低品位熱能有機(jī)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(duì)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(jī)朗肯循環(huán)憑借其在回收低品位熱能中獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)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(dòng)機(jī)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(jí)低，有機(jī)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(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響和有機(jī)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(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)綜合模型，采用Holmholtz自由能方程對(duì)有機(jī)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(jī)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(jì)、提升其整體輸出性能。具體的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：

3、r>　　1.循環(huán)熱力參數(shù)對(duì)ORC系統(tǒng)性能的影響研究。數(shù)值構(gòu)建了有機(jī)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(píng)價(jià)參數(shù)。通過有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真計(jì)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(duì)低品位熱能有機(jī)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(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度可取值的范圍表達(dá)式；驗(yàn)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(jì)與工質(zhì)篩選提供了參考。同時(shí)，對(duì)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(shí)，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(duì)ORC系統(tǒng)性能的影響研究。本文對(duì)有機(jī)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(jī)和回?zé)崞髡归_了針對(duì)性的研究：分別研究了（蒸

5、發(fā)器/冷凝器）窄點(diǎn)溫差、膨脹機(jī)內(nèi)外膨脹比差異、回?zé)崞骷盁嵩唇橘|(zhì)出口溫度對(duì)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(diǎn)位置的不確定性，及其可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤，給出了適用于多種循環(huán)方式的窄點(diǎn)位置的計(jì)算方法。
　　2）推導(dǎo)了膨脹機(jī)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(jī)將擁有更好的凈輸

6、出功率。
　　3）證實(shí)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(diǎn)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(duì)ORC系統(tǒng)性能的影響研究?；趤喤R界ORC，實(shí)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(jī)閃蒸循環(huán)OFC，并通過對(duì)有機(jī)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(shì)，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(jī)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(jī)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(jī)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(shì)，對(duì)工質(zhì)進(jìn)行更