ORC发电系统变热源温度实验研究

为研究有机朗肯循环(ORC)热源温度变化引起的循环热效率、(火用)效率、发电效率等性能的变化情况,搭建以R245fa为循环工质的ORC发电系统实验平台。实验结果表明:热源温度的提高使循环蒸发压力、冷凝压力升高,膨胀机入口温度、压力升高,膨胀比增大,等熵效率提升,膨胀做功能力增强,系统循环热效率、(火用)效率、发电效率均增大;在冷源温度为12℃,工质流量保持恒定的情况下,热源温度从87.5℃上升至108.1℃时,循环热效率由4.1%提升到7.1%,系统(火用)效率由17.2%提升到30.0%,系统发电效率由4.1%提升到7.3%。     

波动热源下ORC发电系统的动态运行特性

ORC(有机朗肯循环)是实现中低温热源热功转换的关键技术。以R245fa为工质,采用单螺杆膨胀机,在120℃不稳定热源下实验研究了ORC发电系统在变负载下的动态运行特性及系统主要运行参数随波动热源的变化。实验结果表明:增大负载容量,维持膨胀机做功状态所需工质流量增加,膨胀机入口压力变大,单位工质吸热量变小,膨胀机入口温度及过热度降低。但由于系统整体吸热量变大,系统冷凝压力及冷却水入口温度就增加。系统的发电功率与效率也随负载的提升而不断增大,最大分别为4.61 kW与5.76%。受热源温度正弦波动的作用,系统主要运行参数出现不同程度的波动,冷凝压力的变化是造成系统不稳定的主要原因。     

低温热能-LNG双级有机朗肯循环工质选择与多参数优化

对低温热能-液化天然气(LNG)联合驱动的双级有机朗肯循环(ORC)发电系统的工质选择尽参数化进行研究。对400种工质组合下循环Ⅰ及循环Ⅱ的蒸发温度、冷凝温度和膨胀机入口温度以及冷源蒸发压力等7个参数进行多参数优化。结果表明:适宜的工质1和工质2的临界温度均约低于热源温度50℃。临界温度处于最优范围内时,循环Ⅰ工质的三相点温度和常压沸点温度越低越好,循环Ⅱ工质的三相点温度及最低允许负压对应的饱和温度以低于-50℃为佳。循环Ⅰ为过热蒸汽,循环Ⅱ为饱和蒸汽时系统效率最大。循环Ⅰ的冷凝温度越低越好;循环Ⅱ的最佳冷凝温度对应不同的循环Ⅰ工质的出现分层现象。     

超临界二氧化碳布雷顿/有机朗肯循环联合系统的热力学特性

针对再压缩式超临界二氧化碳布雷顿发电循环(S-CO_2),将有机朗肯循环(ORC)作为底循环用于回收系统余热,建立了S-CO_2/ORC联合循环。采用Aspen Plus建立分析模型,根据顶循环余热温度范围和安全环保要求,选取R245fa作为ORC系统工质,分析透平进口温度、透平进口压力及分流比对循环效率的影响,并通过分析耗能设备的功率变化找到影响系统效率变化的因素。结果表明:通过顶循环低温余热的回收利用,系统热效率提高4%以上;增大透平进口温度可提高顶循环的热效率,但对底循环热效率的影响较小;随着顶循环透平进口压力的增大,顶循环热效率增加而底循环热效率下降;在透平入口温度680℃、入口压力280 MPa的条件下,存在最优的再压缩循环分流比0.66使得联合循环热效率最高;使用ORC底循环回收顶循环余热,最高可以将系统热效率从50.3%提高到53.7%,联合系统可以获得6.7%的效率提升。     

全流式地热发电系统性能分析及在双级系统中的应用

建立了全流式地热发电系统模型,基于螺杆膨胀机内效率与膨胀比的关系,分析了膨胀机最佳入口工质干度.以此为基础,分析以90~150℃饱和水为热源的全流式地热发电系统的发电性能并与有机朗肯循环(ORC)系统进行比较.结果表明:螺杆膨胀机入口工质干度存在最佳值,使得系统净功率最大;当热源温度处于90~130℃时,全流式地热发电系统具有较好的性能,而当热源温度处于130~150℃时该系统则无明显优势;全流式地热发电系统适合于带有一定干度蒸汽的热源,可以减少节流造成的损失;对于温度处于130~150℃的热源,双级系统中第2级的全流式地热发电系统对第1级的ORC系统的排热具有很好的回收效果.     

改进型Kalina海洋温差能发电循环模型的建立及热力性能分析

文章以引入太阳能为辅热的海洋温差发电Kalina循环为基础,利用引射器对循环系统进行改进。对改进型Kalina循环系统的汽轮机进、出口压力和冷、热源温度进行分析,探究其对改进型Kalina循环系统的发电功率及热效率的影响。研究结果表明:改进后的Kalina循环具有较大的优越性,相比原Kalina循环,发电量增加了9%;系统的热效率随汽轮机入口压力的增大呈先增大后减小的变化趋势,并且热效率最大值可以达到9.45%;当热源温度较低时,较低的汽轮机入口压力会得到较高的热效率;当热源温度较高时,较高的汽轮机入口压力会得到较高的热效率。     

低温太阳能热力发电有机朗肯循环工质的选择

为了筛选出适宜于低温太阳能热力发电有机朗肯循环的工质,根据 PR 状态方程计算和分析了采用 11 种低沸点有机流体工质的低温太阳能发电朗肯循环的热力性能.结果表明:随着工质临界温度的升高,有机透平进口处的最大蒸发压力基本呈下降趋势;在凝结温度与有机透平进口温度一定的情况下,临界温度越高的流体,其循环热效率越高;使用正已烷和正戊烷能获得较高的循环热效率,凝汽器中的凝结压力比较适中,是比较适合用作低温太阳能热力发电有机朗肯循环的工质.     

新型梯级换热有机朗肯循环系统热力性能分析

为了充分提高低品位能源利用过程中的回收利用率,降低热源排放温度,本研究提出一种基于热源分流的新型梯级换热、梯级发电的有机朗肯循环系统。系统以地热水为热源,分析了在给定热源工况时,蒸发温度对系统性能的影响以及在不同热源工况下,采用R123、R245fa及R152a3种工质互相组合时,系统性能的变化规律。结果表明,梯级ORC(有机朗肯循环)存在最佳蒸发温度,且其性能优于单级ORC循环,在T_g=373 K时,其输出功增加59.12 k W。随热源工况变化,两级循环中最佳工质分别变化,若两级循环均在亚临界区工作,则一级循环工质临界温度越低、二级循环工质临界温度越高系统性能越好;若两级循环中存在近临界运行工况,则应选择可使系统在近临界下运行工质。根据不同运行工况,合理选择最佳工质,对提高该梯级换热ORC系统性能具有重要意义。     

热源温度对有机朗肯循环发电特性的影响

基于搭建的以R245fa为工质的有机朗肯循环发电系统,通过调节电加热器功率来研究热源温度对有机朗肯循环发电特性的影响。研究表明:当冷凝温度不变时,随着热源温度的升高,蒸发压力升高,冷凝压力基本不变;膨胀机的压比和压差都增大;当热源温度由86℃升到99℃时,净输出电功率从4.7 kW增加到8 kW,发电效率由7.55%升至8.4%,功率和效率都近似线性增加。     

喷射器对地热有机朗肯循环发电系统性能的影响

为了缓解由于冷凝温度较高带来的高背压问题,提出一种带喷射器的ORC(有机朗肯循环)发电系统。针对373 K地热热源,分析了不同工质及冷凝温度下,喷射器对系统性能的影响,并将其在有/无分流2种工况下进行比较。结果表明:采用喷射装置可提高系统性能,存在一最佳升压比a使系统性能最大,其中ORC-分流喷射系统ORC-喷射系统ORC系统,若以R245fa为工质,在Tc=298 K时,经分流喷射的系统较喷射ORC及ORC系统火用效率分别高出1.89%和6.43%。工质临界温度越高,采用喷射装置对系统性能提高越大,通过分流可以削弱工质对喷射装置的影响,使其更接近ORC系统的工质表现规律:R236faR114R245faR152a。当系统冷凝温度较高时,采用喷射装置具有重要意义。     

不同类型蒸发器对ORC系统影响的实验研究

以中低温能源的高效利用为目的,在稳定热源和变工质流量条件下对以2种不同类型换热器为蒸发器的有机朗肯循环(ORC)发电系统进行实验研究。研究结果表明:ORC系统中板式蒸发器的最大换热系数约是管壳式蒸发器的1.6倍;系统性能方面存在合适工质流量使得系统性能最佳,采用管壳式ORC系统最大热效率与效率约为采用板式ORC系统的1.5倍;在膨胀机进口过热度较低时,板式蒸发器的蒸发空间是制约板式ORC系统性能和稳定性的重要因素;结合2种换热器特点,提出2种换热器串联作为蒸发器的改进设想。     

一种基于低品位热源的LNG冷能回收低温动力系统

在分析LNG物理冷Yong的基础上,提出了一种基于低品位热源的LNG冷能回收低温动力系统,并对影响系统循环效率的相关参数进行了研究。结果表明,在较低的热源温度下,系统的热效率和烟效率可以达到30％以上;对影响循环的主要参数分析表明,二次冷煤的冷凝温度及膨胀机进口压力对循环的效率影响很大。随着冷凝温度的降低及膨胀机进口压力的提高,循环热效率、Yong效率都将有所提高。     

有出口温度限制的热源亚临界有机朗肯循环最佳回热度定量准则的研究

我国的余热资源和可再生能源丰富,但部分余热资源和可再生能源分布比较分散,并存在温度和能量密度均较低的问题。基于传统能源转化技术,利用温度较低的余热资源和能量密度较低的可再生能源进行发电,会降低余热资源和可再生能源的热功转换效率。有机朗肯循环(ORC)系统可以有效利用低温热能进行发电。对于不同温度和形式的热源,采用合适的工质和循环工况,可以提高ORC系统的发电效率。有出口温度限制的热源是一种较为常见的热源形式,在ORC系统中增加回热装置可能会进一步提高热力循环对该类热源的利用效率。因此,文章针对有温度出口限制的热源,建立了亚临界ORC计算分析模型,选取了干流体和等熵流体作为循环工质,以热源回收?效率作为ORC系统的循环性能评价指标,系统地比较了不同回热度条件下ORC系统的循环性能。文章系统地分析了回热流程对ORC系统循环性能的影响规律,并将计算结果进行理论关联,首次建立了依据冷源和热源条件直接选取最佳回热度的定量准则。     

对流热采油页岩过程低温余热ORC系统热力分析

为回收利用对流热采油页岩过程中产生的低温余热蒸汽,提出并设计有机朗肯循环(ORC)系统进行热力发电。在特定余热蒸汽参数条件下,基于R245fa循环工质,编制计算程序模拟分析了ORC系统变工况参数对该系统热效率及输出功率的影响规律。数值模拟结果表明:设定汽轮机背压为0.25MPa时,工质最高蒸发压力为2.566MPa,在此范围内,系统热效率随蒸发压力升高单调增加,增幅减缓;取蒸发器出口温度85℃时,对于不同的蒸发压力系统允许运行工质流量范围不同,在同一蒸发压力下,由于热源限制导致系统热效率并未随工质流量增加显著提高,但可得到更多输出净功;蒸发压力为1.5 MPa时,随余热排放温度的降低,系统输出净功显著提高;随汽轮机背压的降低,系统热效率得到明显改善,但汽轮机背压的降低增加了工质冷凝的困难,合适的背压值取0.2MPa。     

混合工质ORC耦合CO2跨临界发电系统性能研究

为了实现低温热能的充分回收利用,在混合工质ORC循环发电基础上,提出一种利用CO_2跨临界循环与其耦合的发电系统。基于热力学第一、第二定律,建立相应热力学模型,并编写计算程序,确定系统运行条件,分析蒸发温度T1、跨临界蒸发压力p01及热源温度T_g等参数变化对耦合系统性能的影响,并将其与采用相同混合工质的ORC系统进行比较。结果表明:随蒸发温度提高,跨临界循环部分输出功逐渐增加,而ORC部分由于冷凝温度提升所减少的输出功逐渐降低。在T_g为373.00K时,若T_1为340.00、354.00K,耦合系统较基本ORC系统输出功分别增加15.77、113.53kW。随跨临界蒸发压力p_(01)变化,耦合系统输出功及效率均有先减小后增加再降低的规律,存在一最佳跨临界压力,且表现为随热源温度降低,耦合系统性能优越性逐渐明显。若T_g为373.00或403.00K,则耦合系统较基本ORC系统分别增加19.16、7.18kW。在蒸发温度较高或热源温度较低时,采用耦合系统具有重要意义。     

非共沸工质与纯工质在ORC系统中的特性比较研究

工质的特性是影响ORC(有机朗肯循环)系统性能的重要因素之一。建立了65~100℃低温地热水有机朗肯循环发电系统数学模型,将R245fa分别与R601a和R227ea以不同比例混合作为ORC系统的工质,比较了非共沸混合物和纯物质两类工质对ORC系统循环净功、热效率和火用效率的影响。研究结果表明:无论是纯工质还是非共沸工质,系统的循环净功、热效率和火用效率都随着热源温度的升高而增大。工质在相变过程中是否存在温度滑移,是影响ORC系统性能的重要因素之一。在65~100℃的热源条件下,综合考虑3个评价指标,当R245fa配比为0.1~0.7时,R245fa/R601a混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.012~2.48 k W、0.005%~1.15%和0.08%~10.7%;当R245fa配比为0.5~0.9时,R245fa/R227ea混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.049~4.25 k W、0.057%~1.75%和0.21%~16.1%。     

电石炉烟气余热回收双回路ORC系统性能分析

有机朗肯循环(ORC)系统在回收余热方面具有较大优势.本文采用双回路有机朗肯循环(DORC)系统回收电石炉烟气余热.对比了不同工质组合、不同循环结构下,高温循环的蒸发温度与冷凝温度对系统输出功率、效率和发电成本的影响.结果表明:与基础DORC相比,回热式DORC系统性能更佳,其中以甲醇与R123工质组合的系统净功率与效率最大,水作为高温循环工质在无回热的基础DORC系统中经济性优势明显.恒定热源条件下增大高温循环蒸发温度,对所有工质组合下同性能均有明显改善,增大高温循环冷凝温度则降低系统性能.     

跨临界-亚临界复叠式有机朗肯循环性能分析

热源温度高于473.15 K时,复叠式有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)可避免高温下工质热分解、膨胀比过大等缺点,相对单级ORC更具优势。跨临界循环相较常规亚临界具有更高的吸热压力及更好的热源匹配性,其与复叠式ORC耦合有望获得更优的热力性能。因此,构建了跨临界-亚临界复叠式ORC(TSORC),以473.15~573.15 K工业烟气为热源,针对5组工质,探究了吸热压力、冷凝压力对系统热力性能的影响,优化系统参数以获得最大净输出功;并与常规亚临界-亚临界复叠式ORC(SSORC)进行对比。结果表明:TSORC相对SSORC可有效增大系统净输出功,最多可提高23.9%;但当热源温度低于"等值热源温度"时,SSORC的输出功反而更大;以R1233zd-R1234ze(E)为工质的TSORC具有最大净输出功。     

基于超临界CO_2布雷顿循环的有机朗肯联合循环特性研究

使用ASPEN通用流程系统设计软件,在超临界CO_2布雷顿循环(SCO_2)和有机朗肯循环(ORC)的循环特性研究的基础上,进一步探究了SCO_2-ORC联合循环的影响因素和影响结果。研究表明,联合循环中SCO_2透平出口压力、ORC透平入口压力和压气机入口温度对循环系统的热效率均有着重要影响。对比不同工质可以发现,最大效率排序为R22R32R125R134aR115。此外,通过统计分析发现,在变ORC系统参数和变SCO_2系统参数时,联合循环热效率与ORC功率占比分别表现出一次线性关系和二次抛物线关系。为进一步使用和推广SCO_2-ORC太阳能光热发电技术提供了理论支持和设计基础。     

柴油机废热利用的ORC系统特性研究

以柴油发动机缸套水和尾气废热为热源,设计开发了有机郎肯循环ORC的热力循环系统及发电装置。在该系统中,采用R245fa作为循环工质,以板式蒸发器和冷凝器作为工质相变的换热元件,机械能与电能转化。ORC系统测试结果表明,在ORC系统和发动机长时间稳定运行,稳定发电量14.4kW,发电效率7.2%;净发电量12.45kW,净发电效率6.25%。在保持发动机稳定运行和冷却水全部进行大循环的前提下,发动机出水温度降低,有利于总发电量和净发电量的提升。