工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响

搭建了以自行研发的向心透平为膨胀机的ORC低温余热发电系统实验平台,研究了R123质量流量对循环系统的性能影响。结果表明:液压隔膜泵的温升和熵增均较小,所消耗的功率随流量的增加而增加。工质在蒸发器内的压降明显大于冷凝器内的压降,均随流量的增加而增加;向心透平的等熵效率随质量流量的增加先增加后减小,存在最佳流量0.215 kg·s^-1使透平等熵效率达到最大值0.775;系统输出的电功率随流量的增加而增加,流量为0.283 kg·s^-1时输出系统最大功率为2.009 kW;蒸发器的(火用)损率占系统总(火用)损率的比重最大,冷凝器次之,向心透平第三,在本实验最佳质量流量下,三者的(火用)损率分别为62%、32%、6%。     

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。     

有机朗肯循环发电系统变工况运行的实验研究

受余热热源及环境温度不稳定特性的制约,有机朗肯循环（ORC）发电系统在实际应用中需要有较强的变工况能力。本文以R245fa为工质,实验研究了在不同冷热源温度时,ORC系统在相同负载容量及膨胀机转速下的变工况运行特性及各部件实际性能。实验结果表明：热源温度主要决定了膨胀机的入口温度及过热度。随着热源温度的降低,膨胀机内部泄漏量变大,其等熵效率变低,单位质量工质做功能力变差,维持膨胀机做功状态的工质质量流量增加。由于工质在蒸发器内整体吸热量变小,系统发电效率随热源温度的降低而升高。在10℃冷源温度下,热源温度从115℃下降至100℃,机组的最大发电效率从5.03%升高至5.25%。改变冷源温度,主要作用于膨胀机的进出口压力,改变了膨胀机的做功状态。降低冷源温度,膨胀机压比升高,单位质量工质做功能力变强,维持膨胀机做功状态的工质质量流量减小。但由于膨胀机过膨胀运行带来的不可逆损失增加,膨胀机的等熵效率随冷源温度降低而减小。在115℃热源温度下,冷源温度从30℃下降至10℃,系统最大发电效率从6.08%升高至7.01%。     

有机工质向心透平变工况特性的数值模拟与极差分析

以R245fa为工质设计向心透平,采用CFD方法对向心透平性能进行全流域三维模拟研究,考察了入口温度、转子转速和膨胀比(进出口压力比)对向心透平工况特性的影响,对主要影响因素进行极差分析。结果表明,向心透平工作转速为设计转速的80%~100%时,输出功率和等熵效率波动较小,工作转速高于设计值时透平性能迅速下降。随入口温度升高,透平输出功率与等熵效率增大;随膨胀比增大,透平输出功率线性增加。透平存在最佳膨胀比使等熵效率最大,且实际运行压比大于最佳膨胀比时,透平等熵效率变化较小。出口压力对向心透平输出功率影响最大,温度的影响最小;转子转速对等熵效率影响最大,入口压力的影响最小。     

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。     

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。     

双压膨胀有机朗肯循环中低温余热发电系统的热力性能

基于热力学第一定律与第二定律分析法,结合动量定理与质量守恒定律构建一种双压膨胀有机朗肯循环（ORC）中低温余热发电系统热力性能的预测模型,研究热源温度、蒸发温度、夹点温差、闪蒸压力、循环倍率、喷射压缩器引射流体在混合室进口的马赫数、工质泵、向心透平及螺杆膨胀机的等熵效率对系统的净输出功率、热效率、余热利用率及(火用)效率等热力性能的影响。结果表明,系统的净输出功率与(火用)效率随着热源温度、蒸发温度、循环倍率及透平等熵效率的增大而升高,但随着夹点温差、闪蒸压力的增大而降低;系统的热效率随着蒸发温度、闪蒸压力及透平等熵效率的增大而升高;系统的余热利用率随着热源温度、循环倍率的增大而升高,但随着蒸发温度、夹点温差、闪蒸压力的增大而降低。当循环倍率k=2时系统的净输出功率、(火用)效率及余热利用率分别比常规单级ORC系统绝对提高了230.9kW、10.1%和17.9%。     

CO2及其混合工质双级回热朗肯循环

利用热力学仿真的方法建立双级回热朗肯循环系统模型，研究CO₂及其与R134a、R143a和R1234ze 3种有机工质组成的混合物在循环系统下的热效率和■效率。结果表明：当循环系统采用CO₂与R143a按3∶7摩尔比混合产生的混合物做循环工质时，系统热效率和■效率达到最高。相较CO₂工质循环，热效率提高了2.21%，■效率提高了5.17%；当循环系统采用混合工质时，热效率随着泵入口温度的减小而升高，随着膨胀机入口温度的增大而升高。当高温、低温循环系统的泵入口温度为23℃、高温循环系统膨胀机入口温度为303℃时，热效率最高；系统的■效率随着分流比的增大而升高，当分流比为0.64时，■效率达到最大为56.24%。     

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。     

冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

利用搭建的ORC余热发电测试系统,实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明:当热源温度不变时,随着冷却水温度的升高,冷凝压力增加,蒸发压力稍有增加,冷凝器和蒸发器的负荷减小,膨胀机的压差和压比减小,系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内,当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时,输出电功从2.357 k W降至1.535 k W,热效率从7.25%降至5.76%,输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内,冷却水温度每升高1℃,系统输出电功降低0.0411 k W和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响,为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。     

太阳能有机朗肯循环系统的实验特性

为研究中低温太阳能驱动的有机朗肯循环系统的性能,设计并建造了太阳能驱动的有机朗肯循环实验台.实验中以R245fa为有机朗肯循环工质,以WD350导热油为槽式集热器循环工质,对太阳能有机朗肯循环系统进行了实验研究.实验结果表明,当太阳直射辐射强度在400 W·m^-2左右时,集热器出口导热油温度可达 140℃.当集热器出口导热油温度在 110℃附近时,集热器集热效率可达60%左右.在该热源条件下,动力循环部分从基本循环模式切换到回热循环模式时,测算效率从9.3%提升到10.8%,实测循环效率从1.57%提升到1.67%,提升了6.07%.实测循环系统 效率在10%左右,回热模式下略高于基本循环模式.实验中还考察了不同工质流量下的有机朗肯循环性能,在工质流量为 6.88 kg·min^-1时,得到的最大实测平均功率为386.27 W.一定热源温度下,随着工质流量的增加,膨胀机进口压力增加,循环输出功也增加;在一定的工质流量下,随着热源温度的升高,膨胀机进口的温度提高,进口压力也升高,循环输出功也增加.     

中低温超临界CO2及其混合工质布雷顿循环热力学分析

基于热力学第一定律对超临界CO₂混合工质再压缩布雷顿循环进行了热力学分析,重点讨论了在中低温热源下(200~400℃)加入气体种类及比例、透平入口温度、透平入口压力、分流比、主压缩机入口温度对循环热力学性能的影响。结果表明：加入0~10%的丙烷、新戊烷、异丁烷、正丁烷均能够提高循环效率,改善循环系统的热力学性能。在透平入口温度低于260℃时,加入乙烷的循环热效率低于单一工质CO₂。随着混合比例、透平入口温度和压力、分流比的增加,系统循环效率也随之提高。主压缩机入口温度增加,循环效率反而下降。     

有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究

针对孤网环境下有机郎肯(ORC)系统的实际应用,以R245fa为工质,采用单螺杆膨胀机与同步发电机同轴联动,设计集成了一台10k W级的小型ORC机组,并以10.5k W的卤素灯阵作为孤网负载,就地消耗机组输出的电能。实验中在115℃热源条件下通过调整负载容量改变ORC系统的运行工况,对不同负载与膨胀机转速下ORC系统性能进行实验研究。实验数据表明:单螺杆膨胀机的性能较为优良,其等熵效率最大值为84.1%,随负载及膨胀机转速的增加而减小。工质泵的实际运行效率为8.31%~19.10%,其等熵效率随负载及转速增大而变大,最大值为73.97%。工质泵的机械效率较低,仅为19.22%~36.82%,与负载及膨胀机转速之间没有明显关系,较低的机械效率是工质泵实际运行效率偏低的主要原因。机组电功随负载及膨胀机转速的增加而增大,最大发电量与发电效率分别为5.86k W与7.38%。     

夹点对超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环性能的影响

研究了超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO2)布雷顿再压缩循环回热器的夹点问题,分析了换热器夹点对SCO2布雷顿再压缩循环热效率、净输出功、不可逆损失和?效率等性能的影响,阐述了膨胀机进口温度和循环压比对SCO2布雷顿再压缩循环的影响,并比较了再压缩循环和简单回热循环的性能。结果表明:夹点的位置随着分流比的增大,先出现在低温回热器低温侧的出口,然后出现在低温回热器内部,最后出现在低温回热器低温侧进口;在给定的初始条件下,分流比存在最小值,随着分流比的增大,循环的热效率和?效率先增大后减小;分流比对加热器、低温回热器、冷却器和高温回热器的?损失有较大影响;压比的增大和膨胀机进口温度的升高都会使再压缩循环最小分流比减小;在一定分流比下,再压缩循环的热效率比简单回热循环要高。     

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%。     

冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

利用搭建的ORC余热发电测试系统,实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明：当热源温度不变时,随着冷却水温度的升高,冷凝压力增加,蒸发压力稍有增加,冷凝器和蒸发器的负荷减小,膨胀机的压差和压比减小,系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内,当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时,输出电功从2.357 kW降至1.535 kW,热效率从7.25%降至5.76%,输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内,冷却水温度每升高1℃,系统输出电功降低0.0411 kW和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响,为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。     

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?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,?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。     

基于实验误差修正模型的闪蒸-双工质联合地热发电系统分析

建立了闪蒸与双工质地热发电模型，以单位热水发电量最大化为优化目标，利用遗传算法对不同热源温度下的闪蒸压力、蒸发温度和冷凝压力等参数进行优化；并搭建闪蒸-双工质实验装置，测试了在100～150℃热源条件下发电系统在稳定运行工况下的流量、温度、压力和输出功率等参数，并利用测试数据对模型进行修正。结果表明，温度越高，闪蒸-双工质联合地热发电的单位热水发电量的增加量越大，系统适应高温热源的指标越好；误差修正模型ECM2和实验数据具有较好的吻合性，其闪蒸压力P₁₀、蒸发压力P₅和单位热水发电量Ne相对误差均不超过5%；对联合发电系统进行稳定性分析，表明当负载功率小于输出功率55%时系统的输出功率变化较大，当负载功率大于或等于输出功率时系统的输出功率保持不变。另外，对联合发电系统的各项?损分析表明，较低的等熵效率导致膨胀机?损占比最大，还可以进一步考虑优化冷凝器。得到的相关结论可以为我国西部地区中高温地热资源的开发和利用提供指导建议。     

热水解过程中污泥有机物的变化规律

开展了不同工艺条件的热水解预处理对污泥有机物溶出规律的影响研究。结果表明,预脱水污泥经过热水解处理后,可溶性化学需氧量（SCOD）、可溶性蛋白和氨氮等指标的含量明显升高,在200℃/40min条件下,均达到最大值,分别为33895mg/L、19285mg/L和2228mg/L;可溶性多糖含量随反应温度的升高呈现先增后减的趋势,在170℃/40min条件下达到最大值3724mg/L;此时,可溶性蛋白与多糖之和在SCOD中的占比达到71.5%;在190℃/40min条件下,挥发性脂肪酸（VFAs）含量达到最大,相比预脱水污泥提升了300%。热水解有效改善了污泥厌氧消化效性。