由中温地热能驱动的超临界有机朗肯循环（ORC）的热经济评估及工作流体筛选

《Renewable Energy》：Thermo-economic evaluation and working fluid screening for supercritical ORCs driven by medium-temperature geothermal sources

本研究评估了不同工质在150-180°C地热源中超临界有机朗肯循环（SORC）及其回收式改进型（RSORC）的热力学与经济性能，优化涡轮入口温度与压力以最大化净功率。结果表明，RSORC因热匹配优化和近临界点比热升高，使最佳涡轮参数降低，同时R134a在低温地热源中表现最佳，而R152a在高温度下更优。环保工质R1234ze(E)在投资成本上较传统工质具优势，但需平衡热交换器面积增加的问题。

　　在当今全球能源结构中，地热能作为一种稳定、可持续且分布广泛的可再生能源，正逐渐受到重视。尽管其在能源供应方面具有显著优势，但其发电效率仍面临诸多挑战。本文聚焦于中温地热资源（150–180 °C）的应用，探讨了超临界有机朗肯循环（SORC）与回收式超临界有机朗肯循环（RSORC）在不同工质下的热力学与经济性能。通过优化涡轮入口温度与压力，研究旨在提升净输出功率，同时降低投资成本与环境影响。

### 地热能的优势与挑战

地热能以其稳定的温度特性、较高的容量系数以及广泛分布的优势，被视为一种重要的清洁能源。然而，尽管全球地热发电装机容量在2023年底已达到16.3 GW，其在全球能源结构中的占比仅为0.16%。相较于太阳能和风能，地热能的开发仍处于相对滞后的状态，这主要是由于其技术复杂性和成本问题。然而，地热能的开发潜力巨大，尤其是在中温地热资源的利用方面，其热力学效率的提升对于推动地热能的广泛应用具有重要意义。

有机朗肯循环（ORC）作为地热发电的一种重要技术，因其在中低温地热资源中的良好适应性而被广泛采用。ORC通过将地热流体的热量传递给有机工质，使其蒸发并驱动涡轮发电，从而实现能量的高效利用。然而，传统ORC在低焓地热资源中的热效率通常低于12%，主要受限于地热流体与工质之间的温度不匹配，导致较大的?损失。为解决这一问题，研究者提出了多种改进方案，如多压ORC、双压ORC、部分蒸发ORC等，以提升系统的热力学性能。

### 超临界有机朗肯循环的优势

超临界有机朗肯循环（SORC）作为ORC的一种升级形式，其工作流体被压强提升至临界点以上，从而避免了亚临界循环中的等温相变过程。这一特性使得SORC在热能利用方面具有更高的灵活性，能够更有效地匹配地热流体的温度特性。在热力学性能上，SORC表现出优于传统亚临界循环的优势，主要体现在更高的平均有效温度和更低的不可逆性。此外，SORC还能减少地热流体的消耗量，提高单位净输出功率的热能利用率。

在实际应用中，SORC已被证明在某些地热电站中表现出色。例如，位于San Emidio和Neal Hot Springs的SORC系统在净?利用率方面优于使用R601a的双压ORC系统。这些成功案例表明，SORC在提升地热能利用效率方面具有巨大潜力。然而，尽管其在热力学性能上表现优异，SORC仍然面临一些挑战，如工质选择的限制、经济成本的考量以及环境影响的评估。

### 工质选择的重要性

工质的选择对于SORC系统的性能具有决定性影响。研究发现，某些工质在特定温度范围内表现出更优的性能。例如，R134a在低于170 °C的地热流体温度下，能够实现最高的净输出功率和最低的具体投资成本（SIC）。而R152a则在较高温度下表现出更好的性能，主要得益于其较低的附加负荷（parasitic load）。此外，R1234ze(E)作为一种新型工质，在净输出功率方面与R134a相当，但其具体投资成本比干工质低9%，使其成为一种更具经济吸引力的替代选择。

工质的选择还受到环境因素的影响。虽然HFCs（氢氟碳化合物）在热力学性能上表现出色，但其较高的全球变暖潜能（GWP）使得其在环保法规下受到限制。因此，研究者正在探索低GWP的替代工质，如R1234yf、R1243zf等。这些新型工质在热力学性能上表现良好，但其在实际应用中的表现仍需进一步验证。

### 优化涡轮入口参数

涡轮入口温度和压力是影响SORC和RSORC系统性能的关键参数。通过优化这些参数，可以实现净输出功率的最大化。研究发现，对于SORC系统，湿工质和等熵工质在较低冷源损失的情况下表现出更好的性能。而RSORC系统则通过引入回收器（recuperator），增强了热匹配性，降低了附加负荷，并且在较低的源温下表现出更优的经济性能。

具体而言，RSORC系统通过回收器的使用，使得在主热交换器中的“紧点”（pinch point）向低温端移动，从而降低了最优涡轮入口温度和压力。这一特性使得RSORC系统在热效率方面与不同工质之间的差异较小，尤其是在较低源温条件下，其附加功率比例显著降低。此外，干工质在RSORC系统中能够产生比在SORC系统中高出5.8–17.8%的净输出功率，显示出RSORC系统在提升干工质性能方面的潜力。

### 经济与环境考量

除了热力学性能，系统的经济性和环境影响也是重要的评估指标。研究指出，RSORC系统虽然在热效率上与SORC系统存在差异，但其具体投资成本略高。因此，在选择工质和系统配置时，需要在热力学效率和经济成本之间进行权衡。例如，R1234ze(E)不仅在净输出功率上与R134a相当，而且在具体投资成本上表现出更低的水平，这使其成为一种在经济和环境方面都更具优势的工质选择。

此外，研究还强调了系统设计的可持续性。在生命周期评估（LCA）中，SORC系统在低温地热资源中表现出更高的?效率和更低的二氧化碳当量排放，这表明其在环境友好性方面具有明显优势。然而，在高温地热资源中，由于地热流体的再注入温度限制，SORC系统的环境优势可能有所减弱。因此，系统设计需要综合考虑热力学性能、经济成本和环境影响，以实现最佳的整体效益。

### 研究的意义与展望

本文的研究为中温地热资源的SORC和RSORC系统提供了重要的参考。通过分析不同工质在不同温度条件下的性能表现，研究揭示了优化涡轮入口参数对于提升净输出功率的关键作用。同时，研究还强调了工质选择对系统经济性和环境影响的重要性，特别是在应对环保法规和提升可持续性方面。

未来的研究方向应包括进一步探索新型工质在不同温度条件下的性能表现，以及开发更高效的回收器和热交换器以降低系统成本。此外，结合先进的优化算法和系统设计方法，有望在提升SORC和RSORC系统的热力学效率和经济性方面取得更大突破。通过这些努力，地热能的利用效率和经济可行性将进一步提高，为全球能源结构的多元化和可持续发展做出贡献。