低品位余热ORC发电系统的性能评价及系统优化

摘要

能源是推动人类社会发展和进步的动力。我国是能源消费大国，但是，由于科学技术水平不高导致我国能源利用效率不高，大量的低品位余热被直接排放到环境中，不仅造成了能源浪费，也给环境带来了破坏。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）发电技术，可以将低品位余热转换为使用方便、输送灵活的高品位电能，是提高能源回收利用效率同时也降低环境污染的有效途径；由于其独特的优势以及广阔的市场应用前景，已经成为“节能减排”领域研究的热点课题之一。
　　基于前人关于ORC发电技术的相关研究，本文建立了低品位余热ORC发电系统模型，并采用EES（Engineering Equation Solver）软件编程对低品位余热ORC发电系统模型进行仿真计算。在此基础上，本文进行了以下几个方面的研究，并获得了相关结论：
　　1.低品位余热ORC发电系统的性能分析和热力优化研究。本文从ORC系统的热力完善性、技术性、经济性以及环保性等4个角度出发，选取了4个关键性能参数作为ORC系统的性能评价指标；并在此基础上提出了一种基于多目标优化的ORC系统综合性能评价方法。本文采用该方法研究了ORC系统的主要热力循环参数对ORC系统性能的影响。研究表明：以单一性能参数为优化目标函数计算的结果往往存在一定的偏差，难以兼顾到ORC系统整体的综合性能；通过多目标优化研究发现，ORC系统综合性能指标受蒸发参数的影响较大，随着蒸发参数的提高先增加后减小；而冷凝温度、换热窄点温差、过热度和过冷度等热力参数均存在较大的可取值范围，使ORC系统的综合性能基本不受其影响；此外，本文还提出通过多目标优化的循环迭代计算，可以获得低品位余热ORC发电系统的最优热力参数，使得ORC系统综合性能在某特定热源条件下取得最优。
　　2.余热温度的波动变化以及增加回热器对ORC系统性能影响规律的研究。由于实际生产工艺的需求，余热温度往往波动变化，因此本文针对余热温度波动对ORC系统性能的影响规律进行了研究；研究表明：余热资源的能级越高，采用ORC系统回收利用余热资源的效果就越好，因而品位较高的余热资源应优先被回收利用；经对比研究发现，ORC系统在理想最佳工况下的能量回收效果要优于实际运行工况，并且随着余热温度波动幅度的扩大，两种工况下系统的性能差异也越来越大。另外，为探究增加回热器对ORC系统性能的影响规律，本文对有/无回热器这两种情况进行了研究，研究结果表明：在ORC系统中增加回热器，有利于系统部分性能的提高，但并非系统的所有性能都能得到改善；在确保热效率相同的条件下，增加回热器后，ORC系统中由于蒸发压力减小可以降低设备及管道对强度和密封性等方面的要求；但在权衡考量ORC系统的技术性、热力完善性、经济性以及环保性之后发现，增加回热器后，ORC系统的综合性能略有下降；可见，从ORC系统综合性能的角度考虑，增加回热器并非ORC系统性能优化的必然选择。
　　3.低品位余热ORC发电系统中蒸发器热经济性的研究。蒸发器是ORC系统的关键设备，研究其热经济性，对于整个ORC系统热经济性的提高和改善具有十分重要的意义。本文以?理论为基础，考虑了蒸发器全寿命周期内发生的费用，考虑了资金的时间价值以及热?价与流动?价之间的不等价性，建立了以年净收益NPV为评价指标的蒸发器热经济性评价模型。基于该模型的研究表明：仅以?回收量为评价指标有可能会造成余热回收项目在技术上可行但经济上不合理的窘况；当换热面积、有机工质流量以及流量比三者实现最佳匹配时，ORC系统的余热回收收益可以达到最高峰值；ORC系统工作时的流量比应被控制在稍大于最佳流量比值的范围内，以避免由于工况的波动变化导致系统收益的急剧下滑；ORC系统中并非换热面积越大余热回收的效果越好，在某些情况下可以通过减少换热面积来降低蒸发器的设备投资成本，而同时又不至于使得系统年净收益损失过大。
　　综上，本文对低品位余热ORC发电系统进行了多个方面的研究和探讨。本文提出的基于多目标优化的ORC系统综合性能评价方法以及蒸发器热经济性能评价模型的建模思路可为低品位余热ORC发电系统的工程设计、后续研究以及余热回收项目的投资决策提供参考和依据。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 低品位余热ORC发电系统的建模与仿真

2.1 低品位余热ORC发电系统

2.2 低品位余热ORC发电系统的热力分析及组件模型

2.3 低品位余热ORC发电系统的仿真

2.4 低品位余热ORC发电系统的循环工质及热源情况

2.5 本章小结

第三章 低品位余热ORC发电系统的性能分析及热力优化

3.1 低品位余热ORC发电系统的热力分析及性能参数

3.2 蒸发参数对ORC系统性能的影响分析及优化

3.3 冷凝参数对ORC系统性能的影响分析及优化

3.4 窄点温差对ORC系统性能的影响分析及优化

3.5 过冷度/过热度对ORC系统性能的影响分析及优化

3.6 确定ORC系统最优热力参数的方法

3.7 本章小结

第四章 低品位余热ORC发电系统的工况研究及系统优化

4.1 余热的温度变化对ORC系统性能的影响分析

4.2 有/无回热器对ORC系统性能的影响对比及分析

4.3 本章小结

第五章 低品位余热ORC发电系统中蒸发器的热经济性研究

5.1 ORC系统中蒸发器的简化模型

5.2 热量?与流动?损失的计算

5.3 经济性参数计算

5.4 蒸发器的热经济性能评价模型与算例说明

5.5 计算结果与分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

符号与标记

致谢

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