低品位熱能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中影響輸出性能的因素研究.pdf

1、隨著人類對傳統(tǒng)能源和電力需求的日益增加，尋找替代煤炭、石油和天然氣的可再生能源，以及提高能源的利用效率已是全球能源利用的當(dāng)務(wù)之急。近年來，有機朗肯循環(huán)憑借其在回收低品位熱能中獨有的優(yōu)勢受到了相關(guān)行業(yè)研究者們的廣泛關(guān)注。該技術(shù)不但可以回收數(shù)量龐大的工業(yè)余熱，還可以作為底層循環(huán)應(yīng)用于生物質(zhì)能、太陽能、地?zé)崮?、垃圾焚燒能、發(fā)動機排氣，以及更低溫度的海洋溫差能等新的能源形式。然而，由于低品位熱能本身能量等級低，有機朗肯循環(huán)逆向轉(zhuǎn)化低品位熱能成為

2、高品位電能的效率低和輸出功率少，是制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸。先前該領(lǐng)域的研究多集中于某一熱力參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性的影響和有機工質(zhì)做功能力的橫向比較。鑒于此，本研究論文通過構(gòu)建有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)綜合模型，采用Holmholtz自由能方程對有機工質(zhì)物性求解，利用數(shù)值模擬的方法，分別從熱力參數(shù)、關(guān)鍵設(shè)備和循環(huán)方式的角度研究了低品位熱能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中影響輸出性能的因素，以期優(yōu)化該系統(tǒng)的設(shè)計、提升其整體輸出性能。具體的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

3、r>　　1.循環(huán)熱力參數(shù)對ORC系統(tǒng)性能的影響研究。數(shù)值構(gòu)建了有機朗肯循環(huán)設(shè)備模型，分別從能量和有限尺寸熱力學(xué)分析角度，選取凈輸出功率、熱效率和UPR值作為系統(tǒng)性能的評價參數(shù)。通過有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計算和分析研究，總結(jié)了蒸發(fā)溫度、過熱度、冷凝溫度、過冷度、熱源熱度、熱源流量和冷源溫度對低品位熱能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。在上述過程中，給出了有機工質(zhì)蒸發(fā)溫度可取值的范圍表達(dá)式；驗證R245fa在所研究的13種工質(zhì)中最優(yōu)異的

4、做功能力；給定了13種工質(zhì)各自最適合的熱源溫度，為系統(tǒng)設(shè)計與工質(zhì)篩選提供了參考。同時，對混合工質(zhì)組分比的研究表明：當(dāng)冷凝水進(jìn)出口溫差與混合工質(zhì)在冷凝器中的溫度滑移數(shù)值接近時，冷凝器中傳熱溫差的匹配度最好，系統(tǒng)的熱力學(xué)特性最佳；混合工質(zhì)的凈輸出功率和熱效率均比純工質(zhì)有所提高。
　　2.關(guān)鍵設(shè)備對ORC系統(tǒng)性能的影響研究。本文對有機朗肯循環(huán)中的三大關(guān)鍵設(shè)備—換熱器（蒸發(fā)器/冷凝器）、螺桿膨脹機和回?zé)崞髡归_了針對性的研究：分別研究了（蒸

5、發(fā)器/冷凝器）窄點溫差、膨脹機內(nèi)外膨脹比差異、回?zé)崞骷盁嵩唇橘|(zhì)出口溫度對系統(tǒng)性能的影響。
　　此過程中:
　　1）解釋了低品位熱源發(fā)電技術(shù)中換熱器內(nèi)窄點位置的不確定性，及其可能導(dǎo)致的錯誤，給出了適用于多種循環(huán)方式的窄點位置的計算方法。
　　2）推導(dǎo)了膨脹機內(nèi)外膨脹比差異修正因子，結(jié)果表明：輕微的過膨脹狀態(tài)是可以接受的，而欠膨脹狀態(tài)是應(yīng)竭力避免的；在明確系統(tǒng)工況的情況下，選用內(nèi)膨脹比比外膨脹比稍小的膨脹機將擁有更好的凈輸

6、出功率。
　　3）證實回?zé)崞麟m不能提高系統(tǒng)的凈輸出功率和?效率，但卻能提高系統(tǒng)的熱效率；在考慮熱源介質(zhì)出口溫度大于酸露點的情況下，回?zé)崞骺梢酝貙捪到y(tǒng)的工況調(diào)節(jié)范圍，變相地提高系統(tǒng)的凈輸出功率和?效率。
　　3.循環(huán)方式對ORC系統(tǒng)性能的影響研究?；趤喤R界ORC，實現(xiàn)了三種衍生的低品位熱能發(fā)電循環(huán)方式：跨臨界ORC，三角循環(huán)TLC和有機閃蒸循環(huán)OFC，并通過對有機閃蒸循環(huán)OFC進(jìn)行改進(jìn)，提出了OFC-M循環(huán)。繼而本文分別研究

7、了各循環(huán)中影響系統(tǒng)輸出性能最主要的因素。并且，為了更直觀地體現(xiàn)各循環(huán)的優(yōu)勢，給出了150℃，200℃和250℃的三種熱源溫度條件，將上述四種循環(huán)方式與亞臨界ORC的輸出性能進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在三種給定的工況下，改進(jìn)的有機閃蒸循環(huán)OFC-M和三角循環(huán)TLC均表現(xiàn)出了優(yōu)越的輸出性能；有機閃蒸循環(huán)循環(huán)OFC并不是合理的循環(huán)方式；由于蒸發(fā)壓力與有機工質(zhì)的臨界壓力的不確定性，跨臨界ORC在本例中并沒有表現(xiàn)出較亞臨界ORC明顯的優(yōu)勢，對工質(zhì)進(jìn)行更