低沸点有机工质，使其产 生蒸汽，然后用来推动汽轮机发电机组发电的。其优点在于：根据低沸点工质 的特点，可以利用较低温度的地热流体来加热有机工质；不需要消耗其他的化 石燃料减小对环境的污染。但是地热流体的温度一般相对较低，所以地热电站 的效率也相对较低。为了提高有机朗肯循环的效率，文献中通常从两方面来对 系统进行优化：( 1 ) 循环工质的优化。( 2 ) 循环系统的优化。 1 2 2 1 循环工质研究现状 日本北海道浊川地热电站和九州大岳地热电站，在1 9 7 8 年即有1 姗发电 容量，采用双工质有机朗肯循环发电系统，前者使用r 1 1 4 为工质，而后者则使 用异丁烷。德国、奥地利也分别在2 0 0 0 年前后建成地热有机朗肯循环系统， 装机容量分别为1 m w 和o 1m w 。它们使用同一种工质全氟正戊烷n 。 t z u c h e nh u n g 研究了使用干流体来回收工业废热的朗肯循环，采用一些 氟利昂r 1 1 3 、r 1 2 3 和苯及其衍生物甲苯、对二甲苯来分析系统的不可逆损失及 效率，得到一些极有参考价值的结论n 羽。 1 9 9 7 年，意大利佩鲁贾大学的d e s i d e r i 等人比较了使用有机工质的朗肯 循环与传统工质朗肯循环及闪蒸动力循环在回收地热方面的性能。他们认为采 用氨或氨水混合物的朗肯循环较之于闪蒸能够达到更好的性能。在热源温度较 高时，使用回热器，系统的性能将会进一步提高n 钔。 2 0 0 1 年，意大利巴里理工大学m a i z z a 等人报道了1 1 种常见的氟利昂类 单质及9 种混合制冷剂的热物理性质，并在蒸发温度为8 0 1l o ，冷凝温度 6 第一苹绪论 为3 5 一- - 6 0 时，对它们在有机朗肯循环系统中的效率进行计算，计算结果显 示单质中r 1 2 3 、r 1 2 4 ，混合物中r 4 0 1 c 效率最优n 5 1 。 奥地利维也纳农业大学的b a h a as a l e h 等人在2 0 0 7 年对温度为3 0 - - - 1 0 0 ，压力限定为2 0 b a r 的地热机组进行了研究。该文对涵盖烷烃、醚及其氟化 物在内的3 1 种可用于o r c 的工质物性参数进行了计算且对o r c 的设计进行了对 比。他们认为在地热有机朗肯循环中，临界温度较低的工质，如r 1 3 4 a ，r 1 5 2 a ， 是不错的选择n 4 1 。 美国伊利诺斯州立大学h e t t i a r a c h c h i 等人在考虑经济效益的基础上研究 了地热水温度为9 0 ，以氨水、r 1 2 3 、正戊烷为工质的有机朗肯循环地热系统。 他们的研究表明，氨水循环性能较好，但是它在涡轮机出口呈湿蒸气状态以及 高的蒸发压力限制了它在低温地热方面的应用；r 1 2 3 和正戊烷效率较高，分别 为9 8 ，9 9 c l e 3 。 通过上述文献调研，可以看出，工质的选择大多是采用各种c f c ( 指含氯、 氟、碳的完全卤代烃) 等对环境有破坏的有机物工质( 如r 1 1 4 、r 1 2 3 、r 1 2 4 ) ， 个别采用氨水，烷烃等对环境友好的工质。而且对于工质的选择也是局限在某 一特定地热流体温度，或者考察的地热流体温度段很窄。基于环保以及地热电 站设计的实用性，本文提出，根据不同的地热流体温度( 6 0 1 5 0 ) 选择出最 佳且环保的循环有机工质，为实际电站的设计提供依据。 1 2 2 2 循环系统研究现状 ( 1 ) n i g o r i k a w a 基本有机朗肯循环地热电站 n i g o r i k a w a 有机朗肯循环地热电站以r 1 1 4 作为工质，采用基本的有机朗 肯循环系统，进入电站的地热流体初始温度为1 4 0 ，地热流体质量流量为 4 9 9 9 6 k g s ，电站示意图如i - 5 所示，其循环热效率达到9 8 1 ，电站火用效率 达到2 1 6 n 刀。 ( 2 ) 双汽轮机有机朗肯循环地热电站 双汽轮机有机朗肯循环地热电站在基本的朗肯循环基础上增加了一台汽轮 机，增加了发电量。此地热电站以异丁烷r 6 0 0 a 作为工质，采用空气冷却的方 式，地热流体入口温度为1 5 8 ，冷却空气的温度为1 9 4 ，地热流体的质量 流量为5 5 5 9 k g s 。电站的火用效率达到2 1 - 7 ，循环热效率达到1 0 2 n 引。 ( 3 ) 回热有机朗肯循环地热电站 p e d r oj m a g o n 们等人在基本朗肯循环基础上加上回热器，这样可以提高循 环热效率，火用效率，减小不可逆损失。并且经过工质的优化，选择r 1 1 3 作为 工质，其火用效率比基本朗肯循环提高1 2 ，不可逆损失减小4 2 。 7 北京t 业大学t 学硕i ：学位论文 图卜5n i g o r i k a w a 有机朗肯循环地热电站图 f i g 1 - 5 n i g o r i k a w a ( m o i l ) b i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t c ：水冷冷凝器：c t ：冷却塔；e v ；蒸发器：p h ：预热器；g ：发电机；t ：汽轮机 t u t h i n e ! l 图1 - 6 双汽轮机有机朗肯循环地热电站图 f i g 1 - 6 d o u b l et u r b i n eb i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t 8 9 第一章绪论 图1 - 7 回热有机朗肯循环地热电站图 f i g 1 - 7 r e g e n e r a t i v eb i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t ( 4 ) o t a k ep i l o t 多级预热有机朗肯循环地热电站 日本的o t a k ep i l o t 有机朗肯循环地热电站以异丁烷r 6 0 0 a 作为工质，并且 采用1 8 级闪蒸，有效的加热有机工质，进入电站的地热流体初始温度为1 3 0 ， 地热流体质量流量为1 3 3 5 6 k g s ，电站示意图如1 - 8 所示，其循环热效率达到 1 2 9 ，电站火用效率达到5 3 9 u 7 1 。虽然此电站效率较高，但是其结构复杂， 预热器数量多，造价高，而且不便于维修与管理。 毫 图卜8o t a k ep i l o t 有机朗肯循环地热电站图 f i g 1 - 8 o t a k ep i l o tb i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t a c c ：空冷冷凝器；c t ：冷却塔；e v ：蒸发器；g ：发电机；t ：汽轮机 9 北京t 业大学工学硕十学位论文 ( 5 ) h e b e rs i g c 双级有机朗肯循环地热电站 h e b e rs i g c 地热电站建于1 9 9 3 年，采用双机有机朗肯循环，循环工质为 异戊烷r 6 0 1 a 。双级有机朗肯循环系统意在降低基本双循环内地热水在热交换 器中的热能损失。这种损失是在高温地热流体与低温工质之间热交换时存在较 大的温差造成的，双级0 r c 系统有两级加热一蒸发过程。与只有单级加热一蒸发 的基本循环相比，这样处理可以使2 种流体的平均温差减小，提高地热流体的 利用率，使回灌损失减小。电站包括6 个独立的双级有机朗肯循环系统，每个 系统的一级，二级系统均采用亚临界过热蒸汽循环，地热流体从生产井出来进 入电站的初始温度为1 6 5 ，冷却水温度为2 0 ，电站火用效率达到4 1 n7 i 。 图卜9h e b o rs i g c 双级有机朗肯循环地热电站图 f i g 1 - 9 h e b e vs i g cd u a l l e v e lb i n a r yg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t c p 工质泵；c t ：冷却塔；e v ：蒸发器；p h ：预热器：g ：发电机；h y r ，l p t ：高，低 压汽轮机 通过对基本有机朗肯循环发电系统文献调研过程中，发现缺少对有机工质 进入汽轮机的状态( 饱和，过热) 对比分析的文章，即亚临界饱和蒸气循环和 亚临界过热蒸汽循环( 基本有机朗肯循环包括：亚临界饱和蒸气循环和亚临界 过热蒸汽循环) 详细对比分析的文章，而只是简单的采用某一种循环。基于此 本文将从火用分析和能分析角度对亚临界饱和蒸气循环和亚临界过热蒸汽循环 做详细的对比分析，最终确定较优的朗肯循环，并且在此基础上进行双级双工 质有机朗肯循环研究。根据一级，二级系统不同的地热流体入口温度选择合适 的工质，并且考察发电系统的适用性，给出合理的设计方案。 1 2 3 螺杆膨胀机应用于低温热源发电的研究现状 对于螺杆膨胀机的研究最早始于1 9 5 2 年，当时，h r n i l l s e n 取得了螺 l o 第一苹绪论 杆膨胀机作为动力机的专利。但此后的二十年内，螺杆膨胀机的研究进展缓慢， 发表的文章也不多。直到7 0 年代初能源危机的出现以及地热能、太阳能及工业 余热的开发和利用受到注意以后，螺杆机作为一种有效的低焓能源动力利用的 动力机，才重新得到重视。螺杆膨胀机作为汽液两相膨胀机的尝试始于1 9 7 1 年， 1 9 7 3 年美国水热电力公司的r s p r a n k l e 获得了螺杆膨胀机用于地热发电的专 利。 s p r a n k l e 用双螺杆膨胀机膨胀湿蒸汽或者恒压热水作为回收功的一种方 式，主要回收来自液体或低干度部分的地热盐水的功。两相流体的膨胀又称为 “全流 过程，因此这种方案又称为全流方案乜。 1 9 7 1 年至1 9 7 3 年，美国水热电力公司将两台螺杆压缩机改造为膨胀机， 并分别在加利福尼亚i m p e r i a lv a l l e y 和墨西哥c e r r op r i e t o 进行了现场实验。 2 0 世纪8 0 年代初，在世界能源组织( i e a ) 的资助下，美国水热电力公司设计、 制造了1 m w 大型螺杆膨胀机发电机组，并分别在新西兰、意大利和墨西哥进行 了机组的性能及可靠性实验，膨胀机的最大效率达6 8 嘞1 。 两相螺杆机械除了应用在地热发电厂外，还可以应用于化工厂及用于空调 和热泵系统的大型蒸汽压缩设备的节流过程，来代替节流阀，通过利用径流透 平和螺杆膨胀机回收功可以达到更高的效率。但国外的实践表明，这些方案共 同的特点是，膨胀效率仍然较低。据有关文献报道，径流式透平的绝热效率是 6 7 ，而全流螺杆膨胀机的效率几乎不到5 0 ，这也是阻碍两相膨胀机应用发 展的一个主要因素汹】。 经过多年研究，目前的螺杆膨胀机可以在每级固定容积比3 ：1 下，获得较 大的膨胀比。这样就允许在体积相当小的机械中有较高的质量流速，因此减小 了泄漏损失。在正确设计下，小机器可以达到7 0 - - 7 5 的绝热效率，在大机 械中，如果提供合适的工质，如制冷剂、轻的烃化合物，还可以增加到8 0 。 从技术实用性及设备运行方面分析比较，采用螺杆膨胀机驱动发电机发电， 技术特点鲜明、并有同类型汽轮机发电不可比拟的优越性，如图卜6 螺杆膨胀 动力发电机组示意图。 与小型汽轮机相比，螺杆膨胀机发电的特点哑嗡1 为： ( 1 ) 螺杆膨胀机除适用于汽液两相、热水和饱和蒸汽外，也适用于过热蒸汽。 ( 2 ) 螺杆机结构简单，主要部件仅两根螺杆和外壳，安装维修容易。 ( 3 ) 机组转速可调，一般可按被驱动机械的转速设计，直接驱动，不需要减速 器，运转平稳，振动小，噪声低。 ( 4 ) 螺杆膨胀机为容积式工作原理动力机，机内流速低，除泄漏损失外，很少 有其它损失，机组效率较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。 ( 5 ) 螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维 北京t 业大学t 学硕十学位论文 修费用低，安全可靠性高。 调节阀 图l _ 6 螺杆膨胀机发电机组示意图 f i g 1 - 6 t h es k e t c ho fs c r e we x p a n d e rg e n e r a t o r ( 6 ) 螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖动风机、水泵或压缩 机，当带动发电机发电时能承受较大的冲击负荷。 ( 7 ) 螺杆机对于工业锅炉蒸汽或工厂热水品质要求不高，因为螺杆与螺杆、螺 杆与机壳的相对运行是具有除垢自洁能力的，而未能除去的剩余污垢可起到减 少间隙的作用，减少了泄漏损失，提高了机组效率。 ( 8 ) 螺杆膨胀机是小型汽轮机的替代产品，可广泛用于工业余热余压动力回收 及作为地热太阳能等新能源动力机。 ( 9 ) 螺杆机采用新型微机调速控制装置，机组起动及带负荷操作很简单，正常 运行可以实现全自动无人管理。 本文用螺杆机代替传统的汽轮机，取螺杆机的效率为7 5 。 1 2 40 r c 地热发电的尚未解决的关键问题 ( 1 ) 循环工质的选择 工质的选择特别是一些新的环保型工质的开发与研究是地热发电技术研究 的重要内容。如何选择工质使其技术可行、经济性好，并且符合环保要求，是 低温地热发电技术的重要问题之一。首先从技术可行性角度讲，其最重要的因 素就是工质在循环过程中的压力不能过高，也不能太低，必须在装置抗压性和 密封性允许的范围之内。其次从经济性角度讲，主要从系统的效率因素考虑， 系统的效率尽可能高。 ( 2 ) 循环系统的优化 循环系统优化主要的方面是提高换热器效率。提高换热器效率的核心是减 小换热过程的不可逆损失，尽量减小换热温差。从设备上考虑，可以增加换热器 1 2 第一章绪论 换热面积、合理地设计换热器的结构、采用换热系数更高的材料等；从工质角 度考虑，可采用换热好的有机物工质，同时尽量使工质的加热过程与热源温度变 化过程相配合，从而减小换热温差。本文只从工质与热源匹配的角度对换热器 效率进行优化。 ( 3 ) 系统热经济性评价 对系统的热经济性评价将对电站设计建造有着非常重要的指导作用，因而 如何进行热经济性评价也是地热发电技术的难点之一。有机朗肯循环性能的评 价主要从热力学第一定律和第二定律来考虑。一般有机物的蒸发潜热值较小， 因此在工质等温蒸发过程占整个加热过程的比例较小，因此工质加热过程与热 源温度变化过程的配合程度较好，换热的不可逆损失小，对外输出电功大，因 此电站的经济性较好。对于实际的系统而言，更需要从设备成本等各个方面分析 系统的经济性，不同的分析方式很有可能得到完全不同的结果，因此正确的分析 低温热电系统的热经济性是保证系统高效运行的前提之一。 1 3 本论文主要研究内容和方法 本论文的研究目的在于：以工程热力学理论为基础，对中，低温有机朗肯 循环发电系统进行理论分析，提出优化方案。利用工程计算软件e e s 分析电站 的性能参数和工质特性对中，低温有机朗肯循环系统发电性能的影响。根据不 同的地热流体温度来选择最佳的有机工质，并且对电站的循环系统进行改进， 减小换热器换热过程的不可逆损失，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 利用工程计算软件e e s 分析电站的性能参数和工质特性对中低温有机 朗肯循环系统发电性能的影响，从而确定最佳的循环参数。 ( 2 ) 在理论分析和e e s 软件模拟的基础上，从火用分析和能分析角度对亚 临界饱和蒸气循环和亚临界过热蒸汽循环做详细的对比分析，最终确 定较优的朗肯循环，并且在此基础上，为了减小冷热流体换热过程的 不可逆损失，采用双级有机朗肯循环，从火用分析角度分析双级有机 朗肯循环的优越性。 ( 3 ) 以基本有机朗肯循环为基础，选择最佳循环参数，根据不同的地热流 体温度( 6 0 - 1 5 0 ) 选择出最佳且环保的循环有机工质，并且在双 级有机朗肯循环基础上，对一级，二级系统的有机工质进行优化，根 据一级，二级系统的入口温度选择最佳的工质，实现双级双工质有机 朗肯循环，为实际电站的设计提供依据。 1 3 第_ 章荩本有机朗肯循环( o r c ) 发电系统参数的影i 响 第二章基本有机朗肯循环( o r c ) 发电系统参数的 目n f l ， 影i j 2 1 基本有机朗肯循环( 0 r c ) 发电系统组成及特点 有机朗肯循环( 0 r c ) 又称双循环，即地热流体的循环系统和有机工质的循环 系统，如图2 1 所示。低沸点工质在预热器p h 中被加热到所选定的蒸发温度， 然后在蒸发器e 中被加热到饱和蒸汽态，并以饱和蒸汽态进入螺杆膨胀机s e 做 功，做功后的工质在冷凝器c 中冷凝，再经工质泵c p 升压，完成一个封闭的有 机朗肯循环。地热流体则从生产井p w 出来，经过砂石过滤器s r ，然后依次通 过蒸发器和预热器，放热后进入回灌井i w 啪】。 上述循环的压力是在工质临界压力以下的。根据进入螺杆膨胀机工质状态 不同，基本0 r c 系统又分为亚临界饱和蒸气循环和亚临界过热蒸汽循环。 鞭 l p 图2 - 1 基本有机朗肯循环( o r c ) 地热发电系统图 f i g 2 - 1 t h es y s t e mo f b a s i co r cg e o t h e r m a lp o w e rp l a n t e ：蒸发器；p h ：预热器；p w ：地热生产井；1 w ：地热回灌井；c p ：工质泵；c ：冷凝 器；s r ：砂石过滤器；s e ：螺杆膨胀机；g - 发电机 如图2 2 ( a ) 亚临界饱和蒸气有机朗肯循环t - s 图所示，5 - 1 是工质在蒸 发器中加热一蒸发过程，在此过程中工质在等温状态下从饱和液态加热到饱和蒸 汽态。卜2 工质在螺杆机中实际对外做功过程，卜2 s 是工质绝热状态下对外做 功过程。2 - 3 是工质在冷凝器中定压放热过程。3 - 4 s 是工质在工质泵中定熵压 缩过程；3 - 4 是工质在工质泵中实际压缩过程；4 - 5 是工质在预热器中定压加热 过程，工质从未饱和液态加热到饱和液态。 如图2 2 ( b ) 所示，与亚临界饱和蒸汽循环不同的是，进入螺杆膨胀机的 1 5 北京t 、f p 大学t 学硕f ：学位论文 有机工质处于过热状态，即1 点处于过热蒸汽区。 o f - s 【k j k g - 闷 a 亚临界饱和蒸气o r ct - s 图 ( a ) t e m p e r a t u r e - e n t r o p y ( t - - s ) d i a g r a mo f s u b c r i t i c a ls a t u r a t e dv a p o ro r c o f - s 【k j k g - k i ( b ) 亚临界过热蒸气o r ct s 图 ( b ) t e m p e r a t u r e - e n t r o p y ( h ) d i a g r a mo fs u b c r i t i c a ls u p e r h e a t e dv a p o ro r c 图2 2 基本有机朗肯循环t - s 图 f i g 2 - 2 t e m p e r a t u r e - e n t r o p y ( h ) d i a g r a mo fb a s i co r c 2 2 基本o r c 发电系统的热力分析 整个循环系统主要是由蒸发器，预热器，螺杆机，冷凝器，工质泵，热流 1 6 第二荦幂本有秽l 明肯循环( o r c ) 发电糸须参效的影响 体泵，冷却水泵等设备和一些管道所组成，本文将逐一对各设备进行热力分析。 ( 1 ) 蒸发器与预热器热力分析： 如图2 - 3 工质在预热器与蒸发器中的预热一蒸发过程。 预热器方程可以表示为： m g c g ( t b 一乞) = m w f ( j i l 5 一h 4 ) ( 2 1 ) 蒸发器方程可以表示为： m g c , ( t o 一气) = 所矽( j i l l 一也) ( 2 2 ) 式中：m 擘为地热流体质量流量( k g s ) ，c g 为地热流体平均比热( 克j k g ) ， t 。，f 6 ，r 。分别为地热流体的入口温度，地热流体蒸发器出口温度，地热流体预热 器出口温度，工质流量m 。f ( k g s ) 低沸点工质在预热器p h 中被加热到所选定的蒸发温度f 哪，即工质的饱和 液状态，然后在蒸发器e 中工质被加热到饱和蒸汽态。在换热器中，地热流体 向工质传热存在一个最小传热温差称为：窄点温差t 坤，通常取3 7 ，这里 取6 0 明。 如图2 - 4 地热流体与工质在蒸发器和预热器中热交换过程可知，地热流体在蒸 发器出口处的温度t b 可以表示为：t b = + ，所以由公式2 - 2 ，可得工质流 量公式为： m w f = c gm g ( f l 一0 砷一o ) ( h l 一以) ( k g s ) ( 2 3 ) ( 2 ) 冷凝器热力分析： 本文采用水冷式对工质进行冷却。有机工质从螺杆机出来，进入冷凝器， 通过冷却水对工质进行冷凝。如图2 - 5 冷凝器中冷却水与工质换热过程。工质 放热量公式可以表示为： 皱= m 。c o ，- t ，) = m 订( i j l 2 一吃) ( 2 4 ) 其中，c 为冷却水平均比热( 材姆) ，冷却水入口温度t 。( ) ，冷却水出 口温度为f y ( ) ，冷却水流量研。( k g s ) 。 热量在传递时是需要有温度差，即工质的冷凝温度不总是要比冷却水的出 口时的温度f ，高一些。这样，冷凝温度t ，和冷却水的温度之间一定有如下的关 1 7 北京丁业大学t 学硕十学位论文 系，如图2 4 冷却水与工质在冷凝器中热交换过程图所示：t 3 = f 。+ a t ，+ a t w ， 其中工