低温烟气有机郎肯循环系统热力性能与经济性的对比分析

以工业低温烟气余热有机朗肯循环(ORC)发电系统为研究对象,选取了两组共4种工质,基于热源参数分别对系统热力性能及经济性指标进行计算,分析不同工质系统的热经济性与经济性指标的变化,对4种工质的热力性能指标、经济性指标以及最佳工况进行对比分析。结果表明,同组工质的净功量和热耗率变化相似且数值接近,但电力生产成本和投资回收期差别较大。同一工质的最佳热经济性工况和最佳经济性工况存在差异,在本文条件下,工质最佳经济性工况下的蒸发温度高于最佳热经济性工况下的蒸发温度约8~10℃。R600a为所选4种工质中兼顾经济性与热经济性的最佳工质,采用R236ea的系统热力性能好于R600,而采用R600的系统电力生产成本始终低于R236ea,R600相比于R236ea具有明显的经济性优势。     

闭式热源下混合工质与纯工质的ORC性能比较

为了全面比较有机朗肯循环(ORC)中混合工质与纯工质的性能优劣,在给定供热量及进出口温度的闭式热源条件下,建立了基本ORC和回热ORC的数值仿真模型,所用工质为R600a/R601a,所用冷源为一定流量范围的冷却水。在模拟中,以最大净输出功为目标,同步优化循环的蒸发及冷凝温度,得到了不同组分工质的性能参数。比较结果表明,混合工质的热力性能不一定优于纯工质。在闭式热源下,相变换热器中具有更好温度匹配的混合工质一般也具有更小的换热损失。针对回热ORC,回热器将影响工质在相变换热器中的温度分布,但对相变换热器中的损失影响较小。     

中低温热源近共沸工质有机朗肯循环热力性能分析

通过对比分析纯工质和近共沸工质有机朗肯循环(ORC)的热力性能,探讨了近共沸工质在有机朗肯循环中的适用性.以200℃烟气为热源,基于热力学理论,选用R601、R123及其混合物分别建立了有机朗肯循环热力模型.分析了不同热源工况下R601、R123和R601/R123循环的主要热力参数及热力性能.结果表明:质量配比分别为1:9、2:8、3:7时的R601/R123循环,其蒸发温度高于R123和R601循环;R601/R123循环的蒸发压力介于R123和R601循环之间;蒸发温度低于130℃时,R123循环的净功率最高,而蒸发温度高于130℃后,R601/R123循环的净功率高于R123循环,其中质量配比为2:8的R601/R123循环的净功率最高,比R123循环提高了约2.82％.因此,采用近共沸工质可以进一步提高有机朗肯循环的热力性能,扩大适用工质的选择范围.     

基于单螺杆膨胀机有机朗肯循环有无回热系统性能分析

有机朗肯循环（ORC）是实现中低温热源发电利用的有效技术，膨胀机是系统热功转换核心部件，其性能表现直接制约系统整体性能。本文设计搭建单螺杆膨胀机回热式有机朗肯循环发电系统，R245fa为系统工质，实验分析恒定冷热源参数下回热式和无回热两类系统和膨胀机主要性能参数的变化规律。实验结果表明：两类系统效率随着膨胀机转矩和转速的增加而增大，膨胀机转矩和转速相同时回热式系统效率较大，当膨胀机转速为1300r/min，回热式系统最大效率为7.20%，比无回热系统效率增加了11.9%；由于回热器利用膨胀机乏汽预热蒸发器入口的有机工质，因此回热式系统相对于无回热式系统的膨胀机入口过热度、等熵效率增加，膨胀比和蒸发器的换热量减小，工质在回热器中的压降是回热式系统膨胀比变小的主要因素。随着膨胀机转矩和转速增加，两类系统蒸发器吸热量和膨胀比增大，膨胀机等熵效率和入口过热度减小。     

基于ORC梯级换热的地热发电系统热力性能分析

提出了一种基于ORC梯级换热的地热发电系统。以地热能作为热源,选取R601/R236ea作为循环工质,在给定冷热源入口参数,以及给定的蒸发器和冷凝器最小换热温差下,以系统循环净功为目标函数,采用Matlab软件并调用REFPROP编制计算程序进行参数优化,与基本ORC发电系统进行比较。结果显示:在最优工况下,与基本ORC发电系统相比,基于ORC梯级换热发电系统可有效减小工质在换热过程中的换热温差,减少换热不可逆损失;同时降低热源排放温度,提高热源使用率;循环净功和(?)效率可提高12.09%。     

过热/过冷对内回热有机朗肯循环影响的热力学分析

内回热是简单有效提高有机朗肯循环（ORC）效率的基本方法。由于循环过程的改变,使循环的热力学规律发生了变化。以R245fa为工质,对回热器的回热过程和机理进行了深入分析,提出了基于对数传热温差的内回热器性能计算方法,并利用热力学分析方法,分析了过热温度、过冷温度对内回热有机朗肯循环（IHORC）性能的影响。研究结果发现,内回热减少了循环的蒸发负荷和冷凝负荷,提高了循环效率。随着过热温度的增加,循环效率和膨胀机输出功均几乎呈线性增加。根据循环过冷温度大小,过冷分为一般过冷和深度过冷两种情况：一般过冷时,随着过冷温度的增加,虽然回热器的换热量和换热效率逐渐升高,但是,循环效率逐渐降低,蒸发负荷、冷凝负荷逐渐增加;深度过冷时,循环效率、回热器换热量、回热器效率快速增加,蒸发负荷和冷凝负荷快速降低,回热器能量回收作用开始突显。一般过冷与深度过冷的临界点是回热器出口蒸气干度,当干度小于1时进入深度过冷状态。内回热过程的“回热量”受限于乏气工质的放热量,因此,内回热循环适用于蒸发冷凝温差大、过热和深度过冷工况。     

考虑环境影响的ORC系统综合评价指标及性能分析

为综合评价有机朗肯循环(ORC)系统的热经济和环保性能,采用(火用)参数量化工质的环境影响,提出了结合工质环境影响和循环热经济性能的综合评价指标"综合环境影响(火用)效率",在150℃的低温热源条件下,对考虑工质环境影响的亚临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环的系统性能进行了分析对比,结果表明,综合考虑循环热经济性能和工质环境影响因素时,R123和R32分别为亚临界有机朗肯循环系统和跨临界朗肯循环系统的最佳工质;跨临界ORC系统循环净输出功率要高于亚临界ORC系统,但是跨临界ORC系统较高的循环蒸发压力会引起工质泄漏量的增加,进而造成综合环境影响(火用)效率并不高,所以综合考虑环保和循环性能时,亚临界ORC系统是较好的选择.     

危废焚烧处理耦合有机朗肯循环系统工质筛选与热力学优化

危险废弃物焚烧处理产生的热量除了用于满足自身系统热量需求和损失外,其余大部分热量可以作为低温发电系统热源。利用该余热锅炉产生的饱和蒸汽作为潜热型热源驱动有机朗肯循环系统做功,并基于热力学和热经济学分析进行工质筛选。研究进一步对危废焚烧系统的基础流程进行优化,并分析了回热对ORC系统的热力学性能的影响。结果表明,工质Benzene表现最优,且危废系统优化后做功能力的提升,相较于基础结构增加了24.5%,回热后ORC系统净输出功提升了19.98%,热效率提升了35.57%,?效率提升了19.99%。     

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%。     

ORC工质选择的多级非结构性模糊决策分析

工质的选择是有机朗肯循环(ORC)系统优化中的关键问题之一。建立了基于多级非结构性模糊决策分析方法的ORC工质优选体系,根据影响因素的非结构性的特点建立三级模糊优选模型,综合考虑ORC系统的技术性能、经济性能和环保性能3方面因素的影响,并针对影响ORC工质优选的因素复杂、确定隶属函数主观因素较强的情况引入非结构性模糊决策法以确定其隶属度与权重。应用此模型对150℃热源条件下某ORC系统进行工质的优选,得到了不同评价级对应的优选工质序列。R123是对应三级评价准则下该ORC系统的最优工质,验证了多级非结构性模糊决策模型在ORC工质优选中的适用性。     

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。     

太阳能有机朗肯-闪蒸循环工质选择

近年来,太阳能低温热发电技术作为可再生能源领域的研究热点受到越来越多的关注。文章针对太阳能平板集热器驱动的有机朗肯-闪蒸循环（solar binary-flashing cycle,SBFC）,基于EES（engineering equation solver）软件建立数学模型,分析了7种制冷剂包括R601、R601a、R1233zd（E）、R600、R1234ze（Z）、R600a和R1234ze作为循环工质在SBFC系统中的应用潜力,并在系统净输出功最大的工况下,研究了集热器出口热水温度（80～100℃）对SBFC系统热力性能的影响规律。选用的性能指标参数有净输出功、热效率、第二定律效率、不可逆损失、换热器热导（UA,总传热系数与传热面积的乘积）和单位太阳能集热器面积净输出功。结果表明,在所研究的工况范围内,随着集热器出口热水温度的增大,SBFC系统的热力性能得到显著的提高,且工质的标准沸点温度越高,SBFC热力性能越好,其中R601具有较高的净输出功、热效率和第二定律效率,并且系统的不可逆损失较小,是一较理想的SBFC系统循环工质。     

调节传热窄点以提升有机朗肯循环性能的分析

依据热源温度与工质临界温度之间的关系,有机朗肯循环（ORC）的循环性能呈现有极值的优化工况或单调递增两种现象,并且后者优于前者。引起这种差异的主要原因是加热过程中传热窄点位置的不同,导致循环的加热量不同。由此,本文提出调节ORC中加热过程的传热窄点位置,以提高循环的加热量和净输出功。并构建一种喷射式有机朗肯循环（EORC）,研究证明如何实现加热过程的传热窄点位置调节以提高循环性能。此调节还增强了传热的匹配性,或降低了传热的不可逆性。结果表明：热源水温度100~160℃范围内,采用R245fa,EORC的最大净输出功比ORC提高了34.99%~22.57%。EORC中,热源水温度120℃下,混合工质R134a/R245fa（0.7∶0.3）的最大净输出功比纯工质R245fa和R134a分别提高了7.12%和9.45%。     

利用LNG冷能与工业余热的有机朗肯循环复合系统优化分析

对中低温余热（150℃）及LNG（-162℃）冷能联合利用,设计了一种复合式有机朗肯循环,对此复合循环系统进行了详细的热力分析及经济性分析,并与相对应的单独循环系统进行了比较。结果表明,该复合循环系统的净输出功比单独循环系统提高了41.55%,热效率和 效率也分别提高了18.09%和19%,单位功率所需换热面积也仅为单独循环系统的61.03%。对该复合循环系统各部件进行了可用能损失分析,同时考虑了LNG余压的利用,进一步提出了优化方案。     

高通量换热器用于低温发电系统的研究

针对高通量换热器用于有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）低温发电系统进行了理论研究,以芳烃装置二甲苯塔余热回收为实例,选取6种工质运用Aspen Plus模拟软件分析了普通光管蒸发器夹点温差对ORC系统的影响,并将使用高通量蒸发器时ORC系统的发电性能与使用普通蒸发器时进行了对比分析。结果表明：芳烃装置ORC发电系统蒸发器夹点温差越小,发电性能越好,但小于10℃后普通换热器面积急剧增大,成本升高,限制了ORC系统发电性能的提升。以最佳工质R601夹点温差12℃时作为基础工况,高通量蒸发器的总换热系数比普通蒸发器可增加26%以上,使用高通量蒸发器比普通蒸发器的换热面积减小21%,若换热面积保持不变,夹点温差可减小2.5℃,此时ORC系统的净输出功率可增加约49kW,R601流量减少1559kg/h,发电性能得到了提升。     

有机朗肯循环发电系统的多目标参数优化

建立以热回收率及单位输出功率所需换热面积为目标的多目标优化模型,利用模拟退火算法对循环采用R123、R236ea、R245fa、R227ea、R600等五种工质时的参数进行优化计算。结果表明:采用多目标优化模型可以协调各评价指标间的关系,更好地满足工程实际的需求;热源温度为140℃、循环采用R123时,最佳蒸发压力为0.69 MPa、冷凝压力为0.11 MPa,最佳蒸发压力随着冷凝压力的升高而增大;当管内流速超过0.5 m·s^-1时,流速对系统性能的影响较小。蒸发器内的最小传热温差为15℃。随着热源温度升高,循环的最佳蒸发压力增大。在分析的几种工质中,热源温度在100~220℃时,循环采用R123时性能最佳。     

亚临界有机朗肯循环系统工质筛选及热经济性分析

针对开口热源与闭口热源两种热源类型,选取423.15和463.15 K两种热源温度,模拟分析采用非共沸混合工质亚临界有机朗肯循环（ORC）热力学及热经济性特性。四种热经济性指标［平均化发电成本（LEC）、单位净输出功换热器面积（APR）、单位时间成本（Z）以及净输出功指标（NPI）］结果具有一致性,具有相同的抛物线形变化趋势。随着选取工质临界温度的升高,各热经济性指标发生规律性变化,其中由热力学筛选准则筛选的工质具有较高热经济性能,表明热力学筛选准则在热经济性方面同样具有较高的适用性。     

低温余热发电有机朗肯循环工质选择

为了筛选出适宜于363 K（90℃）左右余热驱动的有机朗肯循环发电系统的工质,文章提出十个优选工质的条件,并通过对十种低沸点有机工质的性能对比分析。结果表明,R141b最适宜作为此温度的余热回收工质,综合性能高于其他工质,文中通过计算证明,对于有机朗肯循环添加回热会大大提高系统效率。