基于吨水发电量的地热有机朗肯循环发电系统参数优化

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24038

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (6): 1223-1230.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24038

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基于吨水发电量的地热有机朗肯循环发电系统参数优化

刘超¹, 刘亮德¹, 连天成¹, 赵伟², 杨绪飞², 刘广林³

^1.中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北省任丘市 062552
^2.北京石油化工学院机械工程学院，北京市大兴区 102617
^3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京市昌平区 102206

收稿日期:2024-09-05 修回日期:2024-11-28 出版日期:2025-12-31 发布日期:2025-12-25
通讯作者: 刘广林
作者简介:刘超(1985)，男，硕士，工程师，研究方向为地热能综合利用，423622237@qq.com；
刘亮德(1988)，男，高级工程师，研究方向为中低温地热能综合利用，liudl_hb@cnpc.com.cn；
连天成(1996)，男，硕士，工程师，研究方向为中低温地热能综合利用，839649524@qq.com；
赵伟(1998)，男，硕士研究生，研究方向为新能源高效利用，15161761071@163.com；
杨绪飞(1986)，男，博士，讲师，研究方向为可再生能源高效利用，yang_xufei@foxmail.com；
刘广林(1982)，男，博士，高级工程师，研究方向为可再生高效利用技术和多相流强化传热，本文通信作者，liu0513@126.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51776064)

Parameter Optimization of Geothermal Organic Rankine Cycle Power Generation System Based on Ton of Water Generation

Chao LIU¹, Liangde LIU¹, Tiancheng LIAN¹, Wei ZHAO², Xufei YANG², Guanglin LIU³

^1.North China Company, China Petroleum Engineering & Construction Co. , Ltd. , Renqiu 062552, Hebei Province, China
^2.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Daxing District, Beijing 102617, China
^3.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China

Received:2024-09-05 Revised:2024-11-28 Published:2025-12-31 Online:2025-12-25
Contact: Guanglin LIU
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51776064)

摘要/Abstract

摘要：

目的以系统吨水净发电量为分析目标，研究不同地热源流体温度下系统性能参数的变化趋势。方法采用EES软件建立了1 MW地热有机朗肯循环模型，研究了R245fa、R1233zd(E)、R134a和R152a四种有机工质在90~150 ℃热源温度下系统热力学性能参数的变化规律。结果在相同热源温度下，随工质蒸发温度的升高，选用不同有机工质时系统的吨水净发电量先增大后减小，即存在最大值，其中以工质R134a的系统吨水净发电量最大，当热源温度为110 ℃时，吨水发电量为3.06 kW⋅h/t，在热源温度为90~150 ℃时，发电系统的最大吨水净发电量、工质蒸发温度、系统净效率和膨胀比均随着地热源温度的升高而增大，工质质量流量随着地热源温度的升高而减小。结论研究结果可为1 MW地热双循环发电系统热力学参数选择提供依据。

关键词: 新能源, 双循环系统, 地热发电, 有机工质, 系统优化, 有机朗肯循环

Abstract:

Objectives Taking the net power generation per ton of water in the system as the analysis objective, study the variation trend of system performance parameters under different fluid temperatures of geothermal sources. Methods A 1 MW geothermal organic Rankine cycle model is established using EES software. The optimization objective is to study the thermodynamic performance parameters of four organic working fluids, R245fa, R1233zd (E), R134a, and R152a, at a heat source temperature of 90-150 ℃. Results Under the same heat source temperature, as the evaporation temperature of the working fluid increases, the net power generation per ton of water increases first to a maximum and then decreases for the system using different organic working fluids. Among them, the net power generation per ton of water of the working fluid R134a is the highest. When the heat source temperature is 110 ℃, the net power generation per ton of water is 3.06 kW⋅h/t. When the heat source temperature is between 90~150 ℃, the maximum net power generation per ton of water, working fluid evaporation temperature, system net efficiency, and expansion ratio of the power generation system increase with the increase of the ground heat source temperature. However, the mass flow rate of the working fluid decreases with the increase of the ground heat source temperature. Conclusions The research results can provide a basis for the thermodynamic parameter selection of a 1 MW geothermal dual cycle power generation system.

Key words: new energy, dual circulation system, geothermal power generation, organic working fluid, system optimization, organic Rankine cycle

中图分类号:

TK 123

刘超, 刘亮德, 连天成, 赵伟, 杨绪飞, 刘广林. 基于吨水发电量的地热有机朗肯循环发电系统参数优化[J]. 发电技术, 2025, 46(6): 1223-1230.

Chao LIU, Liangde LIU, Tiancheng LIAN, Wei ZHAO, Xufei YANG, Guanglin LIU. Parameter Optimization of Geothermal Organic Rankine Cycle Power Generation System Based on Ton of Water Generation[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(6): 1223-1230.

图/表 9

图1 地热ORC双循环发电系统示意图a、b、c、e、f为地热源流体在系统位置；1—5为有机工质在系统位置。

Fig. 1 Schematic diagram of geothermal ORC dual cycle power generation system

图2 饱和地热双循环发电系统温熵图2s为膨胀机等熵膨胀结束点。

Fig. 2 Temperature entropy diagram of saturated geothermal dual cycle power generation system

表1 选用有机工质的性质

Tab. 1 Properties of the selected organic working fluids

工质	临界温度/℃	临界压力/MPa	GWP	安全级别
R245fa	154.1	4.43	1 020	B1
R1233zd(E)	165.6	3.57	1	A1
R134a	101.1	4.06	1 300	A1
R152a	113.3	4.52	140	A2

图3 吨水净发电量与蒸发温度关系

Fig. 3 Net power generation per ton of water varying with evaporation temperature

图4 最大吨水净发电量与地热源流体温度关系

Fig. 4 Relationship between the maximum net power generation per ton of water and geothermal sources temperature

图5 工质最佳蒸发温度与热源温度关系

Fig. 5 Relationship between the optimal evaporation temperature of the working fluid and heat source temperature

图6 系统净效率与热源温度关系

Fig. 6 Relationship between the system net efficiency and heat source temperature

图7 膨胀比与热源温度关系

Fig. 7 Relationship between the expansion ratio and heat source temperature

图8 工质质量流量与热源温度关系

Fig. 8 Relationship between the mass flow rate of working fluids and heat source temperature

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基于吨水发电量的地热有机朗肯循环发电系统参数优化

Parameter Optimization of Geothermal Organic Rankine Cycle Power Generation System Based on Ton of Water Generation

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图/表 9

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