中低品位热源有机朗肯循环系统的热力学分析

基于热力学第一定律和第二定律,分析了以R113作为循环工质,需回收的废热为52.624kW的有机朗肯循环(ORC)发电系统在变工况下的热力性能,其中,热力性能由系统热效率和火用效率作为评价标准。结果表明,当蒸发压力不变时,蒸发器出口温度对ORC系统的热效率及火用效率影响很小;蒸发压力或膨胀比增大时,ORC系统的热力性能也随之提高,影响较显著。这些将为ORC系统的性能优化提供理论基础。     

催化裂化全流程模拟及低温发电技术研究

应用Aspen Plus软件对某工厂65万t/a催化裂化装置主分馏塔和吸收稳定系统进行全流程模拟,模拟结果与生产标定符合,在最小换热夹点温差20 K时,应用夹点技术进行分析,温度为363.15~393.15 K的物流直接采用冷公用工程冷却,浪费了大量低温热。针对主分馏塔塔顶油气的低温热,以R245fa为工质进行了有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)发电技术的模拟,以热效率和余热利用率作为评价模型,分析了运行参数对系统性能的影响。结果表明,热源温度为364.65 K、冷凝温度为305.15 K时,优化的ORC系统循环参数是夹点温差7 K,最佳蒸发温度339.15 K,此时输出功率485.6 k W,热效率5.26%,余热回收利用率35.6%。     

动态透平效率对有机朗肯循环系统性能的影响

向心透平效率随运行参数的变化及工质种类的不同有较大差别,引入向心透平一维分析模型来计算透平效率,分析蒸发温度与冷凝温度对透平效率的影响,比较固定透平效率与动态透平效率有机朗肯循环(ORC)系统的热力性能与经济性能。采用非支配解排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化ORC系统筛选出最优工质,确定最佳蒸发温度与冷凝温度。同时比较了不同热源温度下固定透平效率和动态透平效率ORC系统的最佳运行参数,分析了透平效率随热源温度的变化。结果表明:透平效率随蒸发温度的降低或者冷凝温度的升高而增大,采用动态透平效率后,系统净输出功随蒸发温度升高而增加趋势减缓,工质排序也发生了变化;对于固定透平效率与动态透平效率ORC系统,经多目标筛选后所确定的最优工质及最佳蒸发温度和冷凝温度均有一定差异,表明若采用固定透平效率会对工质筛选及参数优化造成一定误差;随着热源温度的升高,固定透平效率与动态透平效率ORC系统之间最佳蒸发温度与净输出功差异逐渐增大,说明热源温度越高,采用固定透平效率引起的误差越大。     

基于内置换热器有机闪蒸循环的热性能研究

构建了内置换热器有机闪蒸循环（internal heat exchanger organic flash cycle, IHE-OFC）系统模型,采用100~200℃地热水作为热源,以R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123作为循环工质。研究了IHE-OFC系统的热性能,并以净输出功率为目标函数,对系统进行了优化。结果表明：当热源温度≤160℃时,R601 IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度≥190℃时,R601传统OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为170℃时,R601a IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为180℃时,R601a传统OFC系统的净输出功率最大。此外,每一工质均存在一个特征温度,为工质的0.85P_cri所对应的温度与加热器夹点温差之和。且因工质特征温度的影响,IHE-OFC系统的最优闪蒸压力、IHE冷流体温升和系统效率随热源温度的升高而均呈先增大后不变的趋势。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环（ORC）低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示：发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h^-1。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环(ORC)低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示:发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h~(-1)。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

有机朗肯循环膨胀机入口过热度实验

在给定热源条件下,探讨有机朗肯循环(ORC)膨胀机入口过热度对膨胀机性能和ORC系统性能的影响。建立了带前置泵的ORC实验系统,采用涡旋式膨胀机,R123为工质,在140℃热源下进行实验。通过改变膨胀机转矩调节系统蒸发压力,从而实现对膨胀机入口过热度的调节。实验获得最大膨胀机轴功和膨胀机实际运行效率分别为2.35kW和59.7%;ORC系统净输出功、热效率和(火用)效率分别为1.75kW、5.3%和21.8%。分析表明,随着膨胀机入口过热度递减,膨胀机机械效率递增,膨胀机等熵效率递减,膨胀机轴功和实际运行效率呈先增后减的变化趋势。膨胀机入口过热度为20℃左右时,有最大膨胀机轴功、最大系统净输出功、最高系统热效率和最高系统(火用)效率。此外,过热度影响系统的损失分布,随着膨胀机入口过热度减小,膨胀机(火用)损呈先增后减变化。     

动态透平效率对有机朗肯循环系统性能的影响

向心透平效率随运行参数的变化及工质种类的不同有较大差别，引入向心透平一维分析模型来计算透平效率，分析蒸发温度与冷凝温度对透平效率的影响，比较固定透平效率与动态透平效率有机朗肯循环（ORC）系统的热力性能与经济性能。采用非支配解排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）优化ORC系统筛选出最优工质，确定最佳蒸发温度与冷凝温度。同时比较了不同热源温度下固定透平效率和动态透平效率ORC系统的最佳运行参数，分析了透平效率随热源温度的变化。结果表明：透平效率随蒸发温度的降低或者冷凝温度的升高而增大，采用动态透平效率后，系统净输出功随蒸发温度升高而增加趋势减缓，工质排序也发生了变化；对于固定透平效率与动态透平效率ORC系统，经多目标筛选后所确定的最优工质及最佳蒸发温度和冷凝温度均有一定差异，表明若采用固定透平效率会对工质筛选及参数优化造成一定误差；随着热源温度的升高，固定透平效率与动态透平效率ORC系统之间最佳蒸发温度与净输出功差异逐渐增大，说明热源温度越高，采用固定透平效率引起的误差越大。     

有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和分析

随着能源问题日益突出,低温烟气余热深度利用成为了研究热点领域。其中,有机朗肯循环是实现低品位余热转换为电能的一有效途径。基于热力学基本定律,以有机朗肯循环系统最大做功能力和效率为目标函数,计算分析了10种不同工质在亚临界状态下以上两种目标函数的特性。结果表明,每种工质均存在一最佳蒸发温度使循环净输出功最大,而且工质临界温度越高,对应的最佳蒸发温度也越高;热源温度相同时,系统效率随窄点温差增大而减小;同一窄点温差时,当热源温度不超过临界温度两倍的窄点温差时,效率有一最大值;反之,则随蒸发温度升高不断增大。这些将为有机朗肯循环工质选择和性能优化提供理论指导。     

有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能

为研究车用有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）余热回收系统中工质泵的性能及选型,在模拟车用ORC余热回收系统的工作环境下,设计并搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统。通过控制多级离心泵转速（870~2900 r·min^-1）、调节工质流量（0.20~5.00 m³·h^-1）,得到了多级离心泵特性曲线。通过分析变工况时多级离心泵关键参数间相互作用关系,及其对车用ORC余热回收系统性能的影响情况,验证了多级离心泵应用于车用ORC余热回收系统的可行性,并确定了其最佳工况点参数。研究结果表明：变工况时,多级离心泵总效率为15.00%~65.70%。车用ORC余热回收系统的蒸发压力、热效率均随着多级离心泵转速的增加而增加。在高转速区,工质流量对系统蒸发压力和多级离心泵输入功率（多级离心泵消耗的电功率）的影响明显增大。随着系统蒸发温度的升高,工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例（back work ratio,BWR）最高可达0.45。当多级离心泵转速为2900 r·min^-1时,车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。     

超临界水氧化能量回收系统的设计优化

超临界水氧化（SCWO）工艺非常适用于高浓度废液的处理。针对目前SCWO处理系统能耗大、能量回用方式单一的问题,介绍了传统工艺流程的能量回收方式,分析了系统能量利用效率,创新性地采用透平和有机朗肯循环（ORC）串联的方式分别对压力能和热能进行回收。利用Aspen Plus建立SCWO系统能量回收模型,研究不同工艺流程对系统能效、(火用)效及输出功率的影响,在此基础上探讨透平的入口温度和出口压力、ORC的蒸发温度对系统性能的影响。结果表明：对反应产物依次进行压力能和热能回收为系统最佳能量回收方式;提高透平的入口温度和出口压力均可提高系统的性能,并同时提高透平输出功率的稳定性;降低ORC的蒸发温度会提高系统蒸汽产量,但同时也减少了可直接利用电能的产生量。     

变透平效率有机朗肯循环工质筛选及多目标优化

针对523.15 K的中高温余热烟气热源,选取戊烷、己烷、庚烷、环己烷、MM（六甲基二硅氧烷）、苯和甲苯为候选工质,引入一维向心透平效率预测模型取代固定透平效率,以（火用）效率和系统净功为目标函数,基于NSGA-Ⅱ算法对ORC系统进行多目标求解,采用理想点辅助法对各工质Pareto前沿进行决策寻优。得出以下结论：工质的透平效率与透平等熵膨胀比（VFR）存在较强的相关性,透平效率曲线与VFR曲线的变化趋势相反;在给定热源条件下,苯是最优工质,甲苯和环己烷是次优工质;当蒸发温度超过400 K时,（火用）效率下降趋势加快,当蒸发温度超过410 K时,系统净功上升趋势放缓;定透平效率寻优会对最佳参数与最优工质筛选结果造成一定影响,与实际存在偏差;变透平效率寻优可以减少误差,更接近工程实际。     

涡轮增压柴油机余热利用的有机郎肯循环烃类高温工质热力学分析

通过能量分析和㶲分析,对涡轮增压柴油机的不同余热源进行优选;在此基础上,对余热利用的有机朗肯循环进行了热力学分析,选取了10种烷烃类高温工质,通过建立能量平衡方程和㶲分析方程,研究了蒸发压力对不同烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率、系统㶲损和膨胀机体积流量比（VFR）的影响规律。结果表明：废气再循环余热为最佳热源;所有工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着蒸发压力的增加而增加,㶲损随着蒸发压力的增加减少;相同蒸发压力下,直链烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着工质临界温度的增加而增加,㶲损随着工质临界温度的增加而减少;在保证VFR≤50的工况下,环戊烷具有最高的热效率和㶲效率。     

小型有机朗肯循环系统中工质泵的效率

对小型有机朗肯循环系统中工质泵的性能进行了实验研究,建立了应用R245fa工质的小型工质泵性能研究试验台,针对容积型工质泵的效率展开实验研究,对工质泵出口压力、进出口压差和系统质量流量分别进行控制,获得了工质泵等熵效率随上述3个变量的变化曲线.实验结果表明,在蒸发温度75℃、冷凝温度11℃条件下,有机朗肯循环系统中工质泵的等熵效率范围为15%~47%,随着系统质量流量的增大和工质泵进出口压差的增加,工质泵等熵效率升高,且受到系统质量流量的影响较大.实验证实了有机朗肯循环系统中工质泵的实际运行效率比以往模拟、理论计算研究中应用的工程经验值低.依据本研究实验结果,工质泵等熵效率宜取平均值30%;基于理论循环等熵过程的分析,泵功占膨胀机输出功的比例约为8%,而实际过程中,综合考虑泵的效率、电机效率、膨胀机机械效率,其比值可达到12%以上.     

共冷凝器双循环有机朗肯发电系统㶲分析

有机朗肯循环（ORC）发电是将中低温热源转化为高品位电能的有效途径之一。本文针对热源温度为100~150℃的亚临界饱和有机朗肯循环系统,选用4种有机工质,首先分析热源温度和工质对单级/双循环发电系统?效率和加热器?效率的变化规律,进而对双循环系统窄点温差对系统和加热器?效率的影响进行分析。主要结论包括：在相同热源温度下,R245fa为工质时,双循环系统及加热器的?效率相对于单循环系统的?效率大幅提升,在热源温度为130℃时,系统?效率提高了14.45%。随着窄点温差的增大,系统和加热器?效率减少;不同热源温度下窄点温差增大时,系统和加热器?效率的减小量接近相等,当窄点温差增加2℃,系统?效率平均减少1.9%左右。分析双循环系统采用4种有机工质时系统和加热器?效率,发现?效率都随热源温度增加而增大;当热源温度为100℃和150℃时,工质R245fa相对于R601的系统?效率相差为0.89%和3.54%;对应加热器的?效率相差为0.49%和4.82%。     

船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析

利用设计的有机朗肯循环系统回收船舶柴油机的排气能量,考虑冷却水循环,分析了蒸发温度、膨胀比对系统性能的影响。定义经济性函数为系统所需总换热面积和净输出功的比值,而综合评价函数为经济性目标函数和（火用）效率的加权和,以不同的优化目标函数,确定了适用于有机朗肯循环系统的最佳冷凝温度。研究结果表明,在一定膨胀比下,热效率随着蒸发温度的升高先增大再减小,存在最佳蒸发温度;优化目标函数不同,系统存在不同的最佳冷凝温度,以综合评价函数为优化目标,可确定较优的最佳冷凝温度;以R245fa为工质时,最佳蒸发温度为390K,最佳冷凝温度为316K,膨胀比为6.6,热效率可以达到12%;工质的选择对系统性能有很大影响,不同评价指标下系统的性能分析也不同。