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。     

螺杆膨胀机有机朗肯循环有机工质研究

从工程项目实际应用角度出发,根据螺杆膨胀机的特性提出了有机朗肯循环(ORC)有机工质的筛选准则。根据等熵理论建立了理论模型,对常推荐的9种有机工质,分别从压差、体积流量、内容积比等方面进行了对比研究。模拟结果表明:并没有一种工质能够很好地满足所提出的筛选准则,但R245fa,R600a具有比较平均的性能可以选用,还需要研究、开发适用于螺杆膨胀机的有机工质。搭建了干式螺杆膨胀机ORC实验平台,验证了R245fa作为工质的可行性,并讨论了机组效率、工质泵效率和排气温度等问题。研究对螺杆膨胀机ORC有机工质的选择指出方向,对ORC产业发展具有理论和实践意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

变热源工况下非共沸工质有机闪蒸循环热性能分析

有机闪蒸循环（OFC）能有效利用中低温热能,非共沸工质的变温相变特性可以改善循环和换热器之间的匹配性。为了提高系统的循环性能,本文基于Matlab2018b构建了一种采用正丁烷/1,1,1,3,3-五氟丙烷（R600/R245fa）制冷剂非共沸混合工质的OFC热力学模型,以100℃～200℃地热水作为热源,研究了非共沸工质摩尔分数和热源温度对系统净输出功率、热效率、煤用效率和总煤用损的影响。结果表明：热源温度为200℃,R600摩尔分数为0.4时,系统净输出功率和热效率达到最大值,分别为48.92 kW和7.12%;当热源温度超过一定值,煤用效率开始减小;热源温度为150℃,R600摩尔分数为0.4时,煤用效率最大为32.44%。采用非共沸工质能有效提高系统净输出功率、热效率和煤用效率,同时也能降低系统总煤用损。     

抽气回热式有机朗肯循环热经济性的定量分析

探讨了抽气回热对13种工质热效率的影响规律。当主气温度低于0.9T_cr时,采用无过热的o2循环,则抽气回热对热效率的提升随主气温度的升高而增加;当主气温度高于0.9T_cr时采用有过热的o3循环,则随着主气温度的上升抽气回热对热效率的提升减弱。计算了工质的复杂程度因子σ,复杂程度高的工质采用抽气回热对热效率的提升潜力较小。采用抽气回热后,R236ea、R600a、R600、R245fa和R123的热效率可提高9%以上,而六甲基二硅氧烷（MM）和八甲基三硅氧烷（MDM）则低于5%。o2循环的最佳抽气系数及工质流量随主气温度的升高线性上升,而o3循环的最佳抽气系数基本不变。另外,透平排气温度高的工质,最佳抽气系数高,但是回热效果差。抽气回热使R600a、R600、R245fa和R123质量流量的增加在40%以内,而高温工质MM和MDM则提高了50%以上。     

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。     

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%。     

低温余热驱动的ORC-VCR系统性能分析

建立低温余热驱动的有机朗肯循环耦合蒸汽压缩制冷循环系统(ORC-VCR)模型,为获取最高总系统制冷系数,在固定冷凝器露点温度及发生器和蒸发器泡点温度的条件下,对6种纯工质(R245fa,R227ea,R600,R600a,R1234yf,R134a)及2种非共沸混合工质(R227ea/R600a,R245fa/R600)的热力循环特性进行分析;同时分析了发生温度、冷凝温度及蒸发温度对子系统工质质量流量比及总系统制冷系数的影响。结果表明:在相同操作条件下,非共沸混合工质的总系统制冷系数优于纯工质。非共沸混合工质在某一组成下,滑移温度和总系统制冷系数均达到最高。在其他温度条件不变时,纯工质及非共沸混合工质的子系统工质质量流量比及总系统制冷系数均会随着发生温度及蒸发温度的升高而增大,随着冷凝温度的升高而减小。     

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%。     

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。     

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%。     

采用不同集热器的太阳能有机朗肯-闪蒸循环性能分析

针对太阳能有机朗肯-闪蒸循环（SBFC）,本文基于EES（engineering equation solver）软件建立数学模型,以R245fa为循环工质,在集热器出口热水温度介于353.15～373.15K范围内,对平板集热器（FPC）和真空管集热器（ETC）驱动的SBFC系统热力性能以及投资成本进行了对比分析。选用的性能指标参数包括净输出功、热效率、第二定律效率、不可逆损失以及比初始投资。结果表明,随着集热器出口热水温度的增大,SBFC系统的热力性能显著升高,且采用ETC的系统比FPC系统在热力性能上更具优势,该优势随着热水温度的升高而持续增大。研究同时表明,在SBFC的投资成本中,太阳能集热器投资占比最大,且采用ETC的系统比初始投资远大于采用FPC的系统;此外,集热器出口热水温度的升高有利于降低SBFC系统的比初始投资。     

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。     

用于CO2捕集废热回收的压缩式热泵工质研究

以R123、R141b、R600a、R718、R245fa等工质为研究对象,结合CO_2捕集废热回收过程特性,通过其基本物性数据初选了R123、R141b、R245fa三种工质;之后利用ASPEN PLUS软件进行了热泵模拟以及热泵循环压比、压缩机排气温度、单位质量制热量、压缩机做功量等的模拟计算。综合对比分析,选择R141b作为压缩式热泵的工质。