低品位热能有机朗肯循环发电系统中影响输出性能的因素研究

摘要

随着人类对传统能源和电力需求的日益增加，寻找替代煤炭、石油和天然气的可再生能源，以及提高能源的利用效率已是全球能源利用的当务之急。近年来，有机朗肯循环凭借其在回收低品位热能中独有的优势受到了相关行业研究者们的广泛关注。该技术不但可以回收数量庞大的工业余热，还可以作为底层循环应用于生物质能、太阳能、地热能、垃圾焚烧能、发动机排气，以及更低温度的海洋温差能等新的能源形式。然而，由于低品位热能本身能量等级低，有机朗肯循环逆向转化低品位热能成为高品位电能的效率低和输出功率少，是制约该技术发展的瓶颈。先前该领域的研究多集中于某一热力参数对系统输出特性的影响和有机工质做功能力的横向比较。鉴于此，本研究论文通过构建有机朗肯循环发电系统综合模型，采用Holmholtz自由能方程对有机工质物性求解，利用数值模拟的方法，分别从热力参数、关键设备和循环方式的角度研究了低品位热能有机朗肯循环发电系统中影响输出性能的因素，以期优化该系统的设计、提升其整体输出性能。具体的研究内容和结论如下：
　　1.循环热力参数对ORC系统性能的影响研究。数值构建了有机朗肯循环设备模型，分别从能量和有限尺寸热力学分析角度，选取净输出功率、热效率和UPR值作为系统性能的评价参数。通过有机朗肯循环系统模型进行仿真计算和分析研究，总结了蒸发温度、过热度、冷凝温度、过冷度、热源热度、热源流量和冷源温度对低品位热能有机朗肯循环发电系统性能的影响。在上述过程中，给出了有机工质蒸发温度可取值的范围表达式；验证R245fa在所研究的13种工质中最优异的做功能力；给定了13种工质各自最适合的热源温度，为系统设计与工质筛选提供了参考。同时，对混合工质组分比的研究表明：当冷凝水进出口温差与混合工质在冷凝器中的温度滑移数值接近时，冷凝器中传热温差的匹配度最好，系统的热力学特性最佳；混合工质的净输出功率和热效率均比纯工质有所提高。
　　2.关键设备对ORC系统性能的影响研究。本文对有机朗肯循环中的三大关键设备—换热器（蒸发器/冷凝器）、螺杆膨胀机和回热器展开了针对性的研究：分别研究了（蒸发器/冷凝器）窄点温差、膨胀机内外膨胀比差异、回热器及热源介质出口温度对系统性能的影响。
　　此过程中:
　　1）解释了低品位热源发电技术中换热器内窄点位置的不确定性，及其可能导致的错误，给出了适用于多种循环方式的窄点位置的计算方法。
　　2）推导了膨胀机内外膨胀比差异修正因子，结果表明：轻微的过膨胀状态是可以接受的，而欠膨胀状态是应竭力避免的；在明确系统工况的情况下，选用内膨胀比比外膨胀比稍小的膨胀机将拥有更好的净输出功率。
　　3）证实回热器虽不能提高系统的净输出功率和?效率，但却能提高系统的热效率；在考虑热源介质出口温度大于酸露点的情况下，回热器可以拓宽系统的工况调节范围，变相地提高系统的净输出功率和?效率。
　　3.循环方式对ORC系统性能的影响研究。基于亚临界ORC，实现了三种衍生的低品位热能发电循环方式：跨临界ORC，三角循环TLC和有机闪蒸循环OFC，并通过对有机闪蒸循环OFC进行改进，提出了OFC-M循环。继而本文分别研究了各循环中影响系统输出性能最主要的因素。并且，为了更直观地体现各循环的优势，给出了150℃，200℃和250℃的三种热源温度条件，将上述四种循环方式与亚临界ORC的输出性能进行比较，结果发现：在三种给定的工况下，改进的有机闪蒸循环OFC-M和三角循环TLC均表现出了优越的输出性能；有机闪蒸循环循环OFC并不是合理的循环方式；由于蒸发压力与有机工质的临界压力的不确定性，跨临界ORC在本例中并没有表现出较亚临界ORC明显的优势，对工质进行更广泛地筛选将一定程度提高系统输出性能。
　　本文从多角度对影响有机朗肯循环输出性能的因素展开了讨论，研究内容为有机朗肯循环的设计、优化以及应用提供了重要的理论依据，同时也为该循环及其衍生循环模型的进一步开发提供帮助。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪 论

1.1课题的背景及意义

1.2国内外研究现状综述

1.3本论文的主要工作

第二章 ORC系统建模与有机工质热物性求解

2.1 ORC系统全局模型

2.2设备模型及控制方程

2.3系统性能评价参数模型

2.4单工质热物性模型

2.5模型准确性验证

2.6本章小结

第三章 循环热力参数对ORC系统性能的影响研究

3.1工质选取

3.2全局参数的确定

3.3循环热力参数对ORC系统性能影响的研究

3.4混合工质组分比对ORC系统性能的影响分析

3.5本章小结

第四章 关键设备对ORC系统性能的影响研究

4.1 （蒸发器/冷凝器）窄点温差对系统性能影响的研究

4.2螺杆膨胀机内外膨胀比差异对ORC系统性能影响的研究

4.3回热器对ORC系统性能影响的研究

4.4本章小结

第五章 循环方式对ORC系统性能的影响研究

5.1跨临界ORC低品位热源发电系统

5.2三角循环TLC低品位热源发电系统

5.3有机闪蒸循环OFC低品位热源发电系统

5.4新型循环与ORC循环性能比较

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究内容和结论

6.2研究创新性

6.3今后研究展望

参考文献

符号与标记

附录

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢