赵春华 郑思宇 汪成康 梁志鹏

(1. 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌 443002)

基于有机朗肯循环的低温太阳能发电系统工质的选择

赵春华1，2郑思宇2汪成康2梁志鹏2

(1. 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室， 湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌 443002)

有机朗肯循环系统利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功，在低品位热能的利用方面更有优势．循环工质的选择是影响有机朗肯循环系统性能的关键因素之一．本文针对集热温度120℃，蒸发温度在100℃以下的低温太阳能有机朗肯循环系统进行了工质的研究分析，选择R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601 7种工质，以工质的热效率、火用效率及系统不可逆损失为评价指标，利用Matlab和PERPROP软件对候选工质的各热力参数进行了比较．结果表明：低温太阳能有机朗肯循环发电系统的选用R123作为循环工质时具有较高的热效率和火用效率，且系统总不可逆损失较低，适合作为蒸发温度100℃以下的低温有机朗肯循环系统的循环工质．

有机朗肯循环； 低温太阳能； 有机工质； 热效率； 火用效率； 不可逆损失

近年来对有机朗肯循环系统(ORC)的研究越来越受到人们的重视和青睐．由于工质的物性是影响其性能的关键因素之一，因此有机工质的选择是研究有机朗肯循环系统的重要组成部分．国内外很多学者对此进行了深入的研究[1-8]．本文选取R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601 7种工质，对其在蒸发温度100℃内的太阳能有机朗肯循环系统的性能影响进行分析，在相同蒸发温度下，以工质的热效率、火用效率及系统不可逆损失为评价指标，得到了低温太阳能ORC系统合适的工质．

1 工质的选择

遵从有机朗肯循环发电系统的工质选择原则[9]，选择R245fa，R123，R236fa，R113，R245ca，R600，R601作为候选工质，其详细特性参数见表1．所选工质的物性参数来自NIST提供的PEFPROP工质库软件．

表1 7种工质的物性参数

由表1可知，烷烃类R600和R601的臭氧破坏能力及温室效应都极低，对环境影响最小．R113的ODP及GWP值最小，而R123有一定的臭氧破坏能力但温室效应较低，综合比较R113最优，烷烃类工质其次．

2 理论计算结果及分析

为了分析7种工质对循环性能的影响，需要设定相同的循环工况，见表2．

表2 ORC循环工况设定

图1为7种工质在不同蒸发温度下的临界压力．工质的蒸发压力随着临界温度的升高而升高，并且随着温度的升高，压力增大的速度越来越快．蒸发压力过大会大大提高对设备结构强度、密封性等性能的要求，则提高了系统的成本，影响系统经济性，故蒸发压力不宜过大，出于安全考虑，应选择合适蒸发压力的工质．如图1所示，在100℃时，R113和R123的蒸发压力分别为0.44 MPa和0.79 MPa，而R601的蒸发压力为1.99 MPa，是R123的2.5倍，对设备的要求高很多．R113和R123在相同蒸发温度下，蒸发压力最小，且增加得最为缓慢，R236fa和R601在相同蒸发温度下蒸发压力最大．所以选用R113和R123作为工质，饱和压力小，可降低系统成本．

图1 不同工质的物性图

2.1 基于热力学第一定律分析

循环热效率的计算是基于热力学第一定律的性能评价指标，计算式见公式(1)，其定义为净做功量与吸热量的比值．ORC系统热效率

(1)

式中，h1、h2、h3、h4分别表示工质在工质泵入口处、工质泵出口处、透平入口处、透平出口处的焓值(kJ·kg-1)．

由图2可看出，随着蒸发温度的升高，7种工质的热效率都呈上升趋势，且R123和R113的热效率最高，R236fa最低．

图2 蒸发温度100℃时不同工质的热效率

当蒸发温度在100℃时，R123和R113的热效率为12.5%；在150℃时，R123和R113热效率达到了16%．7种工质中，在蒸发温度80℃以下时，热效率差距不大，R113和R123热效率基本相同，R236fa最低；当蒸发温度高于80℃时，除了R113和R123外，其余5种工质热效率开始发生明显差距，R113=R123>R245ca>R245fa>R600>R601>R236fa，R236fa一直为最低．而常用工质R245fa在蒸发温度低于100℃时热效率并没有明显优势．

系统净输出功计算式见公式(2)，定义为工质放热做功量减去工质泵做功量．ORC系统净输出功

(2)

式中，m为工质的质量流量(kg·s-1)．

由图3可得出，净输出功并不是随着蒸发温度的升高而升高，而是有一最佳蒸发温度值．随着蒸发温度的变化，以R236fa为工质时系统净输出功最高，最佳蒸发温度在75℃左右；其余6种工质最佳温度在70℃左右，且R113和R123净输出功最低．

图3 蒸发温度对系统净输出功的影响

功比是衡量透平做功的经济性指标，定义为透平净输出功与透平做功量的比值，计算式见公式(3)．

系统的循环功比

(3)

由图4可见，在蒸发温度50℃时，7种工质的功比差距很小，在3%内；在100℃时，R113和R123功比变化很小，只降低约1%，而R601降低了4%，随温度变化功比变化较大．随着蒸发温度的升高，不同工质的功比均随着蒸发温度升高而降低，但R113和R123功比最高．所以，由于R113和R123的功比随温度变化小，适合在热源温度不稳定的情况下工作．

图4 蒸发温度与功比的关系

膨胀比为透平入口与出口的压力比值．理想状况下，透平的膨胀比越高，单位质量的工质做功越多，系统效率越高．膨胀比的大小影响机械能的输出，若膨胀比过大，则会使得出口气体的比容增大，工质质量流量减小．获得相同的机械能输出，需增加膨胀机(透平)尺寸而提高了成本，所以合适的膨胀比也是循环系统很重要的一个参数．如图5可看出，不同工质均随着蒸发温度的升高，膨胀比变大，大小关系始终是R113>R245ca>R123>R245fa>R236fa>R600>R601．R113膨胀比最大，R601最小．

图5 不同蒸发温度工质的膨胀比

汽耗率为循环系统的另一个经济性指标，定义为装置每输出单位功量所耗费的蒸气量，表达式为d=1/(h3-h4)．

由图6可看出，不同工质的汽耗率随着蒸发温度的升高而减小，且随着温度的升高，耗汽率的差距越来越小，但始终呈R236fa>R113>R123>R245fa>R245ca>R601>R600．R236fa在温度在50℃时，汽耗率最高，而随着温度升高，在蒸发温度100℃时，R600与R601较为接近，其余4种工质的汽耗率比较接近．

图6 不同蒸发温度工质的汽耗率

2.2 基于热力学第二定律分析

在实际运行过程中，功量和热量是不等价的，任何系统都不可避免地存在不可逆损失．从热力学第二定律的角度，将火用定义为不同情况下系统所能完成的最大功量，火用效率可以有效地反应在系统实际运行中能量的利用情况，以此来衡量系统的性能．火用效率表达式为

(4)

式中，TH为热源温度(K)；TL为冷源温度(K)．

如图7所示，工质的火用效率随着蒸发温度的升高而提高，以R113或R123为例，在75℃时，其火用效率为11.4%；当蒸发温度为100℃时，其火用效率为14.8%．当100℃时，R236fa的火用效率为13%，这说明不同的工质在运行过程中火用效率有很大差异．R113和R123比较相似，7种工质火用效率的大小关系为R113=R123>R245ca>R245fa>R600>R601>R236fa．在7种工质中，R113和R123的火用效率最高．

图7 不同蒸发温度工质的火用效率

为比较7种不同工质的系统不可逆损失，设定在热源温度120℃，冷凝温度20℃的系统中为例，系统总不可逆损失由式(5)得出．系统循环总不可逆损失

(5)

如图8所示，系统不可逆损失随着蒸发温度的升高而变大，由图可看出，系统不可逆损失大小为R600>R601>R245ca>R245fa>R123>R113>R236fa．采用烷烃类物质R600和R601作为工质的系统不可逆损失最大，而R236fa最小．在100℃时，R236fa的系统不可逆损失为31 kJ/kg，R113和R123略高于R236fa，为38 kJ/kg和42 kJ/kg，而R600和R601的系统不可逆损失为104 kJ/kg和91 kJ/kg．说明不同的工质在运行过程中，造成的系统不可逆损失会有很大的差异，选取合适的工质可以降低系统不可逆损失，使其能量利用最大化．

图8 不同蒸发温度时系统不可逆损失

3 结 语

1)根据热力学第一定律对工质在系统循环的影响进行分析，得出工质的热效率和膨胀比随着蒸发温度的升高而升高，R113和R123为7种工质中热效率和膨胀比最高的两种工质，理论上膨胀比越大，工质的做功能力越强；功比和气耗率随着蒸发温度的升高而降低，R123和R113的功比随着温度变化而减小得很少，R600和R601气耗率最低，但7种工质在100℃时，气耗率差值很小．

2)基于热力学第二定律对工质的火用效率和系统总不可逆损失进行了分析计算，可得出工质的火用效率随着蒸发温度的升高而升高，R113和R123火用效率基本相同，为7种工质中最高；随着蒸发温度升高，系统总不可逆损失逐渐增加，但烷烃类的R600和R601系统不可逆损失最高，且与其余工质差距较大，其余5种工质系统总不可逆损失较接近差距不大．

3)综合各方面考虑，选择R123作为温度100℃以下的低温太阳能有机朗肯循环系统的工质是较为合适的，其具有较高的热效率、火用效率，且当R123作为工质时，气耗率和系统总不可逆损失较低，系统热经济性较高．只是膨胀比略大，可能对透平的设计要求较高，会提高一定的设计成本．其外，R113在热经济性上也是很好的候选工质．

[1] 叶依林．基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统的研究[D]．北京：华北电力大学，2011．

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[9] 王 华，王辉涛． 低温余热发电有机朗肯循环技术[M]．北京：科学出版社，2010．

[责任编辑 张 莉]

Working Fluid Selection of Low-temperature Solar Power Generation System Based on Organic Rankine Cycle

Zhao Chunhua1,2Zheng Siyu2Wang Chengkang2Liang Zhipeng2

(1. Hubei Key Laboratory of Hydroelectric Machinery Design & Maintenance, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China; 2. College of Mechanical & Power Engineering, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Organic Rankine cycle (ORC) system uses organic fluids as working fluids to promote the work of the turbine. It performs better in recovering low enthalpy containing heat sources. The thermodynamic properties of working fluid have a significant effect on performance of solar organic Rankine cycle (ORC). According to the collector temperature of 120℃, and the evaporation temperature of 100℃，this article took R245fa, R123, R236fa, R113, R245ca, R600 and R601 as candidate working fluids, during which the evaporation temperature, thermal efficiency, exergy efficiency and total irreversible loss were respectively calculated and compared by using Matlab and PERPROP softwares. The results show： R123 performs relatively high thermal and exergy efficiency and produces relatively low total irreversible loss in low temperature solar ORC system, which is recommended as a desirable working fluid for the ORC system of evaporation temperature below 100℃.

organic Rankine cycle(ORC); low-temperature solar power; organic working fluid; thermal efficiency; exergy efficiency; irreversible loss

2016-03-15

赵春华(1971-)，女，教授，博士，博士生导师，主要研究方向为故障诊断、数字化设计及其制造等．E-mail：26035479@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.020

TK519

A

1672-948X(2017)03-0089-04