冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

利用搭建的ORC余热发电测试系统,实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明：当热源温度不变时,随着冷却水温度的升高,冷凝压力增加,蒸发压力稍有增加,冷凝器和蒸发器的负荷减小,膨胀机的压差和压比减小,系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内,当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时,输出电功从2.357 kW降至1.535 kW,热效率从7.25%降至5.76%,输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内,冷却水温度每升高1℃,系统输出电功降低0.0411 kW和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响,为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。     

热源温度对ORC低温余热发电系统性能的影响

采用自行设计的向心透平膨胀机,基于有机朗肯循环(ORC)低温余热发电实验平台,研究了热源温度对向心透平及系统性能的影响。结果表明:在热源流量分别为3.507和2.056 m³×h^-1时,透平膨胀机的压降、转速、膨胀功随热源温度的升高均增加,且当热源温度达到110℃后,其增加显著变缓;透平膨胀机等熵效率随热源温度的升高先升高后降低,在110℃时达到最大值,分别为0.862和0.821;系统热效率和?效率随热源温度的升高先升高后降低,在110℃时均达到最大值,系统最大热效率分别为3.15%和3.05%,最大?效率分别为11.9%和11.5%;系统中各主要设备?损占比从大到小依次是蒸发器、冷凝器、向心透平和工质泵,且?损占比受热源温度的影响较小。     

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%。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环（ORC）低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示：发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h^-1。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

冷却水流量对ORC系统性能影响的实验研究

采用自主研发的单螺杆膨胀机作为机械动力,实验研究了冷却水流量对ORC余热发电测试系统及单螺杆膨胀机性能的影响。实验结果表明：当冷却水流量从8 m³·h^-1升至19 m³·h^-1时,单螺杆膨胀机输出功和轴效率分别从4.31 kW、36.38%增至5.15 kW、41.1%,分别增加了19.5%、13%。针对本实验系统,在考虑润滑油泵、工质泵、冷却水泵和冷却塔风扇等所有系统辅机功耗之后,当冷却水流量为12 m³·h^-1时,系统净输出功和系统净效率达到最大值,分别为2.44 kW和2.47%。通过研究冷却水流量对ORC系统性能的影响,为ORC冷却系统的设计和优化系统性能提供重要的实验依据。     

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。     

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%。     

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.     

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。     

蒸发器换热过程对ORC系统混合工质选择和运行工况的影响

在有机朗肯循环（ORC）系统其他部件的效率均相同的条件下，蒸发器的换热量越大，不可逆损失越小，系统的做功潜力就越大。由于混合工质的相变温度滑移与热源的温度变化具有较好的“匹配性”，采用混合工质为循环工质，并使用流耗散率来描述混合工质与热源流体换热过程中的不可逆损失。结合 T-Q 图来分析蒸发器中混合工质与热源流体换热过程，发现混合工质与热源流体换热曲线围成的面积为流耗散率，并且分别得出了蒸发器换热量最大与不可逆损失最小的条件，以此指导系统最佳混合工质和运行条件的选择。针对确定的热源条件，在蒸发器换热量达到最大的条件下，以不可逆损失最小为目标，建立了基于蒸发器性能的系统最佳混合工质和运行条件的选择方法。采用参考文献中热源条件，筛选出最佳混合工质为R600a/R134a(0.2/0.8)，在最佳蒸发器出口温度为365.75 K的运行条件下，换热量是文献中最佳混合工质的3.3倍，在系统其他部件的参数选择均相同的条件下，系统的净输出功率是文献中最佳混合工质的2.4倍。     

动态透平效率对有机朗肯循环系统性能的影响

向心透平效率随运行参数的变化及工质种类的不同有较大差别，引入向心透平一维分析模型来计算透平效率，分析蒸发温度与冷凝温度对透平效率的影响，比较固定透平效率与动态透平效率有机朗肯循环（ORC）系统的热力性能与经济性能。采用非支配解排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）优化ORC系统筛选出最优工质，确定最佳蒸发温度与冷凝温度。同时比较了不同热源温度下固定透平效率和动态透平效率ORC系统的最佳运行参数，分析了透平效率随热源温度的变化。结果表明：透平效率随蒸发温度的降低或者冷凝温度的升高而增大，采用动态透平效率后，系统净输出功随蒸发温度升高而增加趋势减缓，工质排序也发生了变化；对于固定透平效率与动态透平效率ORC系统，经多目标筛选后所确定的最优工质及最佳蒸发温度和冷凝温度均有一定差异，表明若采用固定透平效率会对工质筛选及参数优化造成一定误差；随着热源温度的升高，固定透平效率与动态透平效率ORC系统之间最佳蒸发温度与净输出功差异逐渐增大，说明热源温度越高，采用固定透平效率引起的误差越大。     

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。     

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.     

变透平效率有机朗肯循环工质筛选及多目标优化

针对523.15 K的中高温余热烟气热源,选取戊烷、己烷、庚烷、环己烷、MM（六甲基二硅氧烷）、苯和甲苯为候选工质,引入一维向心透平效率预测模型取代固定透平效率,以（火用）效率和系统净功为目标函数,基于NSGA-Ⅱ算法对ORC系统进行多目标求解,采用理想点辅助法对各工质Pareto前沿进行决策寻优。得出以下结论：工质的透平效率与透平等熵膨胀比（VFR）存在较强的相关性,透平效率曲线与VFR曲线的变化趋势相反;在给定热源条件下,苯是最优工质,甲苯和环己烷是次优工质;当蒸发温度超过400 K时,（火用）效率下降趋势加快,当蒸发温度超过410 K时,系统净功上升趋势放缓;定透平效率寻优会对最佳参数与最优工质筛选结果造成一定影响,与实际存在偏差;变透平效率寻优可以减少误差,更接近工程实际。     

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。     

基于混合工质的多级蒸发ORC理论极限性能研究

作为低温余热发电的首选方案,有机朗肯循环（ORC）得到广泛的工业应用。混合工质与双压蒸发结合的策略被证实能够大幅提升ORC系统热效率,但更多级蒸发对循环性能的影响仍未知。因此,提出基于混合工质的多级蒸发ORC（MZORC）概念,通过分析构建蒸发过程的传热极限模型,结合Aspen Plus对基本ORC（BORC）、两级蒸发和三级蒸发MZORC进行过程模拟,揭示了系统循环性能的理论极限。研究结果表明：MZORC能够降低循环工质蒸发过程带来的热量损失及流耗散率;423.15 K热源、298.15 K环境温度工况下,三级蒸发MZORC的净输出功较BORC有38.6%的显著提升;增加蒸发级数能够使系统性能更接近理论极限,BORC、两级蒸发和三级蒸发MZORC系统净输出功分别能够达到理论极限值的65.0%、79.0%及90.1%。     

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。