低温余热回收的有机朗肯循环模拟与优化

能源与环境是人类可持续发展所面临的重要问题.提高能源利用效率已经成为解决能源危机和全球气候变化的重要手段.在炼化企业中,大量的低温余热通过冷却公用工程直接排放到环境中,从而导致大量的余热浪费.如果将这部分余热加以回收利用,则将会显著提高整个系统的效率,并且减少温室气体排放.分别采用R245fa和异丁烷作为循环工质,利用...     

工质泵变运行工况对有机朗肯循环系统性能的影响

有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）系统凭借其优越的性能已被应用于众多领域。工质泵是为ORC系统提供所需压力和流量的主要部件，其性能直接影响了其他部件性能及系统整体性能。本文通过理论计算分析了不同热力参数对单位质量流量工质泵输入功率及泵功指数的影响情况。进而以R245fa作为工质在冷凝温度为303K的模拟ORC系统工作条件下展开实验研究，分析变运行工况下两种不同类型工质泵（多级离心泵、液压隔膜计量泵）的运行参数变化规律及相互影响因素。进而探究工质泵变运行参数对ORC系统性能的影响。实验结果表明：液压隔膜计量泵的流量较低且受出口压力的影响较小，其输入功率最高仅为360.34 W，相同工况下仅是多级离心泵输入功率的16.29%。两者的实际运行效率随运行工况的变化而改变，最高分别可达59.96%、55.26%。结合理论计算，使用这两个泵的ORC系统泵功指数均在0.03～0.48范围内变化，热效率最高分别可达11.66%、10.35%。液压隔膜计量泵更适合于所需流量较低的ORC系统。     

车用柴油机余热回收有机朗肯循环系统方案热经济性对比分析

为实现对车用柴油机余热能量的充分回收,针对简单有机朗肯循环系统和双有机朗肯循环系统进行对比分析研究。根据某车用六缸柴油机的台架试验结果,在研究其变工况下余热特性的基础上,建立两种有机朗肯循环系统的热力学模型和经济模型,并对两个系统的热经济性进行了对比分析。结果表明：在柴油机整个工况范围内,双有机朗肯循环系统的净输出功率、功率提升率和有效燃油消耗率改善度均优于简单有机朗肯循环系统,最大值分别为24.38 kW、8.71%和8.01%;双有机朗肯循环系统的单位能量产出成本为0.8089 CNY·（kW·h）^-1,比简单有机朗肯循环系统低19.26%。     

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。     

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%。     

有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择

目前对有机朗肯循环的研究主要集中在工质的热力学特性方面,但尚不全面,普遍使用的热力循环性能的评价方法（窄点分析法）也存在不同工质评价标准不一的问题。为解决这两个问题,本文从环保、安全和稳定性方面对工质进行预选,得到R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123和苯等14种有机工质,而后从热力学特性和经济性两方面对初选工质进行优选,通过Matlab和Refprop模拟优化得出适合此系统的最佳工质。其中,以单位功量UA和单位功量质量流量为性能指标,统一了工质评价标准。结果表明：大部分烷类工质的热效率和压比相对其他类工质较高,而所需质量流量远小于其他类工质,且烷类工质环己烷以其较高的热效率、较低的单位功量质量流量和UA等特性,被认为是低温余热回收系统中较理想的循环工质。     

不同余热情况下有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能对比

有机朗肯循环和卡琳娜循环都是发展前景广阔的低温余热动力利用技术,这两种技术在余热利用方面各有其优势和劣势。在炼厂中,余热资源分布广泛,针对不同余热热源选择合适的动力循环系统对能量的有效利用具有实际意义。热效率和(火用)效率是评价动力循环系统的两个重要指标。通过将余热资源分成3类,即显热热源、复合热源和潜热热源,用Aspen Hysys软件对有机朗肯循环和卡琳娜循环进行流程模拟,考察了余热资源特性对有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能的影响。结果表明当余热为显热热源时,卡琳娜循环系统优于有机朗肯循环;当余热为复合热源且潜热与显热比R=1或当余热为潜热热源时,有机朗肯循环优于卡琳娜循环。     

硫酸生产余热的有机朗肯循环系统优化

由于目前有机朗肯循环的效率普遍较低,在基本循环的基础上增加回热器,使膨胀机出口的乏气与蒸发器入口的工质进行预热,可以回收部分乏气的热量,减少冷凝器负荷量。此外,还可提升进入蒸发器的工质温度,降低蒸发负荷量。加装回热器后,整个系统的绝对热效率和相对热效率均得到了显著的提高。     

变温热源的有机朗肯循环性能分析

研究用于变温热源(烟气余热)动力回收的有机朗肯循环。考察了6种候选有机物工质和不同循环形式(如有无过热、有无回热)。系统净功、热效率、效率作为热力学指标,换热总能效(U_A),透平尺寸因数(S_P),透平等熵容积流速比(V_(FR))可大概反映系统尺寸和造价,作为技术经济性指标。采用Matlab编程,以最大净功为目标对循环进行了热力学优化和分析,并对最大净功下系统的经济性做了初步分析。结果表明:采用回热的循环输出更高净功。苯的简单循环输出最大净功,137.14 k W;庚烷的回热循环输出最大净功,156.71 k W。从技术经济性分析,在最大净输出功下,回热循环U_A和V_(FR)更小,SP差别不大。     

变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系统

为回收车用柴油机的排气余热设计了一套带回热器有机朗肯循环系统,采用纯工质R245fa作为工作介质。通过实验研究了车用柴油机变工况下排气余热的变化规律,分析了不同工况下带回热器有机朗肯循环系统的运行性能,讨论了过热度对带回热器有机朗肯循环系统运行性能的影响。针对车用柴油机-有机朗肯循环联合系统提出了余热回收效率、发动机热效率提升率、单位工质输出能量密度3个评价指标。研究表明,带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、余热回收效率、发动机热效率提升率最大分别可以达到43.74 k W、14.93%、13.58%。     

基于粒子群算法的车用柴油机有机朗肯循环系统运行参数优化

为了有效回收柴油机排气余热能,通过实验研究了一台车用柴油机排气能量变化规律,进而设计有机朗肯循环(ORC)系统回收该柴油机的排气余热能,并基于粒子群算法,以净输出功率和(火用)效率为目标函数,选取蒸发压力、过热度和膨胀机膨胀比为优化变量,对ORC系统的运行参数进行了优化研究。优化结果表明,在柴油机不同运行工况条件下,存在最佳的蒸发压力、过热度和膨胀机膨胀比,从而使ORC系统的净输出功率和(火用)效率最优。根据运行参数优化结果,分析了ORC系统和车用柴油机-ORC联合系统(联合系统)的性能。研究结果表明,当柴油机转速为2200 r·min^-1,转矩为1215 N·m时,ORC系统的净输出功率可达30.61 kW,联合系统的有效输出功提升率(POIR)可达9.86%;当柴油机转速为1200 r·min^-1,转矩为1131 N·m时,联合系统的有效燃油消耗率(BSFC)为175.0 g·(kW·h)^-1。     

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。     

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。     

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%。     

冷凝条件对基于混合工质的内燃机余热有机朗肯循环热力性能的影响

利用建立的内燃机余热有机朗肯循环模型,选取R245fa分别与环己烷、环戊烷组成非共沸混合工质,对3种冷凝条件下的有机朗肯循环进行热力学分析,研究了冷凝条件对非共沸混合工质有机朗肯循环性能的影响规律,提出了确定混合工质冷凝温度的方法。结果表明：冷凝条件是影响系统性能的重要因素,在定泡点冷凝温度工况下,纯工质的热力性能优于混合工质的热力性能;在定露点冷凝温度工况下,配比合适的混合工质的热力性能优于纯工质的热力性能。混合工质的冷凝温度应根据冷却介质进出口温度、混合工质的温度滑移和传热窄点温差进行优化;当冷却介质的温升小于混合工质的最大温度滑移时,随着R245质量分数的增加,系统输出净功出现两个极大值,但输出净功最大值出现在热力性能较优工质所占比例大的质量分数点;当冷却介质温升大于混合工质的最大温度滑移时,输出净功最大值出现在温度滑移最大的混合工质质量分数点。     

有机朗肯循环热电联供系统的实验研究

有机朗肯循环低温热力循环性能优越,易于小型化和自动运行,非常适合于分布式热电联供系统。依托已有的ORC-CHP实验平台,对热源温度101℃,膨胀机乏汽余热利用温度21.6～48.7℃时系统的热力性能进行了实验研究。在该温度范围内,ORC-CHP系统的综合能量效率96%～97%,其中热功转换效率4.4%～5.1%,乏汽余热利用效率91%～92%;从可用能角度出发,系统综合可用能效率50.0%～75.3%,其中热功可用能效率24.4%～19.2%,乏汽余热可用能效率25.7%～56.2%。实验表明该系统可以高效利用膨胀机乏汽余热,明显提高了有机朗肯循环的综合利用效率。     

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%。