基于有机朗肯循环及液化压缩空气储能的新型耦合发电系统研究

有机朗肯循环发电系统中较低的冷凝温度能够十分显著提高系统性能，通过综合考虑低冷凝温度的应用场景并结合当今能源利用情况，建立了有机朗肯循环发电、液化天然气汽化、液化压缩空气储能3个子系统的耦合发电系统，该耦合发电系统降低了传统有机朗肯循环系统中冷凝温度下限，提高了有机朗肯循环系统发电效率和压缩空气储能系统储能效率。通过对该耦合系统建立热力学模型，并对其进行热力学分析表明，在所设定参数下，该耦合系统综合电-电转化率高达81.8%,较传统压缩空气储能系统效率显著提升。     

水泥窑余热发电的工质及循环系统的性能分析

以水泥熟料生产线的余热为研究对象,针对蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环系统的热平衡计算公式,计算了发电量、增压泵耗功率、热效率、(?)效率等指标,并对比了各系统的优劣。经分析后认为,当烟气温度越低,有机朗肯循环系统的技术优势越明显;当烟气温度较高时,则蒸汽朗肯循环系统占优。     

槽式太阳能有机朗肯循环发电系统的模拟研究

把槽式太阳能集热器与有机朗肯循环系统相结合,模拟槽式太阳能集热器的相关参数对发电系统的影响。建立了槽式太阳能有机朗肯循环系统的数学模型和系统各部件的计算模型,采用VB软件对循环系统整体进行模拟。分析了系统整体效率和膨胀机输出功受太阳直射辐射强度、导热流体入口流体温升和入口速度的影响。模拟发现,当集热器入口和出口温度固定时,系统存在最佳流速,最佳流速与太阳直射辐射强度和入口温度都有关。     

低温热源有机物发电系统膨胀机性能分析

有机物朗肯循环发电系统广泛应用于工业余热、太阳光热和地热等低温热源回收利用领域。作为关键做功部件,膨胀机的性能对有机物发电系统效率和输出功率有着重要的影响。考虑工质物性、环保特性,选用R600a为循环工质,详细研究了适用于两种不同功率等级的膨胀机的部件性能及循环特性。验证了有机物发电系统性能随着涡旋膨胀机和向心透平膨胀比的提高得到了提升,并探讨了改善系统发电性能的几种方法。     

双流体有机朗肯循环系统热力性能分析

为提高有机朗肯循环(ORC)的净输出功率和热效率,提出了双流体有机朗肯循环系统;选择高温循环工质R245fa分别与3种低温循环工质R134a,R152a和R236fa进行组合;采用REFPROP及MATLAB软件进行计算,比较3种组合方式下系统的热力性能。结果表明:高、低温循环工质分别为R245fa和R152a时,系统热力性能优于其他2种组合方案,其所对应系统的最大净输出功率、热效率、火用效率分别为35kW,7.67%和62.53%,高温蒸发温度为417K;系统净输出功率的变化幅度大于热效率和火用效率;系统净输出功率随低温蒸发温度的升高而增大;过热度对系统热力性能的影响较小,说明无需增加过热度来优化系统。     

基于进化算法的有机朗肯循环优化设计

建立有机朗肯循环热力分析模型,对采用R134a为工质,以某水泥窑废气为低品质热源的有机朗肯循环进行了系统性能分析。基于NSGA-II算法,发展了有机郎肯循环性能优化设计方法,以循环净输出功率为目标进行了优化设计。     

低温余热驱动的热电复合系统优化设计

基于热力学定律,对低温余热驱动的有机朗肯循环(ORC)与热泵循环(HPC)组成的复合系统进行了分析计算,并对不同状态参数对系统性能的影响进行了讨论及优化设计。研究表明:在余热资源温度为368.15K、流量为1kg/s的标准运行工况条件下,系统的高品位产热量为27.56k W,能量利用率为10.13%,此时系统最佳的ORC蒸发温度为335.15K使得系统的能量利用率最高,高温产热量最大;而ORC系统冷凝温度的提高将降低系统的高温产热量;同时研究发现:膨胀机等熵效率的提升对复合系统产热量的增加有较明显的作用。     

基于分液冷凝、多压蒸发非共沸有机朗肯循环流程设计及参数优化

有机朗肯循环具有结构简单、运行安全稳定的优点,但其推广应用受到高投资、低效率制约。对此,本文提出一种基于分液冷凝、多压蒸发的非共沸有机朗肯循环(LMZORC),建立了数学规划优化模型,并通过案例验证了新循环的优势。结果表明:与基本有机朗肯循环系统相比,LMZORC系统净输出功可提高5.05%~13.15%;分液干度对LMZORC系统的净输出功有重要影响,在所研究的工质中,都存在一个最佳的分液干度使系统净输出功最大;对于LMZORC系统,当温度滑移等于冷却水的温升,或者温度滑移小于冷却水的温升且工质温度滑移最大时,系统存在着最大净输出功;与不分液的多压蒸发系统相比,本文提出的多压蒸发组分调节系统能提高约2%的净输出功。     

低温抽气回热式有机朗肯循环的参数优化

以R245ca和R601作为循环工质,根据热力学第一、第二定律,研究了低温抽气回热式有机朗肯循环系统的两个参数,即抽气压力比和抽气系数对系统的影响。通过MATLAB软件结合REFPROP软件编程计算,确定不同蒸发温度下的最佳抽气压力比和抽气系数,得出对应的最大热效率和效率。     

采用涡旋膨胀机的低品位热能有机物朗肯循环发电系统实验研究

有机物朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)的主要优点在于回收中低品位热能发电时的高效、环境友好、压力适宜等.文中对有机物朗肯循环进行了实验研究.实验装置采用涡旋式膨胀机,以R600a为工质,膨胀机最大输出电功率0.74 kW,最大第一定律效率2.4%.实验发现膨胀机最高转速为4589r/min:根据膨胀机输出功率随工质泵频率及热源温度的变化情况,发现工质泵频率存在一个最佳值,使得系统输出功率最大.循环第一定律效率随着蒸发压力的增加也存在最大值,其原因是由于较高压力和流量下膨胀机入口存在汽液两相现象.通过对ORC的实验研究,认为涡旋式膨胀机在中小型低品位热能ORC系统中具有非常大的优势,ORC系统有机物工质的流量和蒸发压力与低品位热能热源的匹配,是提高ORC系统性能的一个重要设计方法.     

有机朗肯循环系统的传递分析

为了分析有机朗肯循环系统能质传递和利用的动态特性,以热力学第二定律为基础建立了有机朗肯循环系统的传递分析模型。参照工程传递评价准则,应用阻流密度、流密度降低率等,完成对ORC系统的传递分析。通过与常规的分析结果,得出了一些信息:流密度降低率最高的部位为冷凝器,最低的部位为膨胀机,阻最高的部位在回热器和冷凝器;蒸发器中的阻较小,损率、流密度降低率都较高,因此有机朗肯循环节能改造的关键在于蒸发器的改造;在回热器中由于温度差小,即强度量差(温差)较小,因此推动传递的动力就较小,从而阻较大。     

应用于有机朗肯循环的新型小流量低转速离心膨胀机特性研究

相对于向心式膨胀机动辄数万转的转速,离心式透平能在较低的转速条件下实现较高的功率输出。本文以适用于有机朗肯循环(ORC)的某小流量低转速离心式透平膨胀机为研究对象,以R134a作为工作介质,用数值模拟的方法对新型透平膨胀机的气动特性进行了研究;采用CFX软件计算了该膨胀机在3 000 r/min转速下的工作特性曲线,并重点分析了在膨胀比1.7的工况下,叶片不同叶高位置的速度分布、表面压力分布、压力损失系数以及动叶内部流场马赫数云图。结果表明:该膨胀机能够在3 000 r/min转速下实现4.0的膨胀比,因此有效降低了轴承的转速和负荷;然而,由于静叶叶型设计不合理,静叶流道内出现了堵塞现象,同时叶顶间隙对动叶性能有较大的影响,这些均对离心膨胀机的性能产生了影响。本文研究结果将为离心式膨胀机的优化改进提供理论基础。     

单工质低温余热发电循环性能分析

为了提高能源利用的高效性和经济性,推进有机朗肯循环系统在低温余热发电领域的应用。通过建立热力学模型,并用Matlab软件进行编程,调用NIST Refprop数据库,选取六氟丙烷作为循环工质,模拟分析有机朗肯循环系统各方面性能。在采用循环输出功率、㶲效率和热效率等热力学指标研究系统热力性能的基础上,分别采用换热面积和CO₂年减排量作为评价系统经济性能和环保性能的指标。研究结果表明：单变量时,在冷凝压力为150 kPa时能保证系统性能达到最佳。多变量时,热源温度提高会使经济性能大幅度降低,而系统的热力性能和环保性能有所提高,综合考虑可取热源温度为155 ℃~185 ℃;当系统各性能分别保证最佳时,蒸发压力随热源温度呈现不同形式的变化,但始终不超过3350 kPa。     

有机朗肯循环低品位热能发电系统向心透平的设计与性能研究

自行研发了用于有机朗肯循环低品位热能发电系统的向心透平,并以压缩空气为工质,在透平性能实验台上对向心透平的性能进行了测试研究。实验结果表明:透平的最高转速为63 945r/min时,透平进出口温降最高为51.7℃,透平的膨胀功率为4.369kW,发电机的电功率为2.567kW;在不同流量、不同入口温度条件下,使透平在额定转速附近运行,转速为59 553 r/min时透平效率和机电效率同时达到了最大值:65.3%和79.1%,而透平膨胀功率为2.809kW,稍大于设计功率;在不同条件下,得到透平的最大效率为65.7%,发电机的最大机电效率为79.5%。因此,研发的向心透平具有较好的性能。     

梯级换热有机朗肯循环发电系统热力性能分析

为了充分提高低品位热源回收利用率,降低热源排放温度,本文提出了一种基于有机朗肯循环(ORC)的梯级换热发电系统。系统以地热水为热源,以循环净功率为目标函数,根据热力学第一、第二定律,采用MATLAB软件调用REFPROP编制计算程序进行参数优化,以非共沸混合物作为循环工质对系统进行热力性能分析,并与基本ORC发电系统性能进行比较。结果表明:在最优工况下,基于ORC梯级换热发电系统可有效减小工质与热源在换热过程中的平均换热温差,减少换热不可逆损失,并降低了热源排放温度,提高了热源使用率;在所选工质中,基于ORC梯级换热发电系统热力性能均优于基本ORC发电系统,循环净功率和?效率最大可提高16.07%;选择R601/R236ea为工质时,基于ORC梯级换热发电系统性能最佳。     

生物质直燃有机朗肯循环热电联产系统的热力性能分析

有机朗肯循环可有效利用生物质能并实现热电联产。文中建立了抽气回热式有机朗肯循环的热力性能分析模型。针对锅炉负荷为7.9 MW,麦秆为燃料,导热油为中间传热介质的生物质直燃系统,分别优化了正葵烷、甲苯、环己烷、八甲基三硅氧烷(MDM)、八甲基环四硅氧烷(D4)和六甲基二硅氧烷(MM)的热力参数。通过夹点分析,临界温度高的工质其主气温度反而低。正葵烷、MDM和D4的主气压力和排气压力较低,气轮机尺寸较大。MDM、D4和MM的排气温度高于200℃,最佳抽气系数较高。当冷凝温度为70℃时,ORC的热效率达25%以上,系统发电功率高于1 600 kW,而供热负荷在4 800 kW以上;当冷凝温度为100℃时,ORC的热效率高于20.7%,系统发电功率不低于1 300 kW,而供热负荷高于5100 kW。两种工况系统的燃料利用系数均高于82%,火用效率高于23%,其中锅炉的火用损系数最大,冷凝温度的降低会导致系统火用效率略微下降。正葵烷、甲苯、环己烷的热力性能略优于硅氧烷。     

向心透平设计与出口相对气流角对透平效率的影响

选用烷类工质环己烷为循环工质,利用筛选法设计了进汽温度为150℃,功率为250 k W的有机朗肯循环系统中的向心透平,并利用计算流体力学软件ANSYS-CFX对动静叶栅流场进行三维稳态模拟,验证了设计方法的正确性。在此基础上研究了7种不同出口相对气流角β2对透平效率的影响;结果表明,所设计的ORC向心透平表现出良好的气动性能;并且在β2为32°情况下有较好的叶轮性能和较高的透平效率,能够满足初始设计条件下透平设计的需要。     

基于LNG冷能利用的高温质子交换膜燃料电池多联供系统性能研究

提出了一种基于液化天然气（LNG）冷能利用的新型多联供系统，该新系统包括高温质子交换膜燃料电池、跨临界有机朗肯循环和液化天然气冷能利用子系统。建立了多联供系统的数学模型，分析了参数变化对系统性能的影响。研究结果表明:在本研究设计工况下，高温质子交换膜燃料电池系统和跨临界有机朗肯循环系统的发电效率分别为31.51%和23.45%；新型多联供系统总能利用效率为40.75%，?效率为31.93%；多联供系统?损最大的部件为高温质子交换膜燃料电池，达到了52.8%；多联供系统总能利用效率和?效率随着高温质子交换膜燃料电池工作温度的增加而增加，随着氢气质量流量的增加和跨临界有机朗肯循环低压的增加而减少。     

再热-抽汽回热-内回热结合的有机朗肯循环热力性能分析

为了提高有机朗肯循环(ORC)的热效率,提出了再热、抽汽回热和内回热3种方式相结合的新型有机朗肯循环系统(新型系统),以有机工质R245fa为研究对象,分析了新型系统热效率和火用损失与循环再热蒸汽压力和汽轮机抽汽压力的关系,并将新型系统在最佳再热蒸汽压力条件下的热力性能分别与单一再热ORC、内回热ORC、抽汽回热ORC、抽汽-内回热ORC系统进行计算比较。结果表明:随着汽轮机抽汽压力的提高,新型系统热效率逐渐增大,但增大趋势趋于平缓,其最佳再热蒸汽压力为1.4 MPa;新型系统为最优系统,其热效率达到18.86%,远高于同参数单一再热ORC和内回热ORC,分别比抽汽回热ORC和抽汽-内回热ORC的系统热效率高2.63%和1.51%。     

基于吉布斯自由能变的非共沸混合工质有机朗肯循环热力性能分析

吉布斯自由能变(ΔG)可以度量系统对外界所做的最大非膨胀功,为研究非共沸有机朗肯循环热力性能与确定最佳混合工质组分比提供判据。文中将ΔG引入有机朗肯循环一般性热力学模型,推导出功、热量与ΔG的关系式。采用R245fa/R227ea非共沸混合工质,利用Aspen Plus软件模拟计算每个热力过程的ΔG,度量非共沸混合工质的做功能力,确定最佳混合工质组分比,并可算出循环过程中吸热量、净输出功等值。模拟结果对比分析得出:利用推导的ΔG公式计算出的功、热效率等变化规律与参考文献一致,计算误差在允许范围内。吸热过程的ΔG_e最大值可作为确定最大热效率的非共沸混合工质组分比的依据;膨胀过程的ΔG_t最大值可作为筛选出最大输出功的非共沸混合工质组分比的依据。ΔG_e在R245fa质量分数为0.589时最大,此时获得最大热效率为7.514%;ΔG_t在R245fa质量分数为0.493时最大,此时获得最大净输出功为4.176 kW。