回收低温烟气余热的亚临界有机朗肯循环(ORC)系统多参数同步优化

摘要

能源紧缺和环境污染是当今世界面临的两大难题，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)可以有效利用低品位余热资源、提高能源利用率、减少环境污染。然而，如何用最少的系统投资获取最大的回报是投资者最为关心的问题。系统发电成本(Electricity Production Cost，EPC)综合考虑了系统投资成本和净输出功，是ORC系统优化中的重要评价指标。蒸发温度、冷凝温度、蒸发器和冷凝器节点温差等对ORC系统经济性具有重要影响，因此，经常被作为ORC系统的优化参数。另一方面，在不同的外部运行条件(例如，热源进口温度、热源质量流量、冷源进口温度、冷源质量流量、蒸发器和冷凝器传热系数等)下，系统参数优化的结果也不同。为了提高ORC系统的经济性，本文以EPC为优化目标，在不同的外部运行条件下，对选用不同工质的ORC系统进行了多参数同步优化，优化参数包括蒸发温度、冷凝温度、蒸发器和冷凝器节点温差等。
　　本研究主要内容包括：⑴对于选定的19种工质，ORC系统最佳蒸发温度和最佳冷凝温度随热、冷源温度、热源质量流量和蒸发器传热系数的增加而升高，随冷源质量流量和冷凝器传热系数的增加而降低。最佳蒸发器节点温差随热源的进口温度和质量流量及蒸发器传热系数的增加而增大；随冷源的进口温度和质量流量及冷凝器传热系数的增加而减小。最佳冷凝器节点温差随热源进口温度、冷源质量流量和蒸发器传热系数的增加而增大；随冷源进口温度、热源质量流量和冷凝器传热系数的增加而减小。系统最小EPC随热源质量流量、冷源质量流量、换热器传热系数以及热源进口温度增大均不断减小，随冷源进口温度的增大不断增大。⑵随工质临界温度的增加，系统最小发电成本和其对应的净输出功、最佳蒸发压力和最佳蒸发器节点温差均减小；最佳膨胀比、最佳冷凝器节点温差和最佳热源出口温度增加，最佳冷凝温度基本不变。ORC系统允许的最高热源进口温度受蒸发器节点温差、蒸发压力和膨胀比的限制。⑶在ORC系统最优额定工况点附近进行变工况分析，结果发现，EPC随热源进口温度和质量流量的增加而不断减小；当冷源进口温度大于设计值或冷源质量流量小于设计值时，EPC随冷源进口温度的增加或冷源质量流量的减少而增大；反之，EPC几乎不变。按对EPC的影响从大到小对外部运行参数进行排序是：冷源进口温度>热源进口温度>热源质量流量>冷源质量流量。从经济性和安全性方面考虑，建议根据全年的热源进口平均温度选定热源进口温度设计值，再从临界温度与之接近的工质中筛选经济性能较好的工质。⑷对同步优化的结果进行拟合，得到了ORC系统最佳蒸发温度和冷凝温度、最佳蒸发器和冷凝器节点温差的关联式，并给出了其适用范围，可供工程设计使用。

目录

主要符号

1绪论

1.1 能源现状

1.2 ORC研究现状

1.3 主要研究内容

2同步优化模型及工质筛选

2.1 系统模型

2.2 多参数同步优化模型及验证

2.3 工质的选择

3优化结果及分析

3.1 外部运行参数的影响

3.2 工质临界温度的影响

3.3 变工况计算

3.4 小结

4 ORC系统最佳循环参数关联式

4.1 关联式形式

4.2 关联式适用范围

4.3 关联式的应用

4.4 小结

5结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况

D. 计算换热器传热系数所用到的参数