《Energy》：Performance Enhancement and Contribution Analysis of Dual-Pressure Evaporation Organic Rankine Cycle Coupled with Magnetic Levitation Turbine for Geothermal Power Generation
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摘要中低温地热资源可靠、可持续且丰富，将在未来发挥关键作用。然而，常规地热发电方案的效率提升受限于吸热过程中温度匹配不佳以及透平转换效率低。为解决这些瓶颈，设计了一种双压蒸发有机朗肯循环（DPORC）耦合磁悬浮透平（MT）的系统，并选择常规单压蒸发有机朗肯循环（SPORC）和
摘要
中低温地热资源可靠、可持续且丰富，将在未来发挥关键作用。然而，常规地热发电方案的效率提升受限于吸热过程中温度匹配不佳以及透平转换效率低。为解决这些瓶颈，设计了一种双压蒸发有机朗肯循环（DPORC）耦合磁悬浮透平（MT）的系统，并选择常规单压蒸发有机朗肯循环（SPORC）和常规透平（CT）作为对比基准。通过单目标和多目标优化，分别获得了四种系统组合（SPORC/DPORC+CT/MT）的最优系统方案和性能。在不同地热温度下定量评估了 DPORC+MT 的增强效果。通过线性混合效应模型量化了 DPORC 和 MT 对增强的单独贡献。还揭示了 DPORC+MT 的?性能特征。结果表明，DPORC+MT 可实现每吨地热水 10.87 kWh?t-1 的发电量和 13.38% 的发电效率。与 SPORC+CT 相比，随着地热温度的升高，DPORC+MT 的优势增加，最大增强分别为 49.53% 和 9.16%。DPORC 主导了性能变化（占比超过 60%），但会对发电效率产生相反的影响，而 MT 可以完全弥补这种退化，从而产生良好的互补效应。随着每吨地热水发电量的权重增加，最优工质的临界温度降低。减少低压透平和冷凝器的?损失是进一步提高 DPORC+MT 效率的关键。
引言
地热是一种清洁、低碳的可再生资源，具有广阔的应用前景，具有持续稳定、对天气和季节不敏感以及储存容量丰富等特点 [1]。全球地热能的技术可开采能力约为 3.0×105 EJ，深度不超过 8 公里 [2]。其中，中低温地热资源（<150°C）占总量的 70%。发电是利用地热资源的一种非常有前景的方式，因为它可以将中低温地热资源转化为电能，从而实现更便捷的远距离传输 [3]。寻找高效的地热发电技术目前是关键的研点。
有机朗肯循环（ORC）适用于中低温地热资源，具有结构简单、安装规模灵活和使用寿命长等优点 [4]、[5]。它使用低沸点有机流体作为工质，可以在较低温度下产生较高的汽压，驱动透平发电 [6]。然而，常规 ORC 通常受限于吸热过程中温度匹配不佳以及透平转换效率低，这显著限制了热力学性能的进一步提升。吸热过程和膨胀过程中的?损失可分别占总额的 50% 和 20% 以上 [7]、[8]。解决这两个方面的局限性对于推进地热 ORC 技术至关重要。
双压蒸发有机朗肯循环（DPORC）可以改善吸热过程中的温度匹配，其特征是在两种不同压力下进行两个蒸发过程和一个冷凝过程 [9]。它还可以降低地热水出口温度，从而实现温度匹配和地热利用效率的协同提高 [10]、[11]。Liu 等人 [12] 证明 DPORC 可以有效降低吸热过程中的?损失并实现优异的热力学性能，与常规单压蒸发有机朗肯循环（SPORC）相比，净功率输出提高 5.68%–15.75%。Li 等人 [13] 发现，与 SPORC 相比，DPORC 可使净功率输出增加 21.4%–26.7%，且在较低热源温度下可获得更大的改善效果。Manente 等人 [14] 表明，与 SPORC 相比，DPORC 可提供高达 29% 的功率输出显著增益。除了循环配置改进外，选择合适的工质，特别是非共沸混合物，也可以有效地改善热源和工质之间的温度匹配 [15]、[16]。该策略提供了一种性能提升的互补方法。
另一方面，磁悬浮透平（MT）是一种具有更高转换效率和更少辅助系统的创新型透平机械。常规透平（CT）使用机械轴承，存在许多根本性限制：物理摩擦损失显著，降低了转换效率 [17]、[18]，并且需要润滑，导致有机流体泄漏风险和系统性能下降 [19]、[20]、[21]。与依赖齿轮箱、联轴器和润滑系统的常规透平机组不同，MT 将透平和发电机同轴集成在一个气密封舱内的同一根轴上 [22]。磁悬浮技术可以使透平转子悬浮在磁场中，消除物理摩擦损失 [23]。MT 中也不需要润滑，这可以防止有机流体泄漏。磁悬浮技术已成功应用于燃气轮机 [24]、透平压缩机 [25]、透平膨胀机 [26] 和飞轮储能 [27] 等要求较高的领域，表现出更好的性能。Li 等人 [28] 的结果表明，磁悬浮技术可以将透平转换效率从 65.1% 提高到 70.1%。Ahmad 等人 [29] 将磁悬浮集成到垂直轴风力透平原型中，并证明转换效率提高了 23.6%。
双压蒸发有机朗肯循环耦合磁悬浮透平（即 DPORC+MT）在提升地热 ORC 系统性能方面显示出巨大潜力。然而，与 SPORC 和 CT 相比，DPORC+MT 的性能增强效果尚未进行系统量化。此外，DPORC 和 MT 之间的耦合效应显著受热温度影响。对于不同的地热温度，其组合的性能优势仍需进一步评估。同时，DPORC 和 MT 对整体系统性能改善的单独贡献也不清楚。此外，DPORC+MT 的热力学完善程度和?损失分布特征也需要进一步分析，这将有助于其性能的进一步提升。
本文专注于 DPORC+MT 在地热发电中的增强效应和能量流耦合特征。选择 SPORC 耦合 CT（SPORC+CT）、SPORC 耦合 MT（SPORC+MT）和 DPORC 耦合 CT（DPORC+CT）作为对比基准。通过单目标和多目标优化获得四种系统组合的最优系统设计方案和性能。从每吨地热水发电量和发电效率的角度，在不同地热温度下定量评估了 DPORC+MT 的增强效果。通过线性混合效应模型（LMM）量化了 DPORC 和 MT 对整体系统性能改善的单独贡献。揭示了 DPORC+MT 的?性能特征，并与其他系统组合进行了比较。本研究为 DPORC+MT 的应用和地热发电性能提升提供了重要指南。
章节片段
方法
本节涵盖了各种系统组合的描述、热力学和优化模型、线性混合效应模型以及模型验证。
结果与讨论
本节涵盖了最优系统设计方案和性能、性能增强效果评估、DPORC 和 MT 的定量贡献分析以及 DPORC+MT 的?性能特征。
结论与展望
本文专注于双压蒸发有机朗肯循环耦合磁悬浮透平（DPORC+MT）在地热发电中的增强效应和能量流耦合特征，以 SPORC+CT、SPORC+MT 和 DPORC+CT 作为对比基准。通过单目标和多目标优化获得了四种系统组合的最优设计方案和性能。在不同地热温度下定量评估了 DPORC+MT 的增强效果
CRediT 作者贡献声明
沈俊：写作 – 审阅与编辑，项目管理。于明哲：写作 – 原稿撰写，验证，方法论，调查，正式分析，概念化。段媛媛：写作 – 审阅与编辑，软件。宋本帅：写作 – 审阅与编辑。陈星盈：写作 – 审阅与编辑，项目管理。李健：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，概念化。孙远朝：写作 – 审阅与编辑，方法论。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的经济利益冲突或个人关系可能影响本论文报告的工作。
致谢
本文由中国国家重点研发计划（编号 2024YFB4206800）、国家自然科学基金（编号 52476001 和 U22B20112）、徐奖（XP202129）以及北京理工大学青年教师项目研究基金资助。
于明哲|李健|孙远朝|丁震东|张云飞|宋本帅|陈星盈|段媛媛|沈俊
北京理工大学机械工程学院，北京 100081，中国
