混合有机工质亚临界朗肯循环系统性能分析与热经济优化

摘要

能源紧缺和环境污染问题日益突出,将低品位热能转换为电能是当前提高能源利用率、降低环境污染的有效途径。有机朗肯循环技术(organic Rankine cycle, ORC)在利用低品位热能发电方面有着明显的优势和广阔的应用前景,已成为低品位热能高效回收利用技术领域的研究热点。
　　由于混合工质的不等温相变特性可以使工质的温变过程很好地与冷热源的吸放热过程相匹配,从而减小换热器内的不可逆损失,提高系统热效率,因此,近年来混合有机工质ORC系统逐渐引起了学术界的关注。
　　本文以回收工业锅炉低温烟气余热的混合工质亚临界有机朗肯循环系统为研究对象,进行了从部件到系统、从热力学性能分析到热经济性能对比、从内部参数的优化到外部参数的影响等多方面的深入研究。
　　(1)针对混合工质的蒸发和冷凝过程,以热力学第一和第二定律为基础,进行了不可逆性分析和热经济优化。结果表明,蒸发器和冷凝器均存在使单位换热量总费用最小的最优传热单元数和热容量比。对于蒸发器,最优传热单元数随进口温度比的增大而增大,最优热容量比的变化与传热单元数的变化趋势相反。对于冷凝器,最优传热单元数随进口温度比的增大而增大,随泡-露点温度比的增大而减小;最优热容量比随进口温度比和泡-露点温度比的变化与最优传热单元数的变化趋势相反。三种流型中,逆流式换热器的单位换热量总费用最小,顺流最大。
　　(2)对纯工质和混合工质 ORC系统进行了热力学性能分析,并在三种冷凝限制条件下,对不同成分及配比的混合物工质亚临界ORC系统进行了比较分析。结果表明,混合工质成分对ORC系统性能有重要影响,且系统性能与混合工质相变过程的温度滑移大小有关。给定冷凝露点温度时,混合工质ORC系统净输出功大于纯工质系统,且相变滑移温度越大,系统净输出功越大;给定冷凝泡点温度时,纯工质 ORC系统净输出功比混合工质系统大;给定冷凝压力时,混合工质 ORC系统净输出功介于两种纯工质系统之间。
　　(3)以系统发电成本(electricity production cost, EPC)为评价指标,分析了蒸发温度、冷凝温度、蒸发器和冷凝器节点温差对系统性能的影响,并对不同成分的混合物工质ORC系统进行了参数优化;讨论了冷热源温度和流量、膨胀机和泵的等熵效率、蒸发和冷凝传热系数等对优化结果的影响。结果表明,不同工质ORC系统的最优蒸发泡点温度各不相同,工质相变滑移温度越大,最优蒸发泡点温度越低;各工质系统最优蒸发器节点温差都在(7-10)℃范围内;最优冷凝露点温度和冷凝器节点温差随工质成分的变化与工质相变温度滑移的变化规律一致,且冷凝平均温度均在40℃左右。随烟气质量流量和进口温度的增大,系统最优蒸发温度和冷凝温度均增加,蒸发器节点温差也增大,而冷凝器节点温差变化较小;随冷却空气流量增大,最优蒸发温度和冷凝温度均减小,蒸发器节点温差变化较小,而冷凝器节点温差增大;膨胀机和循环泵等熵效率对最优参数几乎没有影响;随蒸发器传热系数的增加,最优蒸发温度和冷凝温度均增加,最优蒸发器节点温差减小,最优冷凝器节点温差增大;各参数随冷凝器传热系数的变化与随蒸发器传热系数的变化规律相反。