基于热力学第二定律的ORC蒸气发生器性能优化

为了更深入地研究低温余热驱动ORC系统的设计与优化,建立了有机朗肯循环蒸气发生器主要热力性能计算模型,基于热力学第二定律,以蒸气发生器单位换热面积工质?升作为性能优化目标函数,选取了R245fa作为循环工质,在给定烟气进口温度以及保证循环工质在蒸气发生器出口为饱和蒸气条件下,对不同工况下的工质质量流速进行优化,并分析了在一系列换热管管径下,烟气入口温度、工质入口压力、管外对流传热系数、单根换热管烟气质量流量对目标函数及工质最优质量流速的影响。结果表明:工质入口压力与管外对流传热系数对最优工质质量流速影响显著,随着工质入口压力与管外对流传热系数的增大,最优工质质量流速增大,对应的换热管径减小;而烟气入口温度、单根换热管烟气质量流量对最优工质质量流速影响甚微。     

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。     

基于Aspen Plus与Matlab联用的ORC系统优化

ORC系统设计过程中,工质的选用和操作参数的选定是设计的关键。为辅助进行ORC系统的设计和优化,先采用Aspen进行ORC模拟模型建立,选取了几种常用工质,使用ActiveX实现了Matlab和Aspen的联用,设计了计算程序。以某公司35 t/h的150℃热水提供工业余热、冷却器的冷凝温度为42℃的ORC系统作为案例,进行了优化计算,最终得到该工况下R134A工质的输出功率最高,输出功率为201 kW,工质的蒸发压力为27 bar,蒸发温度为81℃,流量为56 900 kg/h。     

基于热力学第二定律的热交换器性能比较分析

针对热交换器换热过程,引入熵产单元数定量描述其不可逆程度,并建立熵平衡方程,利用Maple软件对比分析了两类熵产单元数与传热特性参数的关系。结果表明,传热效率、传热单元数、热容流量比、预热温度比、热端温度比是表征换热过程不可逆程度的主要参数,为基于热力学第二定律的热交换器的性能评价提供了理论依据,对节能工作具有重要参考价值。     

核电站蒸汽发生器的化学清洗与传热性能

核电站经过多年运行,蒸汽发生器传热管会被大量的微粒和溶解化学物质沉积所沾污.蒸汽发生器的化学清洗可以维持核电站的正常运行、恢复蒸汽压力和增强管道的耐腐蚀能力.有的电站进行化学清洗是为了有效清除支撑板拉制孔上的污垢,稳定水位波动,使电站恢复到全功率下稳定运行.一般,清除管道上的污垢后,能恢复蒸汽发生器的蒸汽压力,并使支撑板、管道间隙和管道直段上无沉积物,从而可以增强管道的耐腐蚀能力.另外,化学清洗改变了管道的微观表面、沸腾传热和传热性能.本文介绍了对蒸汽发生器采用EDTA的化学清洗,以及清洗后的污垢热阻、沸腾传热和传热性能.     

基于传热分区的直流蒸汽发生器换热性能仿真

针对直流蒸汽发生器二次侧复杂的流动与换热过程, 为准确研究其内热力参数空间分布规律, 将其分为预热段、过冷沸腾段、饱和核态沸腾段、强制对流蒸发段、缺液段、过热段, 基于分布参数法建立了直流蒸汽发生器一维均相流数学模型, 并自主开发了可实现自动分段计算的直流蒸汽发生器MATLAB仿真程序。仿真结果表明, 基于传热分区的模型能准确预测不同工况下壁温飞升的幅度、位置及各传热区域传热管的长度, 得到直流蒸汽发生器工作恶劣区域。所得结果可为预防直流蒸汽发生器超温爆管等事故提供理论支持。     

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。     

基于夹点技术的烟气处理系统的优化与评价

二氧化碳捕集系统节能技术受到了人们的广泛关注,但基本上集中在系统本身,鲜见有关烟气余热回收利用方面的研究报道,缺少具体的应用方案。然而,要进一步提高二氧化碳捕集系统的效率,就必须对烟气余热进行有效利用。为此,本文以某发电厂与660MW热电联产装置相配套的烟气处理系统为研究对象,首先采用问题表法确定了换热网络的夹点温度,然后通过冷、热物流间的“新”匹配对原换热网络进行改造,得出3种改造方案：烟气余热回收一级换热网络是高温烟气与胺补液之间进行匹配;烟气余热直接回收二级换热网络是高温烟气依次与富液、胺补液之间进行匹配;而烟气余热间接回收二级换热网络包括高温烟气与富液之间的间接换热。通过对以上3种改造方案投资费用的比较,发现烟气余热回收一级换热网络的投资成本最低,是最优改造方案。     

焦炉多余热回收系统的分析及优化

为了研究焦炉多余热回收系统中能量的利用情况,依据分析理论,通过对某焦化厂实际案例的计算,对现有的余热回收方案进行分析,指出3个子系统运行过程中的能量回收的薄弱环节。结果表明：干熄焦、荒煤气、烟气余热回收系统的效率分别为55.16%、17.18%、51.75%,干熄焦系统的损主要为换热过程中产生的不可逆换热损失,荒煤气系统的损主要为出口损以及不可逆换热损失,烟道系统的损主要为烟气出口损。在此基础上依据各等级能量匹配利用的原则对原方案进行优化,并使用分析理论对其计算并分析。结果表明：优化过后的余热回收系统的总效率为58.72%,相比优化之前提高了11.07%,系统总不可逆换热损降低了155.49MJ/t干煤。     

热管蒸汽发生器在大型硫酸装置中的设计与运行

介绍了热管蒸汽发生器的结构、工作原理及在祥光铜业700 kt/a冶炼烟气制酸装置中的运行实践。2台热管蒸汽发生器自2007年12月投用以来运行状况良好,工艺指标稳定,热回收效率较高,正常生产时约产2.2～2.5 MPa中压饱和蒸汽700 t/d。     

基于漂移流理论的蒸汽发生器动态特性

以大亚湾核电站U型管自然循环蒸汽发生器为研究对象,根据蒸汽发生器上升通道沸腾段特点,建立了适合工程应用的漂移流模型动态方程。在验证稳态工作特性及与漂移流理论所涉及的关键参数准确性的基础上,进行了蒸汽发生器动态特性仿真与分析。结果表明,所建立的漂移流模型能够较准确地反映蒸汽发生器两相流的流动与换热特性。随着扰动的添加蒸汽发生器各参数都表现出合理的变化趋势,并准确地模拟出“虚假水位”现象,且负荷越高水位对扰动的响应速度与程度越大。     

Numerical optimization of heat recovery steam cycles: Mathematical model, two-stage algorithm and applications

Most of the advanced integrated energy systems need a heat recovery steam cycle (HRSC), either fired or unfired, that recovers the waste heat from gas turbines and process units in order to generate electric power and supply mechanical power to compressors, heat to endothermic processes, and steam to external users. The key feature of such HRSCs is the integration between the heat recovery steam generator (HRSG) and the external heat exchangers. This paper presents a rigorous mathematical programming model, a linear approximation, and a two-stage algorithm for optimizing the design of integrated HRSGs and HRSCs, simultaneously considering the HRSG together with the heat recovery steam network and the intensive steam cycle variables. A detailed application of the methodology is described for an integrated gasification combined cycle plant with CO₂ capture and results for other interesting plants are reported. A significant efficiency gain is obtained with respect to usual practice designs.     

关于热管式蒸汽发生器的技术分析报告

2012年,广东省东莞市某公司发生一起蒸汽发生器爆炸事故。该爆炸事故给使用单位造成很大的经济损失,给人民的生命和财产安全带来很大威胁。为了保障人民的生命财产安全,避免同类事故再次发生,笔者对热管式蒸汽发生器进行简单的技术分析。     

Numerical optimization of steam cycles and steam generators designs for coal to FT plants

In this work, a recently developed optimization methodology for the design of heat recovery steam cycles (HRSCs) and steam generators (HRSGs) is applied to the design of steam cycles for two interesting coal to Fischer–Tropsch (FT) fuels plants: a FT synthesis process with high recycle fraction of the unconverted FT gases (CTL-RC-CCS) to maximize the production of liquid fuels, and a FT synthesis process with once-through reactor (CTL-OT-CCS). The analysis reveals that designing efficient HRSCs for the once-through FT plant is relatively straightforward, while designing the HRSC for plant CTL-RC-CCS is very challenging because the recoverable thermal power is concentrated at low temperatures (i.e., below 260 °C) and only a small fraction can be used to superheat steam. In addition, it is necessary to establish whether it is advantageous to burn the FT off-gases in a boiler or in a gas-steam turbine combined cycle. For this reason, a detailed boiler model is developed and included into the optimization methodology. As a consequence of the improved heat integration, the electric efficiency of the two plants is increased by about 2 percentage points with respect to the solutions previously published.     

一次扰动下直流蒸汽发生器动态换热性能仿真

考虑了缺液区的存在,将直流蒸汽发生器的二次侧相变过程划分为五个传热区域,采用分布参数法建立一维均相流模型,针对一次侧冷却剂入口条件变化的工况进行仿真,分析直流蒸汽发生器内的蒸干现象和一、二次侧参数的动态响应特性。仿真结果表明,当一次侧冷却剂的入口焓值下降5%时,出口蒸汽无法达到过热,预热段和核态沸腾段长度大幅增加,蒸干点后移9.14 m;一次侧入口流量下降,出口蒸汽过热度降低,蒸干位置最大后移约2.42 m。     

蒸汽发生器降负荷过程热工水力特性瞬态数值分析

基于大亚湾核电站蒸汽发生器实际运行过程,采用CFD技术,对其100%~50%工况的降负荷过程进行瞬态模拟,以揭示蒸汽发生器流动传热特性在降负荷过程中的动态变化规律。计算结果表明,降负荷过程中,一、二次侧流体热工参数均随时间降低,而且随着换热强度下降,支撑板(TSPs)对二次侧含汽率、流速及表面换热系数的扰动作用也逐渐减弱。对应于100%、70%及50%三种工况,一次侧流体出口温度分别为297.2、295.6和294.8℃,二次侧出口流体平均质量含汽率分别为24.5%、16.7%和12.1%,模拟结果均与大亚湾核电站运行过程中的实际值相符。研究结果为蒸汽发生器的安全运行及优化设计提供了理论参考。     

直管式直流蒸汽发生器不同运行参数下两相流压降预测

将B&W公司的直流蒸汽发生器进行简化,采用常热流边界条件进行不同运行参数下直流蒸汽发生器二次侧流动与换热过程数值模拟,并与经典摩擦压降经验关联式进行对比。结果表明：Martinelli-Nelson关联式更适用于预测蒸干发生时两相流的摩擦压降;摩擦压降随质量含汽率增加整体呈现上升趋势,蒸干发生时摩擦压降的变化率明显增大;管内气液两相流摩擦压降随质量流量和热通量增加而增大,随运行压力增大而减小。其中质量流量、运行压力对摩擦压降的影响较明显,热通量对其影响较小。