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太阳能有机朗肯-闪蒸循环工质选择

更新时间:2009-03-28

热发电是利用太阳能的重要方式之一[1]。在过去的三十多年里,太阳能热发电的研究重点集中在高温领域,目前投运的太阳能热发电站普遍采用(水)蒸气朗肯循环,其存在的一个主要问题是当蒸汽温度低于370℃时,系统热效率较低[2]。此外,高温太阳能集热器必须采用跟踪聚焦集热方式,导致整个系统的控制烦琐、规模庞大、安装和运行维护复杂[3]

太阳辐射能流密度低,易于转换为低温热源的物理特性与低温热发电系统之间具有天然的适应性。适用于低温热发电的动力循环主要有有机朗肯循环(ORC)[4]、Kalina循环[5]及CO2跨临界循环[6]等。相较其他循环,ORC采用低沸点的有机物作为工质,具有良好的低温运行性能,且易于小型化、模块化,适合分布式供能系统,受到研究人员的广泛关注[7-10]。目前,针对太阳能低温ORC的研究主要集中在工质选择和系统优化设计两个方面。如TCHANCHE等[11]对比分析了20种适用于太阳能低温ORC的工质,其中R134a被认为是最适合的工质,同时 R152a、R600a、R600和 R290也表现出了很好的性能。韩中合等[12]对分级抽汽回热式太阳能低温 ORC的热力性能进行了分析,指出相较常规的ORC,分级抽汽回热式系统的热效率和第二定律效率更高,性能更优越。

虽然 ORC具有多种技术优势,但在循环过程中,热源流体的大部分热量作为潜热被工质吸收,而用于提升工质温度的显热部分占比较小,使得工质往往在较低的温度下蒸发,循环的不可逆损失较大,从而使系统的整体效率偏低[13]。为了提高系统的效率,MICHAELIDES和 SCOTT[14]提出了有机朗肯-闪蒸循环(binary-flashing cycle,BFC),且针对低温地热发电的研究表明,与ORC相比较,BFC系统不仅具有更好的系统性能,同时在经济性上也有明显优势。EDRISI和 MICHAELIDES[15]对比分析了基于 6种不同有机工质的地热能BFC系统和ORC系统的热力性能,结果表明在相同的工况下,BFC系统的最大净输出功较ORC系统高出约25%左右。此外,SHI和MICHAELIDES[16]还针对低温地热能驱动的有机朗肯-双级闪蒸系统的热力性能进行了分析。文献调研表明,尽管BFC较ORC具有较高的热力性能,但目前未见关于BFC在太阳能开发利用中的研究报道。

本文针对太阳能平板集热器驱动的 BFC(SBFC)系统,选择R601、R601a、R1233zd(E)、R600、R1234ze(Z)、R600a和R1234ze作为循环工质,利用EES(Engineering Equation Solver)软件,从热力学第一和第二定律角度,研究不同工质对SBFC系统净输出功、热效率、不可逆损失、第二定律效率、换热器热导(UA,总传热系数与传热面积的乘积)以及单位太阳能集热器面积净输出功的影响,并选出适宜在SBFC系统中使用的工质。

1 SBFC系统热力分析

1.1 SBFC系统描述

SBFC系统主要由太阳能集热器、预热器Ⅰ、预热器Ⅱ、发生器、气液分离器、闪蒸器、膨胀机、冷凝器和工质泵等部件组成,其基本流程如图1所示。从发生器流出的气液两相工质进入气液分离器,气液两相分离,其中气相工质进入膨胀机做功,液相工质进入闪蒸器闪发;闪蒸器中产生的气相工质也进入膨胀机做功,液相工质经工质泵升压至发生压力后进入预热器Ⅱ;膨胀机出口的工质乏气进入冷凝器放热冷凝成液态,经工质泵升压至发生压力后进入预热器Ⅰ,在其中被太阳能加热至闪蒸温度,随后与来自闪蒸器的液态工质一同进入预热器Ⅱ,汇流后的工质在预热器Ⅱ中被太阳能加热至发生压力对应的饱和温度后进入发生器,在其中被太阳能继续加热形成气液两相混合物,形成循环。

海外电力投资项目往往涉及复杂的项目协议群,涉及相关方众多,投资主体应充分理解各协议的作用,在不同协议中进行风险分担。风险分担核心思路是,风险应交由最适合的主体(如:风险控制者)来承担。

  

图1 太阳能有机朗肯-闪蒸循环流程图

 

(1~14表示状态点)

  

图2 换热过程简图

SBFC系统吸热侧的换热过程如图2所示。与常规的ORC相比,BFC实现太阳能对有机工质进行分段预热,进入到发生器中的液体工质具有较高的温度,并有效地减少有机工质在低温下吸热对系统的不利影响。

1.2 数学模型假设

为了简化计算,做如下假设[17-20]:①系统处于稳定流动状态;②忽略系统散热损失;③不计工质流动阻力损失;④工质泵和膨胀机的等熵效率在不同工况下保持不变;⑤由于气液分离器中的不可逆损失在总不可逆损失中占比太小,忽略不计;⑥冷凝器出口为饱和状态;⑦忽略外部流体(热水和冷却水)输送所耗的泵功。

1.3 SBFC系统数学模型

1.3.1 太阳能集热器

太阳能平板集热器输出的有用能 Qin计算如式(1)。

本文用Eviews 8软件对面板数据进行处理,首先对各序列进行单位根检验,单位根检验结果为各序列均在95%的置信水平上拒绝原假设,各序列平稳。对样本进行F检验,拒绝了样本系数相同并截距相同、系数相同并截距不同的两个原假设,最终采用变系数、变截距的模型进行回归,根据回归结果得到产能利用率如表2所示。鉴于中国尚没有对产能过剩标准的评判标准,本文借鉴国际上对产能利用率的标准,即79%~83%为正常产能范围,低于79%为产能过剩,高于90%为产能不足[15]作为参考,根据2001~2016年炼化产业产能利用率的测算结果进行初步分析:

 

太阳能平板集热器的不可逆损失[21] ED,SC计算如式(2)。

 

式中,Q为热负荷,kW;η为集热器效率;A为采光面积,m2;G为太阳辐照强度,kW/m2;ED为不可逆损失,kW;T为温度,K;h为比焓,kJ/kg;S为比熵,kJ/(kg·K);m为质量流量,kg/s;下角标SC和hf分别表示太阳能集热器和热源流体;下角标 0和 sun分别表示环境和太阳表面;下角标 13和“14”对应图1中的状态点。

1.3.2 气液分离器

设定 BFC工质总质量流量为 mwf(即m1=m9=m8=mwf),则气液分离器出口的气相与液相工质质量流量(m2和m10)分别为式(3)、式(4)。

(4)洞脸明洞浇筑。结束上述作业后,应对洞脸进行清理,并搭建安装钢筋,通过混凝土浇筑的方式形成规格为1m的明拱洞形。

 

式中,xgen为状态点 1处气液两相混合物的干度;下角标gen和wf分别表示发生器和工质;下角标1、2、8、9和10对应图1中的状态点。

1.3.3 闪蒸器

闪蒸器出口的气相与液相工质质量流量(m11和m12)分别为式(5)、式(6)。

 

闪蒸器的不可逆损失ED,fsh如式(7)。

 

式中,xfsh为工质在闪蒸器中闪发后的气液两相混合物的干度;下角标fsh表示闪蒸器;下角标11和12对应图1中的状态点。

1.3.4 换热器

(1)预热器Ⅰ

预热器Ⅰ的热负荷如式(8)。

 

其中

 

预热器Ⅰ的不可逆损失ED,preⅠ如式(10)。

 

(2)预热器Ⅱ

早在二十世纪四五十年代,西方学者便开始讨论体育赛事转播权的保护问题。① L.H.M. The Property Right in a Sports Telecast. Virginia Law Review. Vol.35, No. 2(Feb.,1949), pp. 246-263.广播商希望通过这一权利,垄断相关体育赛事的广播权益,从源头上将体育赛事界定为所谓的“赛事版权”便是最初的尝试,只是它很快便被否决了。② 同注释①。学者L.H.M.认为,体育赛事作为处于公有领域的新闻事件,不具有版权保护的可能性。自此,体育赛事转播权的权利界定便处于众说纷纭之中。

预热器Ⅱ的热负荷QpreⅡ如式(11)。

综上所述,在水利工程建设过程中应用项目管理可以有效地提升水利工程项目的质量,项目管理在整个水利工程的建设过程中都有十分重要的意义,同时水利工程项目管理也存在着很多明显的问题,这些问题在一定程度上会给水利工程的建设带来影响,因此在探究如何在水利工程建设中应用项目管理的同时也要解决水利工程项目管理中存在的问题,提升水利工程项目的施工质量,为在水利工程建设中应用项目管理打下夯实的基础。

 

预热器Ⅱ的不可逆损失ED,preⅡ如式(12)。

 

SBFC系统净输出功Wnet见式(24)。

发生器的热负荷Qgen如式(13)。

 

发生器的不可逆损失ED,gen如式(14)。

 

式中,ED,BFC为 BFC的不可逆损失,计算如式(33)。

冷凝器的热负荷Qcon如式(15)。

 

冷凝器的不可逆损失ED,con如式(16)。

 

(5)SBFC系统总热导(UA)tot

 

式中,cp为定压比热容,kJ/(kg·K);ΔT为对数平均温差,K;Tm为换热器外部流体平均温度,K;U为换热器的传热系数,kW/(m2·K);A为换热器的传热面积,m2;(UA)为换热器热导,kW/K;下角标cf和con分别表示冷源流体和冷凝器;下角标preⅠ和 preⅡ分别表示预热器Ⅰ和预热器Ⅱ;下角标 in和out分别表示进出设备;下角标p,1和p,2分别表示夹点1和夹点2;下标3、4、5、6对应图1中的状态点。

热箱室内模拟冬季室内环境,该试验设置温度参数为20 ℃.热箱室内长2.7 m,宽2 m,高2.4 m,外壁为双层彩钢板,中间由150 mm厚聚氨酯发泡塑料构成,其热阻值为4.8 (m2·K)/W,内表面黑度为0.85.热箱热源为电暖器.

1.3.5 工质泵

(1)工质泵Ⅰ的耗功WpupⅠ与不可逆损失ED,pupⅠ分别为式(18)、式(19)。

 

(2)工质泵Ⅱ的耗功 WpupⅡ与不可逆损失ED, pupⅡ分别为式(20)、式(21)。

 

式中,Tave为集热器进出口平均温度,K。

1.3.6 膨胀机

膨胀机的输出功Wexp与不可逆损失ED,exp分别为式(22)、式(23)。

 

式中,下角标exp表示膨胀机。

1.3.7 SBFC系统净输出功

(3)发生器

Analysis of hydrogeological surver results in serious kaschin-beck disease area of tibet

 

1.3.8 SBFC系统热效率

SBFC系统热效率 ηⅠ,tot如式(25)。

 

式中,ηⅠ,BFC和ηⅠ,SC分别为BFC和太阳能集热器的热效率,计算如式(26)、式(27)[22]

选SPSS20.0软件统计分析数据,计数资料用(n/%)表示;计量资料用(±s)表示;经客观比对两组指标,P<0.05提示差异有统计学意义。

 

式中,W为功率,kW;下角标pupⅠ和pupⅡ表示工质泵Ⅰ和工质泵Ⅱ;下标s表示等熵过程;下角标7对应图1中的状态点。

1.3.9 SBFC系统第二定律效率

SBFC系统第二定律效率ηⅡ,tot如式(28)。

 

式中,ηⅡ,BFC和ηⅡ,SC分别为BFF和太阳能集热器的第二定律效率[23],计算如式(29)、式(30)。

 

其中,Ein,BFC为BFC总输入,计算如式(31)。

 

1.3.10 SBFC系统不可逆损失

SBFC系统不可逆损失ED,tot如式(32)。

 

(4)冷凝器

 

2 模型验证

本文中的数值模拟计算通过EES软件来完成,其中有机工质的物性参数来自 REFPROP[24]。计算流程如图3所示,数值计算过程中,首先给Tgen和xgen赋初值,通过循环,计算热源温度与工质温度之差的最小值,即为夹点温差,如果此值跟预先设定的夹点温差足够接近(取两者之差为0.001),则认为满足条件,否则重新给xgen赋值开始新的循环;进一步计算出系统的各个性能指标参数[Wnet、η、η、ED,tot、(UA)tot和 Wpa]并对 Wnet值的大小进行判断,如果Wnet达到最大值,则循环结束,否则重新给Tgen赋值,开始新的循环,直到Wnet达到最大值。为了检验BFC系统数学模型的准确性,以R245fa为工质,将文献[25]中的计算工况代入本文所建模型,并将计算结果与文献[25]中的结果进行对比,其结果如表1所示。从表1可以看出,本文计算所得的系统热效率与文献[25]的计算结果吻合的很好,最大相对误差不超过 3.20%,验证了本文所建模型的准确性

(一)决策随意与审批环节冗长并存。从调研情况看,一方面,存在基本建设投资项目决策随意的情况,特别是新官上任之初凭长官意志对建设规划、工程项目“拍脑门、拍胸脯”决策的情况时有发生。有些项目与已有项目功能重叠,影响资源配置效率;有些项目设计立项贪大求洋、追求高标准高规模,忽略功能性和实用性。另一方面,基本建设项目审批环节多、耗时多、手续繁杂的问题仍然突出。立项、可行性研究、初步设计、概算等存在一个部门多次审批的问题。

3 计算结果与分析

计算参数的选取如下。

(1)太阳能集热器 采光面积400m2,倾斜面太阳辐照强度0.8kW/m2

  

图3 SBFC系统模拟计算流程图

 

表1 本文计算结果与文献[25]的对比——BFC系统热效率随发生温度的变化

  

发生温度/℃ 文献[25]热效率/% 本文热效率/% 相对误差/%55 9.47 9.62 0.58 60 10.03 9.97 0.60 65 10.53 10.46 0.66 70 10.91 10.87 0.37 75 11.23 11.18 0.45 80 11.44 11.39 0.44 85 11.65 11.5 1.29 90 11.88 11.5 3.20

(5)环境 环境温度20℃(293.15K)。

ERICA程序是欧盟提出的电离辐射对生态环境风险评价的框架程序,其来自于2004—2007年的欧盟“电离污染环境风险:评估和管理”(ERICA)项目。

(3)冷却水 冷凝器入口温度 20℃,冷凝温度30℃。

勒菲弗尔在《翻译、改写以及对文学名声的控制》一书中首次引入了“改写”这一概念,认为翻译就是一种对原文的改写,而改写就是操作。他认为“所有的改写,不管其目的如何,都反映了某种意识形态和诗学,从而操作文学在特定的社会里以特定的方式其作用”。而在电影字幕翻译中,出于迎合目的语观众的口味以及娱乐化的价值取向,可以对原文内容进行适当的改写。翻译是戴着脚镣跳舞,改写必须把握好适度原则,不可以脱离原文,随意改写。

(4)夹点温差 换热器夹点温差5℃。

(2)热水 集热器出口温度80~100℃。

(6)其他 膨胀机效率0.85,工质泵效率0.8。

对亚硝酸盐含量进行测定时,一定要结合实际。选择10g经过搅碎之后的样品,在该样品当中加入70mL的水、12mL的氢氧化钠溶液,将这些物质全部都搅拌均匀。为了保证最终的实验效果,应直接将氢氧化钠溶液融入其中,并且将该溶液的pH值调整为8,同时还要将其定量转移至200mL的容量瓶当中,并加入10mL的硫酸锌溶液搅拌均匀。在对该溶液瓶中的状态进行观察时,如果其中并没有产生任何白色的沉淀物质,那么可以加入2~5mL的氢氧化钠,将这些溶液全部搅拌均匀。在搅拌均匀之后,直接将其放置在60℃的水浴当中,并且对其进行加热,加热时间控制在10min左右。加热完成之后,立即将其取出,将温度下降至室温。

文献[14-16]的研究表明,在冷热源参数一定的条件下,BFC存在一个最优的发生温度和闪蒸温度使得系统的净输出功最大,且最佳闪蒸温度为发生温度与冷凝温度的平均值。本文以净输出功最大(最优工况)为基础,对SBFC系统进行模拟分析,在不同的集热器出口热水温度条件下,研究 R601、R601a、R1233zd(E)、R600、R1234ze(Z)、R600a和R1234ze(基础热物性如表2所示)对SBFC系统性能的影响规律。

集热器出口热水温度变化对最优工况下的SBFC系统净输出功和热效率的影响分别如图4和图5所示。当集热器出口热水温度增大时,不同工质的SBFC系统净输出功和热效率的变化规律非常相似,均随之呈近线性增大的趋势,其中 R601的净输出功和热效率最大。当集热器出口热水温度从80℃增大至100℃时,R601的净输出功从10.06kW增大到 12.10kW,热效率从3.14%增大到 3.78%,增幅都约为 20%。在所研究的温度范围内,R601a的净输出功和热效率与 R601非常接近,随后依次为R1233zd(E)、R1234ze(Z)、R600和R600a,R1234ze的净输出功和热效率最小。这一现象表明,SBFC系统的净输出功和热效率与标准沸点成正比,即工质的标准沸点温度越高,系统的净输出功和热效率越大。

 

表2 工质基础热物性参数

  

①GWP表示全球增温潜能。

 

工质 摩尔质量/kg·kmol-1临界温度/℃临界压力/kPa标准沸点/℃ GWPR1234ze(Z) 114.04 150.12 3533.00 9.75 <0.02 R1234ze 114.04 109.37 3636.30 -18.95 <0.02 R1233zd(E) 130.50 166.45 3623.70 18.26 7 R600 58.12 151.98 3796.00 -0.49 3 R600a 58.12 134.66 3629.00 -11.75 <10 R601 72.15 196.55 3370.00 36.06 ~20 R601a 72.15 187.20 3378.00 27.83 ~20

  

图4 SBFC系统净输出功随集热器出口热水温度的变化

  

图5 SBFC系统热效率随集热器出口热水温度的变化

集热器出口热水温度变化对最优工况下的SBFC系统第二定律效率和不可逆损失的影响分别如图6和图7所示。当集热器出口热水温度增大时,不同工质的SBFC第二定律效率均随之呈近线性增大的趋势,不可逆损失则随之呈近线性降低的趋势,其中R601的第二定律效率最大,不可逆损失最小。当集热器出口热水温度从 80℃增大至 100℃时,R601的第二定律效率从3.31%升高到3.99%,增幅约为 21%,不可逆损失则从 292.18kW 降低到290.31kW,降幅约为0.64%。在所研究的温度范围内,R601a的第二定律效率和不可逆损失与 R601非常接近,随后依次为R1233zd(E)、R1234ze(Z)、R600和R600a,R1234ze的第二定律效率最小且不可逆损失最大。图6和图7表明,SBFC系统的第二定律效率与标准沸点成正比,不可逆损失与标准沸点呈反比,即工质的标准沸点温度越高,系统的第二定律效率越大且不可逆损失越小。

  

图6 SBFC系统第二定律效率随集热器出口热水温度的变化

  

图7 SBFC系统不可逆损失随集热器出口热水温度的变化

集热器出口热水温度变化对最优工况下的SBFC系统换热器 (UA)tot值的影响如图8所示。当集热器出口热水温度增大时,不同工质的SBFC换热器 (UA)tot值变化规律相似,均随之呈近线性降低的趋势,其中R1234ze的 (UA)tot值最小,R601的(UA)tot值最大。当集热器出口热水温度从80℃增大至100℃时,R1234ze的 (UA)tot值从50.62kW/K降低到 42.87kW/K,降幅约为 15%,R601的(UA)tot值从52.18kW/K降低到43.06kW/K,降幅约为17%。尽管R601的 (UA)tot值比R1234ze大,但随着集热器出口热水温度的增加,不同工质 (UA)tot值的差别逐渐减小。例如:当集热器出口热水温度为80℃时,R601的 (UA)tot值比R1234ze高出3%,而当集热器出口热水温度为 100℃时,R601的 (UA)tot值比R1234ze仅高出0.4%。此外,SBFC系统的换热器(UA)tot值与标准沸点成正比,即标准沸点温度越高,系统的换热器 (UA)tot值越大。

  

图8 SBFC系统换热器 (UA)tot值随集热器出口热水温度的变化

  

图9 SBFC系统单位太阳能集热器面积净输出功随集热器出口热水温度的变化

集热器出口热水温度变化对最优工况下的SBFC系统单位太阳能集热器面积净输出功的影响如图9所示。当集热器出口热水温度增大时,不同工质的SBFC单位太阳能集热器面积净输出功的变化规律相似,均随之呈近线性增大的趋势,其中R601的单位太阳能集热器面积净输出功最大。当集热器出口热水温度从 80℃增大至 100℃时,R601的单位太阳能集热器面积净输出功从 0.025kW/m2升高到0.030kW/m2,增幅约为20%。在所研究的温度范围内,R601a的单位太阳能集热器面积净输出功与 R601非常接近,随后依次为 R1233zd(E)、R1234ze(Z)、R600和R600a,R1234ze的单位太阳能集热器面积净输出功最小。此外,SBFC系统的单位太阳能集热器面积净输出功与标准沸点成正比,即标准沸点温度越高,系统的单位太阳能集热器面积净输出功越大。

在扫描电镜测试的同时,通过X射线能谱(EDS)对纳米粒子(4、5)的表面元素组成进行了测定。测试结果如图5所示,纳米粒子(4,5)中的主要元素均为硅和氧,这是因为这些纳米粒子的主要成分为二氧化硅所致。部分元素的含量如碳、氮也相当可观,另外图中还显示了一些关键性元素如S的存在。

4 结论

在系统净输出功最大的约束条件下,基于热力学第一定律与第二定律,对比研究了7种不同工质对SBFC系统性能的影响规律,得到如下结论。

(1)集热器出口热水温度的增大对SBFC系统性能的影响很大,提高热水温度能有效提高系统的净输出功、热效率和第二定律效率和单位太阳能集热器面积净输出功,并同时降低SBFC系统的不可逆损失和换热器 (UA)tot值。

(2)工质的热力性能与其标准沸点温度密切相关,即工质的标准沸点温度越高,SBFC热力性能越好,具体表现为R601>R601a>R1233zd(E)>R1234ze(Z)>R600>R600a>R1234ze。

(3)尽管R601的 (UA)tot值比R1234ze大,但在所研究的温度范围内,不同工质的 (UA)tot值差值不大,且随着集热器出口热水温度的增大,不同工质的 (UA)tot值的差值还将逐渐减小。

(4)综合考虑,R601是一较理想的SBFC系统循环工质,以R601作为工质的SBFC系统具有较高的净输出功、热效率和第二定律效率,并且系统的不可逆损失较小。

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刘茜,李华山,卜宪标,王令宝,龚宇烈
《化工进展》 2018年第05期
《化工进展》2018年第05期文献
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