ORC低温余热发电系统热力学分析与性能优化研究

摘要

有机朗肯循环（ORC，Organic Rankine Cycle）系统是基于传统的朗肯循环，通过沸点更低的有机介质替代水蒸气来作为动力源，带动机器做功，实现能量的转变，在对工业中产生的余热、太阳能、地热能、生物质能进行回收等很多的领域有很好的发展前景。有机朗肯循环系统具有结构简单、不使用燃料、不会有温室气体产生放、具有适宜的工作压力等许多的优点，很多的研究人员把它称作是对于低温余热进行回收的最理想的方法之一。 本研究以低温（100℃~200℃）工业余热进行回收为背景，通过模拟及实验的方法研究ORC热力学过程及性能，对ORC系统的性能进行优化，得到如下主要研究成果： （1）通过对ORC系统热力学过程的分析，提出了一种计算更加简便的热力学模型，并验证了其准确性。并且通过简化模型，分别推导出了最大净输出功及最大热效率所对应的最优蒸发温度计算公式，并与理论解进行了对比，误差均在可接受范围。计算表明：各工质最大净输出功所对应的最优蒸发温度与热源温度息息相关，约为热源温度的65%；各工质最大热效率所对应的最优蒸发温度与工质本身物性有关，约为工质临界温度的95%。 （2）对蚁群算法进行改进，并对其进行参数优化及可靠性验证。优化之后，蚁群算法中的参数设置应为：蚂蚁数量最少应该为城市数量的60%，信息启素启发因子为0.75~1.8，期望启发因子为4~8；与目前其他文献进行验证，其优化时间、效率和稳定性均优于目前文献中的其他优化算法。基于改进蚁群算法对ORC系统的性能进行了研究，考察了不同工质、不同工况下，ORC系统性能的变化规律，结果表明：①在不同的热源温度区间，ORC系统最大净输出功所对应的工质各不相同。②当工质临界温度小于热源温度15℃以上时，其最大净输出功所对应的最优蒸发温度为临界温度；工质临界温度接近或大于热源温度时，最大净输出功随着工质临界温度的升高而减小，其最优蒸发温度为热源温度的65%左右；在热源温度一定的情况下，临界温度为热源温度80%~90%的工质为最大的净输出功所对应的最优工质。③工质的热效率随着蒸发温度的增加而增加，但增加趋势逐渐变缓，最终接近最大值。④基于改进蚁群算法多目标优化和TOPSIS选择法，以净输出功和热效率为目标函数，得到了Pareto最优前沿和TOPSIS最优点，各个工质的TOPSIS最优点下的工况点各不相同，但均靠近系统的最大输出功。 （3）对不同配比的混合工质R-245fa/R-141b的ORC系统性能与热经济性进行了研究与分析，结果表明：当R-245fa/R-141b质量分数为0.5/0.5到0.9/0.1时，混合工质ORC系统的整体热力学性能优于R-245fa及R-141b的纯工质ORC系统，当混合工质R-245fa/R-141b的配比为0.8/0.2的时候，系统的净输出功最大；相比于纯工质来说，混合工质的对数平均换热温差较小，换热面积较大，大大的提高了设备成本，因此混合工质的热经济性相比于纯工质而言并不具备优势。 （4）在课题搭建的ORC低温余热发电系统实验台上，通过变工况，研究了纯工质、混合工质对ORC系统性能的影响，结果表明：ORC系统的计算热效率和测量热效率的范围分别是7.1%~11.8%和2.8%~5.3%；ORC系统计算发电功率和测量发电功率的范围分别是705.2W~2038.7W和70.83W~354.6W；同工况条件下，0.8R-245fa/0.2R-141b配比下的混合工质热效率对于两种纯工质R-245fa和R-141b分别平均提高了0.47%和2.98%，混合工质0.8R-245fa/0.2R-141b的净输出功对于两种纯工质R-245fa和R-141b分别平均提高了6%和18.6%。

目录

声明

符号说明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 ORC技术的发展

1.3 国内外研究现状

1.3.1 工质的研究

1.3.2 ORC热力学性能研究

1.3.3 ORC优化算法的研究

1.4 主要研究内容

2 ORC热力学过程优化及最优蒸发温度求解

2.1 标准ORC热力学模型

2.2 ORC热力学计算过程简化

2.2.1 热力学过程简化模型

2.2.2 模型验证

2.3 优化模型的最大净输出功对应的最优蒸发温度

2.3.1 优化模型推导计算公式

2.3.2 公式验证

2.4 最大热效率对应的最优蒸发温度

2.4.1 优化模型理论分析

2.4.2 优化模型推导计算公式

2.4.3 公式验证

2.5 小结

3 基于改进蚁群算法对ORC系统进行优化

3.1 蚁群算法简介及多目标优化的改进

3.1.1 蚁群算法简介

3.1.2 蚁群算法的改进

3.1.3 蚁群算法优化

3.1.4 改进蚁群算法的可行性验证

3.2 改进蚁群算法对ORC系统热力学模型及评价模型的建立

3.2.1 ORC系统热力学模型建立

3.2.2 ORC系统评价指标模型建立

3.2.3 模型验证

3.3 模拟实验及结果分析

3.3.1 工质选择及模拟实验条件参数设置

3.3.2 模拟结果

3.3.3 最大净输出功所对应的最优蒸发温度

3.3.4 最大净输出功对应的最优工质

3.3.5 蒸发温度对ORC系统热效率的影响

3.4 多目标优化

3.4.1 Pareto最优前沿

3.4.2 TOPSIS选择算法

3.4.3 模拟流程

3.4.4 模拟结果

3.5 小结

4 混合工质ORC系统性能及经济性分析

4.1 混合工质ORC系统模型

4.1.1 ORC系统热力学模型

4.1.2 ORC系统经济性模型

4.2 混合工质R-245fa/R-141b的ORC系统参数设定

4.3 混合工质R-245fa/R-141b的ORC系统性能和经济性分析

4.3.1 混合工质R-245fa/R-141b与单工质性能对比

4.3.2 混合工质R-245fa/R-141b对ORC系统性能影响

4.4 小结

5 ORC系统低温余热利用性能的实验研究

5.1 ORC低温余热发电实验台

5.2 实验台设计参数及设备仪表

5.3 ORC系统热力学模型

5.4 质量流量对系统性能的影响

5.4.1 稳态实验性能

5.4.2 蒸发器性能

5.4.3 冷凝器性能

5.4.4 工质泵性能

5.4.5 膨胀机性能

5.4.6 循环系统性能

5.5 混合工质实验性

5.6 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

附录A：ORC编程模型

附录B：实验数据

攻读博士期间发表的学术论文与其他成果

致谢