有机工质闪蒸循环探究

对于温度较低的地热能，采用水的闪蒸循环效率会很低或者可能根本无法实现。有机工质的沸点较低，因此可采用有机工质的闪蒸循环。Mosaffa和Zareei研究了有机工质的二元闪蒸循环的性能［33］，由于有机工质可在较低温度下闪蒸，采用有机工质闪蒸循环（OFC）可改善地热水与有机工质之间的温度匹配，降低损。通过采用二级闪蒸，以及将膨胀阀替换为两相膨胀机可进一步提高二元闪蒸循环的性能。与传统的简单ORC二元地热能发电系统相比，采用有机工质闪蒸循环可提高系统性能［34］～［37］。

设计的4种采用有机工质闪蒸循环的二元地热能发电系统如图4-48所示，有机工质采用R123。图4-48（a）所示为采用有机工质的一级闪蒸循环（EOFC），低温液态有机工质被工质泵加压后进入冷凝器，吸收膨胀机出口乏汽的热量，之后进入加热器与地热水换热，再经过膨胀阀减压后进入闪蒸罐。图4-48（b）所示为采用有机工质的二级闪蒸循环（DEOFC），与EOFC系统相比，高压闪蒸罐出口的饱和液态工质通过膨胀阀减压后再次进入低压闪蒸罐，分离的饱和气体进入低压膨胀机膨胀，可减少系统的损，提高输出功率。在此基础上，设计了两种一级闪蒸与OFC的复合循环。图4-47（c）所示为一级闪蒸与EOFC的复合循环，图4-47（d）所示为一级闪蒸与DEOFC的复合循环。在设计的系统中，如果采用两相膨胀机代替膨胀阀，可进一步提高系统性能。两相膨胀机可采用涡旋式［38］或螺杆式［39］，也有报道采用径流式两相膨胀机［40］，其等熵效率可达70%。

图4-48　采用有机工质闪蒸循环的二元地热能发电系统［33］

（a）EOFC系统；（b）DEOFC系统

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图4-48　采用有机工质闪蒸循环的二元地热能发电系统［33］（续）

（c）一级闪蒸与EOFC的复合循环；（d）一级闪蒸与DEOFC的复合循环

影响系统性能的关键参数有：加热器夹点温差、有机工质在高压和低压闪蒸罐内的闪蒸温度、地热水的闪蒸温度等。以系统热效率为目标，对以上参数进行优化计算，结果见表4-9。所有优化结果均显示加热器夹点温差接近设定的最小值附近，而采用两相膨胀机可明显改善系统的净输出功率、热效率和效率，降低单位发电成本。与EOFC系统相比，DEOFC系统性能的改善幅度较小。

表4-9　以热效率为目标的优化结果对比［33］