1MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计

基于自行开发的有机朗肯循环(ORC)系统热力计算软件设计了1 MW ORC系统.考虑到有机朗肯循环系统的特点,介绍了适合于该系统工况参数的有机工质轴流透平的设计过程.随后分析比较了应用于ORC系统的向心透平、螺杆膨胀机及轴流透平的不同特点,总结了轴流透平应用于该功率等级ORC系统的主要优点.最后,针对ORC系统设计了采用R123为工质的1 MW轴流透平,在CFD数值模拟的基础上进行了通流的优化和通流结构设计.     

两级循环蒸发ORC系统深度回收燃煤锅炉烟气余热的研究

针对燃煤锅炉排烟温度低且含有会产生低温腐蚀成分的特点,提出了一种更适合于回收燃煤锅炉排烟余热的两级循环蒸发有机朗肯循环(ORC)系统.以R123为工质,结合国内某燃煤锅炉尾部排烟参数,建立了该两级循环蒸发ORC系统的热力模型和经济模型,并进行计算分析,与传统一级蒸发ORC系统进行比较.结果表明:就热力性能而言,两级循环蒸发ORC系统的净做功量、净回收效率高于一级蒸发ORC系统,相应的换热面积也更大;就经济性而言,两级循环蒸发ORC系统的发电成本高,但设计使用年限内,年均净收益更丰厚,性价比更高.     

具有蒸汽中间过热的三回路蒸燃联合循环装置的设计计算

《Теплоэнергетика》2010年2月号公布了具有蒸汽中间过热的三回路余热利用蒸燃联合循环装置(ПГУ)工质参数和经济指标的全套计算方法,该方法允许在设计计算阶段根据燃气轮机装置(ПГУ)排气的参数确定余热锅炉(КУ)燃气和工质的参数,逐段逐级完成汽轮机的近似计算。利用计算程序和软件包DELPHI计算,并快速、可靠地优化ПГУ热力系统的参数和汽轮机的结构。热力系统的计算如下:(1)确定余热锅炉蒸发器生产的蒸汽产量和蒸汽参数,以及它的各个受热面的热功率。     

基于动态透平效率的有机朗肯循环性能分析及优化

常规有机朗肯循环(ORC)中透平效率多假设为定值,而实际上透平效率因工质种类和运行参数的不同而有较大差异。因此,采用向心透平效率计算模型,将动态透平效率与ORC系统耦合,分析透平效率随蒸发温度与冷凝温度的变化规律,比较固定透平效率与动态透平效率ORC系统热效率的差异。综合考虑热力性与经济性,采用多目标优化算法,对固定透平效率与动态透平效率ORC系统进行工质筛选及参数优化,并对优化结果进行分析比较。结果表明:透平效率随蒸发温度的下降或者冷凝温度升高而增大;不同工质及不同蒸发冷凝温度条件下,透平效率差异较大,最大达0.148。固定透平效率ORC系统与动态透平效率ORC系统的热效率随蒸发温度的变化规律有较大差异,尤其在高蒸发温度区间更为明显。对于固定透平效率ORC系统,R245ca和R236ea为最佳工质;而对于动态透平效率ORC系统,R114为最佳工质。在引入动态透平效率前后,各工质的最佳蒸发温度与最佳冷凝温度也有较大变化。     

基于热源耦合ORC ANN模型的循环性能预测及工质优选

基于已建立的有机朗肯循环(ORC) 人工神经网络(ANN)模型,将其与热源进行耦合,从而在不同烟气工况下对ORC进行循环性能预测及工质优选。为了分析与热源耦合的ORC ANN模型精度,基于初选的10种工质,比较了该模型与REFPROP软件对基本ORC和回热ORC的计算结果,比较结果表明：该ORC ANN模型对大部分循环参数的平均相对偏差都小于5%。在此基础上,针对不同烟气热源温度（523.15,488.15和453.15 K）,以最大净输出功为目标,分别优化循环的蒸发温度,优化结果显示：3种热源温度对应的最佳工质分别为R1336mzz(Z),R600a和R236fa。     

柴油机废热利用的ORC系统特性研究

以柴油发动机缸套水和尾气废热为热源,设计开发了有机郎肯循环ORC的热力循环系统及发电装置。在该系统中,采用R245fa作为循环工质,以板式蒸发器和冷凝器作为工质相变的换热元件,机械能与电能转化。ORC系统测试结果表明,在ORC系统和发动机长时间稳定运行,稳定发电量14.4kW,发电效率7.2%;净发电量12.45kW,净发电效率6.25%。在保持发动机稳定运行和冷却水全部进行大循环的前提下,发动机出水温度降低,有利于总发电量和净发电量的提升。     

低温蒸汽_太阳能双热源ORC发电系统热力性能分析

为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热,提出一种通过利用太阳能热量补充预热器中热源显热以缩小换热温差的新型低温蒸汽-太阳能双热源ORC发电系统。根据热力学第一、第二定律,建立其热力学模型,编制计算程序并进行了热力性能分析及比较。计算结果表明:采用热源补助可有效减小换热温差,进而显著提升系统热力性能。当采用R245fa作为循环工质时,与基本的ORC系统相比,选择冷端温差较小的预热器可使双热源系统火用效率显著增加;在预热器冷端温差为30 K、两系统分别采用5种不同循环工质时,双热源ORC系统的热力性能均高于基本ORC系统,且以R236fa为工质的双热源ORC系统热力性能最佳。     

低温热能有机物发电系统热力分析

首先介绍了ORC循环工质的热力学和一些性质,指出工质应满足压力、干湿性以及环保等方面的要求,然后以R123、R21和R245fa工质为例给出了热源温度低于:100℃情况下ORC发电系统的热力学模型分析,比较了不同工质下系统工作参数对ORC性能的影响规律,并且指出工质R245fa是综合考虑环保、热力性能等因素下的较好的选择.     

以R134a为工质的OTEC朗肯循环热力计算软件开发

以海洋温差热能转换(ocean thermal engergy conversion, OTEC)的热力循环为研究对象,为给循环分析提供方便准确的性能计算工具,采用Python程序设计语言,开发了OTEC朗肯循环热力计算软件。软件可以完成简单朗肯循环、再热朗肯循环、抽气回热朗肯循环等3种循环的热力计算,输出结果包括循环最高限制压力、冷凝压力、工质泵功、膨胀机功、蒸发器热负荷、冷凝器热负荷、循环净功以及循环热效率等朗肯循环性能参数。工质热力性质采用R134a的最新国际标准关联式,计算结果足够精确,在蒸发温度24.34℃、冷凝温度8.14℃,泵效率和透平效率均为1.0的工况下,与采用NIST提供的热物性数据进行循环计算结果对比表明,二者完全一致,循环热效率均为5.15%。软件可作为OTEC发电装置的热工设计参考,也可用于R134a工质的-103.15～426.85℃的亚临界朗肯循环、跨临界朗肯循环和超临界循环等领域的应用。     

基于MOSSA算法的混合工质双压ORC系统多目标优化

以R141b/R245fa混合工质为研究对象,利用Matlab软件建立混合工质双压有机朗肯循环(ORC)系统数学模型,分析混合工质组分、高压蒸发温度、低压蒸发温度对系统热力、经济、环境性能的影响。采用多目标麻雀搜索(MOSSA)算法对系统热力、经济、环境性能进行多目标优化,并对3种性能的函数关系进行拟合。结果表明:系统热效率与R141b质量分数呈负相关,随高压蒸发温度呈先增大后减小趋势,存在最佳高压蒸发温度使系统热效率达到最大,与低压循环蒸发温度呈正相关;混合工质双压ORC热经济环境三目标优化的Pareto最优解(η_orc,LEC,ECE)为(0.134 3,0.701 9元/kWh,11.605 kgCO₂eq/kWh),综合性能最优时的运行参数为R245fa质量分数为0.1,高压循环蒸发温度为387.65 K,低压循环蒸发温度为357.83 K,窄点温差为5.02 K,提高系统热力性能和环境性能必然会降低其经济性能。     

车用柴油机有机朗肯循环余热回收系统性能计算研究

以某车用柴油机排气余热为研究对象,建立有机朗肯循环(ORC)余热回收系统热力学模型,分析主要设计参数包括对ORC余热回收系统性能有影响的蒸发压力、冷凝压力、蒸发器出口工质过热度、冷凝器出口工质过冷度等,通过自编程序计算研究了工质流量、系统热效率等系统性能参数的变化规律。研究结果表明:提高系统的蒸发压力,降低冷凝压力有利于提高系统的性能;对于R123工质,过热度增加对系统的性能影响不大,而对于乙醇工质,过热度增加有利于系统效率提高;冷凝器出口工质过冷度的增加给循环性能带来不利影响。     

对流热采油页岩过程低温余热ORC系统热力分析

为回收利用对流热采油页岩过程中产生的低温余热蒸汽,提出并设计有机朗肯循环(ORC)系统进行热力发电。在特定余热蒸汽参数条件下,基于R245fa循环工质,编制计算程序模拟分析了ORC系统变工况参数对该系统热效率及输出功率的影响规律。数值模拟结果表明:设定汽轮机背压为0.25MPa时,工质最高蒸发压力为2.566MPa,在此范围内,系统热效率随蒸发压力升高单调增加,增幅减缓;取蒸发器出口温度85℃时,对于不同的蒸发压力系统允许运行工质流量范围不同,在同一蒸发压力下,由于热源限制导致系统热效率并未随工质流量增加显著提高,但可得到更多输出净功;蒸发压力为1.5 MPa时,随余热排放温度的降低,系统输出净功显著提高;随汽轮机背压的降低,系统热效率得到明显改善,但汽轮机背压的降低增加了工质冷凝的困难,合适的背压值取0.2MPa。     

结合ORC和VCR的中温余热回收系统性能分析

为了利用丰富的中低温余热进行制冷,本文提出了一种结合ORC(有机朗肯循环)和VCR(蒸汽压缩制冷循环)的制冷系统,并对新系统进行了热力学分析和火用损失分析。此外,对比分析了Cyclohexane、D4、n-octane及R141b四种工质的热力学性能与ORC蒸发温度、制冷剂蒸发温度及透平效率等参数对系统制冷性能的影响。结果表明:以Cyclohexane为ORC工质时,系统总制冷COP(性能系数)最高为1.262;ORC蒸发温度对制冷工质与有机工质的质量流量比有显著的影响;制冷剂蒸发温度对系统的制冷COP有显著的影响;制冷剂冷凝温度对系统制冷COP的影响比ORC冷凝温度大;ORC蒸发器、VCR冷凝器以及ORC冷凝器的火用损失占系统总火用损失的57.28%。     

带回热的燃气轮机-有机朗肯联合循环热力设计

燃气轮机以其高效率、低污染、运行成本低的优点被广泛应用于分布式发电系统中。为了进一步提升天然气资源的利用率,本文提出了带回热的燃气轮机-有机朗肯(ORC)联合循环,以高临界温度的有机物为底循环工质,来回收燃气轮机排气中的余热。建立了带回热的燃气轮机-ORC联合循环的模型,提出了使该联合循环热效率最优的热力设计方法,进行了不同设计条件下的仿真试验。结果表明,与传统的燃气-蒸汽动力循环相比,带回热的燃气轮机-ORC联合循环具有更高的联合循环热效率。选择甲苯作为底循环工质,可以获得最高的联合循环效率。此外,燃气轮机-ORC联合循环可以用于热电联供,同时满足区域电负荷和热负荷的要求。     

R245fa作为有机朗肯循环工质的材料相容性研究

对于可再生能源和工业余热资源,有机朗肯循环技术(organic Rankine cycle,ORC)被认为是一种高效的能源回收利用技术。其中R245fa因为其自身良好的环保性以及热力性能,被认为是一种具有良好应用前景的ORC工质。对于ORC系统来说,工质的材料相容性是保证系统稳定运行的基础。针对ORC系统实际工况,确定部件、温度、材料等因素的对应关系,提出一套适用于ORC工质材料相容性研究的实验方法,并以R245fa为例开展了实验研究。实验结果表明,在高温条件下,304不锈钢与R245fa的相容性要优于铜材料;同时在橡胶密封材料的选择上,不建议使用氟橡胶,且三元乙丙橡胶的相容性要优于聚四氟乙烯。     

基于定热源的两种有机朗肯循环系统的经济性分析

为了分析热源条件约束下两种有机朗肯循环系统的热力性能和经济性的差异,文章根据热力学理论,选取3种工质分别建立无内回热式有机朗肯循环系统和内回热式有机朗肯循环系统的热力模型和经济性模型。通过计算比较了两种系统的热力性能和经济性,并分析了排烟温度对系统经济性的影响。分析结果表明:当采用相同工质的两种系统的净功率相等时,所对应的排烟温度为等效排烟温度;当排烟温度高于等效排烟温度时,IORC系统的净功率高于ORC系统;当工质相同时,IORC系统的投资成本高于ORC系统,IORC系统的净功率高于ORC系统,且二者的差值较小,导致IORC系统的电力生产成本较高,经济性较低;排烟温度不受约束时,采用R123的ORC系统经济性最佳;当排烟温度不高于75℃时,采用R245fa的ORC系统经济性最佳。     

混合工质脉管制冷机性能的数值模拟

开发了适用于混合工质的脉管制冷机的计算程序，利用此程序对应用混合工质提高脉管制冷机的制冷性能进行了研究，发现当混合工质采用氦气和氢气，且处于合适的配比下，可以进一步改进脉管制冷机的制冷性能，给出了当混合工质最佳配比时，脉管制冷机内热力参数的瞬时变化及一周期的循环参数，用该计算程序可以获得混合工质脉管制冷机内复杂过程的详细信息，为制冷机设计和改进提供依据。     

有机工质朗肯循环(ORC)在中、低温余热能量回收中的应用

简述了国内外工业中低温余热利用的有关情况;分析了ORC的热力系统及效率;论证了ORC中工质的选择与循环参数的确定;介绍了有机工质透平的特点及造型;并举出有机工质朗肯循环系统的应用实例。     

低品位热能超临界有机朗肯循环发电特性分析

利用超临界有机朗肯循环(ORC)发电系统回收温度低于150℃的低品位热能,对超临界工况的3个关键问题:工质选择、加热过程和系统性能进行了分析.结果表明:对于适合超临界ORC发电系统的工质,临界温度相对较高的工质的系统循环热效率较高,膨胀机入口压力和冷凝压力较低,临界温度相对较低的工质的循环热效率较低,但能量利用率较高,膨胀机入口压力和冷凝压力较高;超临界加热器中较高的换热压力和较低的膨胀机入口温度能使热源与工质有更好的热匹配;在热源进口温度和最小换热温差的限制下,存在最佳膨胀机入口温度和膨胀机入口压力,使得系统循环热效率最高.     

钢铁企业中低温烟气发电系统的比较和优化

为高效利用钢铁厂200～450℃烟气余热,利用EES软件模拟计算了水蒸气朗肯循环(SRC)4种有机朗肯循环(ORC)和水蒸气-有机物联合双循环(S-ORC)的热效率、火用效率和单位质量工质的发电能力。通过比较各发电系统的性能,探讨了低温发电系统的优化措施。为进一步利用ORC系统透平机乏汽余热,针对300℃以上的热源设计了梯级有机朗肯循环(CORC)。综合考虑各发电系统的性能,得出:对于200～300℃的烟气,可采用以R141b为工质的ORC发电系统;对于300～450℃的烟气,可采用CORC发电系统。由于S-ORC的热效率、火用效率、发电功率比传统SRC的高,且能有效减小工质在冷凝器的负压,对于450℃以上的热源,可用S-ORC代替传统的SRC。