有机朗肯循环系统运行特性及冷凝器性能优化研究

摘要

有机朗肯循环(ORC)是实现低品位热能回收利用的重要技术，可有效利用工业余热、太阳能、地热能、生物质能及海洋温差能等中低温热源。目前，ORC相关的科学问题与技术研究仍不成熟，有待开展进一步的深入研究。本文针对实现ORC系统集成及优化的关键技术和核心问题，构建了ORC发电系统集成样机，自主研发了ORC自动控制系统，从系统及部件稳态运行特性、控制过程动态特性、工质充液比作用机理、内回热循环性能分析及冷凝器优化等方面上开展相关的实验研究，形成系统的ORC集成及优化方法。
　　针对120℃以下低温热源，采用单螺杆膨胀机与同步发电机同轴联动的方案，以R245fa作为循环工质，构建了百千瓦热功率ORC集成原理样机。在不同冷热源温度下，通过改变系统负载以及膨胀机转速分析各部件运行特性与机组整体性能。发现热源温度主要影响蒸发器与冷凝器内不可逆损失。升高热源温度，膨胀机入口过热度增大，蒸发器与冷凝器内(火用)损增加，发电效率减小;但由于泵功的降低，系统净效率增大。冷源温度主要作用于膨胀机及工质泵内不可逆损失。升高冷源温度，膨胀机及工质泵等熵效率减小，其内部不可逆损失增加，系统总(火用)损增大，热功转换能力变差，系统发电效率与净效率变小。在10＞及115＞冷热源温度下，实验获得最大发电效率与净效率分别为7.02％及5.62％。
　　以膨胀机转速为目标函数，工质流量为被控量，自主研发了ORC控制系统。该系统可以及时自动地调节工质流量，实现了膨胀机的输出功率与转速快速跟踪负荷的变化。在负载跟踪过程中，机组主要参数变化平稳，随热源温度的波动而小幅度波动，但由于换热器本身的惰性，各参数相对于导热油入口温度出现了不同程度的滞后。研究了冷热源参数阶跃变化条件下系统的动态特性，发现研制的ORC系统对冷热源参数阶跃变化具有良好的自适应调整功能，ORC系统经过短暂瞬态后重新达到稳定状态，系统输出功率及电压变化平稳。
　　分析了工质充液比对系统主要参数及性能的影响，发现存在最佳工质充装量，在充液比为42.5％时，系统的效率最高，实验中获得最大热效率、电效率与净效率分别为7.74％，7.02％与5.62％。揭示出当实际充装量偏离最佳充装量时系统性能下降的机理，当系统充液比低于42.5％时，储液罐内部的液态工质无法完全没过工质泵泵头，R245fa液体在泵工作腔内发生闪蒸现象，泵出现汽蚀，增加了工质泵功耗，抬高了膨胀机的背压，降低了膨胀机压比，抑制了膨胀机的做功能力，使得膨胀机等熵效率及系统效率降低。当系统充液比高于42.5％时，液态R245fa在冷凝器内部大量堆积，影响了冷凝器换热能力，同时储液罐与冷凝器内部实际液位高度差带来的重力压降也大幅度地提高了系统冷凝压力，降低了膨胀机等熵效率，抑制了膨胀机的做功能力，推动膨胀机做功的工质质量流量就需增大，从而增加了工质泵功耗，降低了系统效率。
　　开展了内回热ORC系统运行特性实验，对比了相同工况下常规ORC系统及内回热ORC系统的性能表现。研究结果表明:内回热ORC系统可以大幅度地提高蒸发器入口温度及降低冷凝器入口温度，减小蒸发器与冷凝器内传热温差，从而使得工质吸热量变小，有效地提升了系统性能，降低了系统的(火用)损。在100℃热源温度下，内回热ORC及常规ORC系统的最大轴功热效率分别为7.15％与6.43％。内回热ORC系统对热源温度变化具有自适应的特性。在相同膨胀机转速与转矩下热源温度主要作用于膨胀机的入口过热度，使膨胀机等熵效率变大，降低了其内部不可逆损失。同时使系统传热过程中不可逆损失增加，蒸发器与冷凝器(火用)损变大。受二者的博弈作用，RORC系统总(火用)损维持恒定，系统效率无明显变化。
　　研究了微倾角下R245fa管壳式换热器管内冷凝传热特性。相对于水平放置的冷凝器，不论向上或者向下倾斜放置，传热系数均增加，这种增加趋势随着工质质量流速的增加而减弱。从整体趋势而言，向下倾斜传热的强化幅度要高于向上倾斜的强化幅度。倾斜向下30°布置的冷凝器具有最大的传热系数及相对较小的摩擦压降，是ORC系统中冷凝器的最优布置方案。冷凝器倾斜向上布置，受重力的作用汽液两相流体相对流速变大，界面间剪切力增强，增强了传热。较强的剪切力也增加了管内的摩擦阻力，造成了倾斜向上管摩擦压降最大的现象。冷凝器倾斜向下布置，管底部液膜厚度变薄，减小了相应的导热热阻，液位高度的下降使得汽相工质与管壁接触面积大大增加，增强了传热。拟合出了倾角作用的管内冷凝传热计算关联式，公式中通过无量纲参数反映出重力、惯性力、管径、质量流速及干度的作用，预测结果准确性较高，计算方便，对实际运行有指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 有机朗肯循环系统的研究进展

1．2．1 ORC热力循环层面的研究现状

1．2．2 ORC系统层面的研究现状

1．2．3 ORC工质层面的研究现状

1．2．4 ORC中主要部件的研究现状

1．2．5 ORC系统控制的研究现状

1．3 当前研究存在的问题

1．4 本课题的研究内容

第2章 ORC集成发电机组构建及运行特性实验

2．1 引言

2．2 实验系统

2．2．1 ORC集成发电机组

2．2．2 导热油回路

2．2．3 冷却水回路

2．2．4 负载系统

2．3 数据处理

2．4 机组运行特性研究

2．4．1 热源温度对机组性能的影响

2．4．2 冷源温度对机组性能的影响

2．5 本章小结

第3章 孤网下ORC发电系统自适应动态运行特性

3．1 引言

3．2 ORC机组自适应控制系统

3．3 ORC系统自适应动态运行特性

3．3．1 变负载下ORC系统自适应动态运行特性

3．3．2 波动热源下ORC系统的动态特性

3．3．3 变膨胀机设定转速下ORC系统自适应动态运行特性

3．3．4 变热源温度下ORC系统自适应动态运行特性

3．3．5 变热源流量下ORC系统自适应动态运行特性

3．3．6 变冷源流量下ORC系统自适应动态运行特性

3．4 本章小结

第4章 ORC系统中工质充液比对循环性能的影响

4．1 引言

4．2 实验方法及工况

4．3 工质充液比对ORC系统运行特性的影响

4．3．1 工质充液比对ORC系统主要部件性能的影响

4．3．2 工质充液比对ORC系统循环性能的影响

4．3．2 工质充液比影响ORC系统做功的主要机理

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 实验系统及工况

5．3 内回热与无回热ORC系统性能对比

5．4 热源温度对RORC系统性能的影响

5．5 本章小结

第6章 微倾角下R245fa换热器管内冷凝传热特性

6．1 引言

6．2 实验系统及数据处理

6．2．1 实验系统

6．2．2 实验段

6．2．3 数据处理及不确定度分析

6．2．4 实验校核

6．3 微倾角下R245fa管内冷凝传热及压降特性

6．4 微倾角下管内流型及强化传热机理分析

6．5 关联式拟合

6．6 本章小结

7．1 论文主要结论

7．1．1 冷热源温度及负载对系统性能的影响

7．1．2 自动控制下ORC系统变工况动态特性

7．1．3 工质充液比对ORC系统性能的影响

7．1．4 内回热ORC系统实际运行特性

7．1．5 微倾角下R245fa管壳式换热器管内冷凝传热特性

7．2 主要创新点

7．3 主要贡献及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介