婁聚偉 廖先偉 張曉玉 李瑋瑋 梁鐵波

摘 要

基于簡(jiǎn)單有機(jī)郎肯循環(huán)，依據(jù)低溫核反應(yīng)堆溫度及功率特性，構(gòu)建了帶有回?zé)崞鞯挠袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)，研究了循環(huán)系統(tǒng)性能并對(duì)混合工質(zhì)濃度、透平進(jìn)口壓力、冷卻水溫度三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，采用GA優(yōu)化算法對(duì)三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到循環(huán)系統(tǒng)最佳性能參數(shù)。結(jié)果表明：回?zé)崞骺梢源蠓嵘h(huán)系統(tǒng)熱效率;循環(huán)系統(tǒng)熱效率與透平進(jìn)口溫度正相關(guān)，與冷卻水溫度負(fù)相關(guān);GA優(yōu)化結(jié)果顯示R152a/R601a和R601a/R290兩種混合工質(zhì)較高熱效率，分別達(dá)到23.58%和23.77%。

關(guān)鍵詞

有機(jī)郎肯循環(huán);混合工質(zhì);參數(shù)分析;GA優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TL ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 63

Abstract

The Organic Rankine cycle （ORC） system with regenerator model based on simple ORC system is established. The system performance as well as three key parameters including mixture concentration， turbine inlet pressure and cooling water temperature are analyzed in detail. In order to get highest thermal efficiency， the mentioned parameters is optimized by GA. The results show that system performance is improved with the regenerator and it is positively with turbine inlet pressure， whereas negatively with cooling water temperature. The optimization results show that ORC system using R152a/R600a and R601a/R290 as working fluid has high thermal efficiency of 23.25% and 23.77%， respectively.

Key words

Organic Rankine cycle; Mixture fluid; Parameters analysis; GA

0 引言

低溫核反應(yīng)堆指的是使用低濃度核燃料工作在比普通核反應(yīng)堆壓力低得多的條件下的小型反應(yīng)堆。亞臨界小型核反應(yīng)堆并沒有真正發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，只是在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的臨界點(diǎn)以下工作，由于大量中子的活動(dòng)產(chǎn)生熱量。因?yàn)殒準(zhǔn)椒磻?yīng)并沒有發(fā)生，所以輻射很小，僅有少量的輻射和中子產(chǎn)生，屏蔽的防護(hù)比較簡(jiǎn)單，工作溫度在280℃左右，壓力不超過20個(gè)大氣壓。常規(guī)上采用海水作為工作和冷卻介質(zhì)。該種反應(yīng)堆的工作溫度及功率較低，如采用常規(guī)的蒸汽動(dòng)力循環(huán)，則循環(huán)效率較低。參考相似溫度的熱源，可采用有機(jī)郎肯循環(huán)作為動(dòng)力循環(huán)，在中溫區(qū)可以提供較高的熱效率，在系統(tǒng)部件不復(fù)雜的情況下，提升循環(huán)系統(tǒng)的能源利用水平。

有機(jī)郎肯循環(huán)是以有機(jī)物為循環(huán)工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)，在當(dāng)前的研究中，為了提升工質(zhì)與熱源的匹配性，研究學(xué)者較多采用多種有機(jī)工質(zhì)的混合工質(zhì)作為循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)。混合工質(zhì)在蒸發(fā)過程中位變溫蒸發(fā)，蒸發(fā)過程中存在溫度滑移。在常規(guī)熱源下混合工質(zhì)較純工質(zhì)具有更好的循環(huán)效率。

在混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)的研究中，中國(guó)科學(xué)院院士何亞玲等[1]研究了R245fa/R601a、R245fa/Pentane、R245fa/Cisbten以及R245fa/Butene四種混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明，在375.15K～453.15K的熱源溫度下，經(jīng)過GA優(yōu)化后R245fa/R601a、R245fa/Pentane兩種混合工質(zhì)表現(xiàn)出了較好的性能。M.Chys等[2]研究了Pentane/Isopentane混合工質(zhì)在250℃的熱源條件下的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)性能，研究表明，混合工質(zhì)可以提升循環(huán)系統(tǒng)6%的熱效率。D. Yogi Goswami等[3]研究了在393K～473K的溫度條件下0.7R134a/0.3R32混合工質(zhì)超臨界有機(jī)郎肯循環(huán)的性能，研究結(jié)果表明，混合工質(zhì)較純工質(zhì)可提升10%～30%的熱效率。Maria E. Mondejar等[4]研究了九中混合工質(zhì)在350K～450K的溫度區(qū)間內(nèi)的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)性能，Lijun Yu等[5]研究了R227ea/R245fa混合工質(zhì)濃度對(duì)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[6-11]對(duì)混合工質(zhì)在不同熱源溫度，不同領(lǐng)域內(nèi)的循環(huán)系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究。

為了研究混合工質(zhì)在核動(dòng)力方面的應(yīng)用，本文依照K. Satanphol等[12]對(duì)當(dāng)前研究的各種純工質(zhì)及混合工質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)，選用了四種純工質(zhì)組成六種混合工質(zhì)進(jìn)行有機(jī)郎肯循環(huán)性能研究。

1 有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)性能分析

1.1 有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)

由于亞臨界小型核反應(yīng)堆的溫度及壓力參數(shù)較低，因此可采用有機(jī)工質(zhì)直接作為冷卻介質(zhì)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性。循環(huán)系統(tǒng)示意圖如下圖所示。

反應(yīng)堆中的熱量通過液態(tài)金屬帶走，維持反應(yīng)堆的熱平衡，形成核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)。有機(jī)工質(zhì)通過蒸發(fā)器與一回路工質(zhì)進(jìn)行換熱，帶走蒸發(fā)器攜帶的核反應(yīng)堆的熱量，形成過熱蒸氣，過熱蒸氣進(jìn)入透平中做功，帶動(dòng)透平葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在透平中做功后的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中冷凝至飽和液態(tài)，通過工質(zhì)泵進(jìn)行升壓進(jìn)入到蒸發(fā)器中吸熱，完成整個(gè)循環(huán)。

1.2 有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)模型

有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)依據(jù)能量守恒與質(zhì)量守恒，構(gòu)建循環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

1.2.1 蒸發(fā)器

1.3 有機(jī)郎肯循環(huán)性能分析

為分析上述循環(huán)系統(tǒng)性能，采用MATLAB進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)仿真分析，有機(jī)工質(zhì)物性選用REFPEOP 9.1中提供的真實(shí)物性。為便于分析，在系統(tǒng)仿真中作出以下假設(shè)：

（1）循環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行;

（2）工質(zhì)在冷凝器中被冷凝至飽和液態(tài);

（3）透平及工質(zhì)泵在給定的等熵效率下運(yùn)行;

（4）工質(zhì)在換熱器中的壓力損失給定。

循環(huán)系統(tǒng)的初始給定參數(shù)如下表1所示。

循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)分別選用R152a，R600a，R601a，R290四種工質(zhì)，分別研究其循環(huán)性能，在此基礎(chǔ)上，將四種工質(zhì)按照相似相融的有機(jī)工質(zhì)混合法則，研究混合工質(zhì)性能，并對(duì)其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析及優(yōu)化。

為研究四種工質(zhì)及六種混合工質(zhì)的循環(huán)系統(tǒng)性能，本文研究了混合工質(zhì)的組分濃度對(duì)循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

由圖可知，隨著第一組分濃度的升高，R152a/R600a混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)性能逐漸降低，R152a比R600a對(duì)應(yīng)的有機(jī)郎肯循環(huán)性能高，且兩種工質(zhì)混合后，總體性能并沒有較R152a得到提升;同樣的，R152a/R601a、R600a/R601a兩種混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)隨著第一組分濃度的增加表現(xiàn)出與R152a/R600a相似的趨勢(shì)。R152a/R290混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)隨著第一組分濃度的升高，熱效率先降低后升高，該種情況下，這兩種混合工質(zhì)的總體性能均小于兩種純工質(zhì)的性能，這種情況下，選用純工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的性能更佳。

對(duì)于簡(jiǎn)單的有機(jī)郎肯循環(huán)而言，循環(huán)效率較低，為了提升能源利用效率，同時(shí)增大工質(zhì)進(jìn)入一回路系統(tǒng)中的溫度，防止一回路換熱器溫度過低，本文在簡(jiǎn)單有機(jī)郎肯循環(huán)中增加回?zé)崞?。有機(jī)工質(zhì)在透平中做功排出后，先進(jìn)入換熱器放熱，然后進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行冷卻，冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)被泵升壓后進(jìn)入回?zé)崞魑胀钙匠隹诠べ|(zhì)熱量后進(jìn)入蒸發(fā)器中繼續(xù)吸收熱量，從而提高能源的利用效率。

為了分析帶有回?zé)崞鞯挠袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)性能，本文對(duì)帶有回?zé)崞鞯挠袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)的混合工質(zhì)濃度、透平進(jìn)口壓力、冷卻水溫度三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析。研究當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)變化時(shí)混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)的性能。

上圖所示為帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)熱效率隨混合工質(zhì)第一組分濃度的變化。由圖可知，隨著第一組分濃度從0增加至1，R152a/R600a和R600a/R601a混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)熱效率逐漸降低，R600a/R290和R152//R290混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)熱效率逐漸增加。通過熱效率的對(duì)比可以看出，對(duì)于四種純工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)而言，在循環(huán)系統(tǒng)熱效率方面，R600a>R601a>R152a>R290。隨著混合工質(zhì)第一組分濃度的增加，R152a/R601a和R601a/R290混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)熱效率先增加后減少。說明混合工質(zhì)相較純工質(zhì)而言在熱效率方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。并且由圖中可知，R152a/R601a和R601a/R290混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)最大熱效率均大于20%。

上圖所示為帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)熱效率、透平輸出功及泵耗功隨透平入口壓力的變化，為便于研究六種混合工質(zhì)的特性，六種混合工質(zhì)的質(zhì)量比均為0.5/0.5。由圖可知，隨著透平入口蒸汽壓力的升高，六種混合工質(zhì)對(duì)應(yīng)的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率升高。這是因?yàn)楫?dāng)透平進(jìn)口壓力增大時(shí)，由于背壓不變，導(dǎo)致透平輸出功增加，與此同時(shí)，泵耗功雖然也隨著透平進(jìn)口壓力的升高而升高，但是增加幅度沒有透平輸出功增加幅度大，因此總的凈輸出功增大。但是對(duì)于幾種混合工質(zhì)而言，當(dāng)透平進(jìn)口壓力較低時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)的熱效率均處于非常低的水平，因此，對(duì)于混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)而言，透平進(jìn)口溫度不宜過低。

上圖所示為帶回?zé)崞鞯挠袡C(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)熱效率、透平輸出功及泵耗功隨冷卻水溫度的變化，為便于研究六種混合工質(zhì)的特性，六種混合工質(zhì)的質(zhì)量比均為0.5/0.5。由圖可知，六種混合工質(zhì)對(duì)應(yīng)的有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨著冷卻水溫度的升高而降低，這是由于當(dāng)冷卻水溫度升高時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和壓力升高，導(dǎo)致透平背壓升高，因此透平輸出功減小。另外，隨著冷卻水溫度的升高，泵前后壓差減小，泵耗功減小。由于透平輸出功和泵耗功的共同作用，導(dǎo)致系統(tǒng)凈輸出功降低。

2 有機(jī)郎肯循環(huán)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述幾個(gè)參數(shù)對(duì)循環(huán)性能的影響分析，當(dāng)混合工質(zhì)組分濃度、透平進(jìn)口壓力、冷卻水溫度發(fā)生變化時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)性能將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較優(yōu)的值，為了尋求上述參數(shù)在一定范圍內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)性能最優(yōu)值，本文采用GA算法，在MATLAB中對(duì)帶有回?zé)崞鞯挠袡C(jī)工質(zhì)郎肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，相關(guān)參數(shù)及其范圍如下表3所示。

通過編寫MATLAB程序，調(diào)用GA優(yōu)化算法，GA算法的相關(guān)設(shè)置如下表所示：

通過優(yōu)化，得出在給定參數(shù)范圍內(nèi)的最有參數(shù)。

由上表可知，六種混合工質(zhì)的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果顯示，冷卻水溫度均為最低溫度，因此冷卻水溫度與循環(huán)系統(tǒng)性能之間為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。對(duì)于R152a/R600a、R152a/290、R600a/R601a、R600a/R290四種混合工質(zhì)，工質(zhì)混合后并沒有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于R152a/R601a和R601a/R290兩種混合工質(zhì)，工質(zhì)混合后其性能得到較大程度的提升，因此，對(duì)于核動(dòng)力有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)而言，采用混合工質(zhì)有利于提升循環(huán)系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了核動(dòng)力用簡(jiǎn)單有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)和帶有回?zé)崞鞯挠袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)選用了四種純工質(zhì)組成了六種混合工質(zhì)作為混合工質(zhì)有機(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)，采用MATLAB對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，為得到循環(huán)系統(tǒng)在一定參數(shù)范圍內(nèi)的最佳循環(huán)性能，采用GA優(yōu)化算法對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。得出以下結(jié)論：