有机工质低温余热发电系统理论分析

针对水泥、钢铁及冶金等工业生产过程中产生的150~350℃左右的废气余热,采用有机工质并结合螺杆膨胀机进行余热发电系统理论计算,通过分析比较可知:对于水泥工业生产过程中产生的350℃左右废气余热,适宜采用目前常规的以水为工质的汽轮机余热发电系统;对于有机工质,目前适宜采用低过热度汽轮机余热发电系统;对于150~250℃左右废气余热,有机工质余热发电系统更具优势,其中针对不同温度范围,最佳工质不同:废气温度250℃左右时,戊烷较好;废气温度150℃左右时,考虑工质环保安全等因素,R245fa较好。     

有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化运行模式及工质选择

针对水资源短缺及能源浪费两大问题,对有机朗肯循环(ORC)耦合反渗透(RO)海水淡化的复合系统进行优化设计,利用膨胀机驱动高压泵,海水吸收冷凝器中有机工质的热量,进而提高海水淡化的回收率。并采用热力学分析方法分析了纯工质、混合工质组分比例、海水进水温度、进水流量变化对循环性能的影响。结果表明:在系统相同吸热量、工质和海水环境温度下,以R245fa为例,经过冷凝器预热后的淡水产量比不经过冷凝器预热的淡水产量提高80%以上;混合工质由于存在温度滑移,淡水产量均大于其相应的纯工质,其中R134a/R245fa(0.5/0.5)产水量最佳,在海水温度为12℃时比R245fa提高10.01%,在18℃时比R245fa提高25.04%;在系统运行方面,当高压泵进水温度小于40℃时,海水流量取决于高压泵的功率,当海水温度超过反渗透膜的工作温度时,需要打开系统的放水阀,通过原水泵增加冷凝器的海水流量,多余的水由放水阀排出,此时混合工质相对于纯工质的产水优势更为明显。     

闪蒸-双工质联合发电系统热力性能比较

为了筛选出适宜于闪蒸-双工质联合发电系统的循环工质,建立了闪蒸-双工质联合发电系统的热力学模型。在这个计算模型中,采用热水温度范围为100~150℃,热水流量取为36t/h,冷却水进口温度设定为15℃。以单位热水净发电量、热效率、?效率和系统不可逆损失作为联合系统性能的评价指标,研究5种有机工质(R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a)的运行参数,比较不同地热流体温度条件下这5种有机工质的做功能力,确立了联合发电系统的最佳循环工质。研究结果表明:联合系统的净发电量随着闪蒸温度的增加呈先增大后减小的趋势,每种工质都有一个最佳的闪蒸温度使得联合系统的单位热水净发电量达到最大;综合考虑这5种工质的环保性能和热力学性能,工质R245fa是综合性能最好的工质,可作为闪蒸-双工质联合发电系统的有机工质。     

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。     

非共沸混合工质ORC低温烟气余热利用分析与优化

以低温烟气余热的优化利用为目标,采用R245fa、R601a以及两者作为组分的9种不同质量配比的二元非共沸混合物共11种物质作为亚临界ORC工质,利用热力学以及热经济学分析循环性能,合理设计ORC系统并优化相关参数。研究表明,采用最大效率下的参数作为系统设计工况整个ORC系统热力性能较优。系统设计工况下,循环工质采用R245fa/R601a(0.6/0.4)相比其他纯工质与混合工质的热力学综合性能更优。热经济性分析中R245fa/R601a(0.9/0.1)热经济性最优,但R245fa/R601a(0.6/0.4)热经济性与R245fa/R601a(0.9/0.1)相差无几。考虑到R245fa/R601a(0.6/0.4)优良的热力学性能,故R245fa/R601a(0.6/0.4)依然是系统设计时综合考虑采用的循环工质。在混合工质中提高R245fa的质量比能降低APR与LEC,提高系统经济性。     

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%。     

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%。     

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%。     

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%。     

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.     

用于能量回收的有机朗肯循环混合工质研究

近年来随着低温余热的利用越来越受到重视,将LNG冷能和低温余热联合应用的有机朗肯循环研究也受到了广泛的关注,其中循环工质的选择更是提高系统热力性能的关键。针对循环工质选择的问题,将R236ea、R245fa以及两者按不同质量分数配比得到的9种混合工质作为亚临界ORC工质,结合窄点分析方法计算了系统在2种最佳设计工况下的热力学性能及热经济性。结果表明:混合工质R236ea/R245fa(0.9/0.1)和R236ea/R245fa(0.8/0.2)分别是以最佳热和冷回收效率为设计工况标准时的最佳循环工质;2种工况下,混合工质的热经济性均优于纯工质;在混合工质中提高R236ea的比例可以有效降低换热面积,提高系统经济性。为日后将低温余热和LNG冷能联合应用的有机朗肯循环二元混合工质选择提供一定的参考。     

干热岩发电技术模拟研究与性能分析

应用Aspen Hysys流程模拟软件进行发电系统建模与模拟,并完成细分温度等级下有机朗肯循环发电(ORC)工质筛选和不同发电技术的优化及性能分析。研究显示,在干热岩的预估采出温度下,R245fa综合性能最佳。在120～160℃,3000 k Pa的热源条件下,对于系统净发电功率有:闪蒸-ORC联合方式ORC双级闪蒸单级闪蒸。而180～200℃时,ORC发电模式的净发电功率最大。     

内置换热器的不同工质ORC系统的综合评价分析

将换热器置于有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统,并结合不同工质对ORC性能进行研究。论文基于热效率、 效率、经济性能指标和热回收效率建立目标函数,通过线性加权法提出了一种新的综合评价指标,以此对加入内部换热器(IHE)的不同工质的ORC系统进行评价和分析,尤其是着重对工质为R123系统进行了分析。由于加入内部换热器后,经过膨胀机的较高温气体与经过循环泵的较低温气体换热,可知该系统可以降低预热工质所需能量的损耗,并通过分析改变蒸发冷凝温度使整个系统的综合性能得到了提高。     

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。     

一种新型的太阳能驱动ORC-HP热电联产耦合系统

提出了一种新型太阳能平板集热器、有机朗肯循环和热泵循环联合的热电联产系统(SORC-HP),系统分别采用有机工质R245fa和制冷剂R22作为朗肯循环和热泵循环的工作介质。通过流程模拟软件gPROMS对整个联合系统进行模拟仿真,以系统的净功率输出、发电效率和热电联产(CHP)效率为性能指标,分析了6个关键参数对联合系统性能的影响。结果显示:存在最优的导热油流率和制冷剂冷凝温度使系统的CHP效率取得极值。将此系统与传统的太阳能有机朗肯循环系统进行对比,结果表明在太阳辐射度为1000W/m2时,联合系统的CHP效率比普通太阳能ORC系统高3.7%。     

30kW微型燃气轮机余热利用设计研究

以30 kW微型燃气轮机(简称"微燃机")为基础,开展了烟气余热的变工况性能参数研究,并针对烟气余热温度变化规律,对比了几种常用有机工质的性能,选取适宜的工质计算了烟气余热用于有机工质发电的系统总效率。结果表明:(1)30 kW微燃机输出功率3~30 kW时烟气温度在129~250℃变化,烟气余热量在31.24~84.77 kW变化,烟气热量?在278.42~139.95 kJ/kg变化。(2)30 kW微燃机烟气余热采用R245fa为介质发电可将系统总效率提高5.52%~3.43%。     

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。     

基于多目标函数的亚临界有机朗肯循环的参数优化和性能分析

以系统净输出功率W_net、热源流体进出口(火用)降DE_g、系统总不可逆损失I和系统总投资成本C₂₀₁₃构建多目标优化模型,采用线性加权评价函数法对该模型进行求解,以R600a、R245fa、R601a、Pentane 4种纯工质以及R600a/R601a、R245fa/R601a、R245fa/Pentane和R600a/R245fa 4种非共沸混合工质为例,对亚临界有机朗肯循环（ORC）的蒸发温度T_e和冷凝温度T_c进行优化。研究结果表明：采用单目标有时得不到最优值,而采用多目标均能得到最优值,且多目标优化可以较好地协调各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优,因此多目标优化比单目标优化更加合理;存在最优蒸发温度T_e,opt和最优冷凝温度T_c,opt使多目标函数F（X）最小,同时,T_e,opt、T_c,opt随工质不同而不同;在T_e,opt或T_c,opt下,对比纯工质和混合工质的不同单目标函数值和F（X）值时,混合工质并不总是优于纯工质。     

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。     

基于分液冷凝的R245fa/pentane混合工质朗肯循环多目标优化

有机朗肯循环（ORC）是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算法对基本ORC（BORC）,气液分离-双级蒸发ORC（DSORC）,串联双级蒸发ORC（STORC）和分液冷凝-双级蒸发ORC（TLORC）四种系统的净输出功和比成本（SIC）进行优化对比。优化结果表明：在BORC系统中,多维偏好线性规划法（LINMAP）优化得出的点表明非共沸工质的净输出功分别要比纯R245fa和纯pentane高5.6%和14.0%。在DSORC系统中,LINMAP点表明非共沸工质的净输出功要比R245fa和pentane分别高1.2%和6.3%;在所研究的四种系统中,Pareto Front表明TLORC系统SIC最低,比BORC系统低5.4%,同时净输出功比BORC系统高4.86%。