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.     

针对不同工业余热温度的有机朗肯循环工质优选

基于工业余热回收领域的有机朗肯循环低温余热发电系统,利用MATLAB软件编程,针对不同余热温度,考虑外部冷热源对系统经济性影响,研究不同有机工质在单位净输出功率造价、热回收效率、输出功率、膨胀比和蒸发压力等方面的表现。结果表明:R134a、R245fa和R601a分别在余热温度100～124℃、124～130℃和130～240℃条件下,单位净输出功率造价最优;R134a、R152a、R142b和R141b分别在余热温度100～124℃、124～130℃、130～160℃和160～200℃条件下,输出功率和热回收效率均为最优;余热温度160℃以下时,采用11种工质的有机朗肯循环系统的膨胀比均在10以下,而余热温度160℃以上时,膨胀比迅速增大;在蒸发压力限定不大于2.5 MPa条件下,R134a适用的余热温度范围最小,为100～118℃,R113适用的余热温度范围最大,为100～240℃。     

两级烟气余热回收发电系统工质优选原则及方法

分别以净发电效率和系统火甩效率最大为目标,通过热力学分析,确定了两种不同余热类型发电系统候选工质的选择原则:热流量恒定余热应选择临界温度较高的工质,初温和质量流量恒定的余热应选择临界温度较低的工质.并定义了相应余热类型最佳工质主要评价参数α和β,数值大的工质性能较优.以两级烟气余热发电系统为倒,采用Aspen Plus软件模拟计算验证理论分析结论.结果表明,第一级系统不同工质净功、参数α和火用损失随蒸发温度变化的趋势与理论分析结果完全吻合;第二级系统不同工质的净功、参数β和火用效率随蒸发温度变化趋势与理论分析结果也完全吻合.这表明,本研究提出的工质优选原则和方法是正确、可行的.     

利用中低温余热的回热有机朗肯循环性能分析

通过选取R227ea、R600和R141b 3种典型有机干流体作为工质,在热源流体进口温度设定为典型工业锅炉排烟温度423.15 K,冷却水进口温度和环境温度分别设定为283.15 K和293.15 K的条件下,分析蒸发温度、过热度和给水加热器出口处工质温度对回热有机朗肯循环性能的影响,比较回热有机朗肯循环与基本有机朗肯循环的性能。结果表明:随着蒸发温度的增大,循环总不可逆损失减小,循环热效率和第二定律效率增大,而循环输出净功率则先增大后减小;随着过热度的增大,循环总不可逆损失和循环输出净功率均减小,而循环热效率和第二定律效率的变化趋势则因工质而有所不同;随着给水加热器出口处工质温度的增大,循环总不可逆损失和循环输出净功率不断降低,而循环热效率和第二定律效率则先增后减;在相同工况下,回热有机朗肯循环的循环热效率和第二定律效率高于基本有机朗肯循环,但对于循环输出净功率和循环总不可逆损失,结果则相反。     

水泥窑余热发电技术的分析及优化

以新型干法水泥生产过程中产生的废气为热源,建立了3种常规余热发电系统模型,分析了采用单压、双压、闪蒸系统回收水泥生产余热的性能.采用遗传算法对各种余热发电系统进行优化,得出了循环系统对外输出的最大功率及最优参数.研究了热力参数对系统性能影响的规律.对各种余热发电系统进行了分析,指出了提高炯效率的方向.结论:在给定的余热条件下,双压系统对外输出功率最大,具有最大发电量;采取措施减少余热锅炉中的不可逆损失,可以大大提高余热发电系统的性能.     

低温余热蒸汽闪蒸_双工质联合循环发电系统热力分析

为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热,提出一种适于蒸汽回收的新型闪蒸-双工质联合循环发电系统,以热力学第一、第二定律为基础,建立了该联合循环热力模型,采用R245fa为循环工质,编制计算程序对系统热效率、输出功率及火用效率进行了热力分析,并将其与单纯闪蒸、双工质朗肯循环进行性能对比。结果表明,在热源温度110℃、压力0.14 MPa情况下,净输出功随闪蒸压力、双工质循环蒸发压力的增大均呈先增大后减小的趋势,当闪蒸压力在0.048 33 MPa,低压级双工质循环蒸发压力为0.389 6 MPa时,系统整体及闪蒸-双工质阶段均存在最大功率,分别为6 249.2 kW、429.2 kW;热效率则随闪蒸压力增大先增大后减小,而随双工质压力的增大不断增大。其中双工质循环的热效率均低于联合循环,在多数情况下单纯闪蒸循环的热效率基本等于联合循环的热效率;火用效率变化规律与净输出功变化规律相同。     

余热利用有机物朗肯循环最佳热回收效率分析

首先通过分析余热回收动力循环的不可逆损失,得到循环的理想效率。其次,通过分析发现热回收效率随蒸发压力变化存在最佳值,并且最佳热回收效率与最小熵增率是等价的。然后,通过研究两种简化的余热利用动力模型,应用有限时间热力学的相关方法,指出最大热回收效率产生的原因。再次,研究了余热变化时系统最佳工况的变化。结果发现最佳蒸发压力随余热流量、入口温度增加而显著增加,而与余热组分关系不大。最后,研究了工质对系统最佳工况的影响,发现较高临界温度的工质,最佳蒸发压力较低。     

基于遗传算法的汽油机朗肯循环余热回收系统的优化

为了更加高效利用汽油机排气余热,分析了某款汽油机排气余热回收潜力,建立了基于蒸发器和活塞式膨胀机的汽油机-朗肯循环联合余热回收系统模型。利用遗传算法,同时考虑膨胀机输出功、排气利用率、蒸发器效率和膨胀机绝热效率,以膨胀机输出功和系统总效率为优化目标,以蒸发压力和膨胀机转速为优化变量,对汽油机4个工况下朗肯循环系统的最佳运行参数进行了研究。结果表明,在整个发动机转速范围内,排气最大可利用效率均高于46%,转速越高则排气品质越高。在不同工况下存在最优的膨胀机转速和蒸发压力。经过优化,在选取的4个工况下,功率提高率均在6%以上,最高达到7.08%。     

回收烟气余热亚临界ORC系统投资回收年限估计

建立了回收低温烟气余热的有机朗肯循环系统投资回收年限计算模型,并以最短投资回收年限为目标对内部参数进行了优化,分析了外部参数对投资回收年限的影响。结果表明,随着蒸发温度、冷凝温度、蒸发器和冷凝器节点温差的增加,系统投资回收年限均先减小后增大,即存在一组最佳工作参数使回收年限最短。提高烟气进口温度和流量都可有效缩短投资回收年限。采用R245fa作为循环工质可使系统同时具有较短的回收年限和较大的净输出功。     

高温高含盐热水多级闪蒸发电系统研究

对于辽河油田的高温高含盐热水余热设计了n级闪蒸发电系统,以火用效率为目标函数,运用矩阵分析和遗传算法优化求解了多级闪蒸发电系统的汽轮机输出功率和闪蒸罐工作压力。计算表明:闪蒸发电系统的级数越多,余热回收系统获得的输出功率和火用效率越大,但其增量在一定级数后随级数的增大而减小;级数越多,投资越大。选取四级闪蒸发电系统时,余热利用系统的投资回收年限小于2年。     

Thermodynamic optimization of organic Rankine cycle using two-stage evaporation

Organic Rankine cycle (ORC) is a promising technology to recover low-grade heat, but it leads to a low efficiency due to the highest irreversible loss caused by the single-stage evaporation. The present work concerns the performance enhancement of a two-stage serial organic Rankine cycle (TSORC) for geothermal power generation. The heat source is divided into two separate temperature ranges. The main goal of the current simulation is to evaluate system performance of TSORC, as well as, to calculate the influence of two-stage evaporation on system performance. The ratio of the net power output to the total thermal conductance was chosen as the objective function. Results show that the system performance is coupled with geothermal water inlet temperature (GWIT), intermediate geothermal water temperature (IGWT), and evaporating temperatures. The two-stage evaporation significantly reduces the irreversible loss, thereby enhancing the net power output. The TSORC presents excellent systematic performances and deserves to be popularized in engineering applications.     

Heat exchanger network design of an organic Rankine cycle integrated waste heat recovery system of a marine vessel using pinch point analysis

The coexistence of different kinds of waste heat sources on marine vessels with various temperature ranges increases the need for an optimal heat exchanger network (HEN) design for the heat collection process to reduce the unutilizable heat that needs to be discharged to overboard. The optimal HEN design has not been taken into consideration by using pinch point analysis in previous studies of marine organic Rankine cycle (ORC) systems that utilize from different kinds of waste heat sources. The objective of the study is to determine the optimal HEN design for an ORC integrated waste heat recovery system of a marine vessel by utilizing the pinch point analysis to improve the overall energy efficiency. Lubricating oil, high-temperature cooling water and scavenge air of the main engine, and the exhaust gas emitted from the boiler plant were identified as the major waste heat sources of a reference container ship. A heat collection stream, in which thermal oil is used as the heat transfer fluid that transfers the collected heat to an ORC system, was proposed. The pinch point analysis showed that the optimum waste heat recovery could be gained by separating the scavenge air cooler into three stages and the lubricating oil cooler into two stages. The results of the parametric study for the varying evaporator inlet pressure between 1000 and 3000 kPa showed that R1234ze(Z) yields the best performance among nine different organic working fluids with the thermal efficiency and exergy efficiency of 15.24% and 86.47% for the ORC system, respectively. For the proposed configuration, the unavailable waste heat that cannot be transferred to thermal oil was found as 23.71%, 16.56%, 13.17%, and 7.81% of the total waste heat produced by the heat sources, and also 8.24%, 9.80%, 11.55%, and 12.93% of the net power output produced by the main engine can be recovered for 25%, 50%, 76%, and 100% maximum continuous rating (MCR), respectively.     

烧结环冷机余热电站运行特性研究

提高吨烧结矿余热发电量是环冷机余热电站优化设计与运行的目标。以唐钢炼铁厂北区烧结环冷机余热电站为例,通过建立以质能平衡为基础的热力计算模型和以发电净功率为目标函数的优化调度模型,研究了发电净功率随热废气温度和主蒸汽压力等参数的变化规律。统计分析了吨烧结矿发电运行指标的变化规律,确定了环冷机余热电站吨烧结矿发电指标的选择范围。其研究结果可为烧结环冷机余热电站运行参数调整和装机容量选择提供参考依据。     

Effect of working fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery

This study presents an analysis of the performance of organic Rankine cycle (ORC) subjected to the influence of working fluids. The effects of various working fluids on the thermal efficiency and on the total heat-recovery efficiency have been investigated. It is found that the presence of hydrogen bond in certain molecules such as water, ammonia, and ethanol may result in wet fluid conditions due to larger vaporizing enthalpy, and is regarded as inappropriate for ORC systems. The calculated results reveal that the thermal efficiency for various working fluids is a weak function of the critical temperature. The maximum value of the total heat-recovery efficiency occurs at the appropriate evaporating temperature between the inlet temperature of waste heat and the condensing temperature. In addition, the maximum value of total heat-recovery efficiency increases with the increase of the inlet temperature of the waste heat source and decreases it by using working fluids having lower critical temperature. Analytical results using a constant waste heat temperature or based on thermal efficiency may result in considerable deviation of system design relative to the varying temperature conditions of the actual waste heat recovery and is regarded as inappropriate.     

亚临界有机朗肯循环系统的热经济分析与优化

以系统发电成本(electricity production cost,EPC)为评价指标,对用于回收工业锅炉烟气余热的有机朗肯循环(ORC)系统进行了热经济分析与优化。结果表明,随着蒸发器和冷凝器节点温差的增大,系统发电成本先减小、再增大,即存在一组最优的蒸发器和冷凝器节点温差使发电成本最小。分别以纯工质R245fa和R236ea、非共沸混合工质R141b/RC318和乙烷/丁烷为循环工质,得到了最小发电成本时有机朗肯循环系统的最优工作参数,以及对应的系统净输出功、热效率和火用效率。     

一种新型水泥工业余热与生物质能互补发电系统

本文提出一种新型水泥工业余热与生物质能互补发电系统,该系统采用水泥窑低温余热和生物质补燃有机结合的方式大幅提高水泥窑余热发电蒸汽参数与系统效率。来自水泥生产线窑头和窑尾的低温余热烟气全部用来加热工质水产生饱和蒸汽,饱和蒸汽进入生物质补燃系统中进行过热后送入汽轮发电机组中做功发电,补燃燃料为生物质气化燃气。本研究建立了单压和双压2种互补发电系统,分析了其热力学性能,结果表明:单压互补发电系统与传统单压纯低温发电系统相比,系统循环热效率和系统发电效率分别提高了1.63和1.92个百分点。双压互补发电系统与传统双压纯低温发电系统相比,系统循环热效率和系统发电效率分别提高了1.05和1.53个百分点。     

有机朗肯循环与再热式循环低温热源发电系统热力性能研究

针对120℃以下的低温余热热源,探讨了基本有机郎肯循环发电系统和再热式有机朗肯循环发电系统模型的基本原理.从热力学第一定律角度出发,研究了纯工质R245fa和非共沸混合工质R21/R245fa在基本有机郎肯循环系统中,以及纯工质R245fa在再热式有机郎肯循环系统中,三种形式的有机郎肯循环系统热力性能随蒸发温度的变化情况.与纯工质基本有机郎肯循环系统相比,再热式有机郎肯循环最大可提高系统净输出功7.08％,而混合工质对提高整个系统热力性能具有较大的优势,净输出功和热效率最大可提高4.67％和2.91％.     

有机工质低温余热发电系统多目标优化设计

针对现有有机朗肯循环单目标优化设计的局限性,从热力性、经济性等多方面对有机工质低温余热发电系统进行多目标优化设计.以系统效率最大和总投资费用最小为目标函数,选取透平进口温度、透平进口压力、余热锅炉节点温差、接近点温差和冷凝器端差等5个关键热力参数作为决策变量,利用非支配解排序遗传算法(NSGA-II)分别对采用R123、R245fa和异丁烷的有机工质余热发电系统进行多目标优化,获得不同工质的多目标优化的最优解集(Pareto最优前沿),并采用理想点辅助法从最优解集中选择出最优解及相应的系统最佳热力参数组合.结果表明:在给定余热条件下,从热力性能和经济性两方面考虑,R245fa是最优的有机工质,从多目标优化的最优解集中选择出的最佳效率为10.37%,最小总投资费用为455.84万元.