R245fa有机朗肯循环余热发电系统火用分析

以低品位热能驱动的有机朗肯循环发电系统,是实现将低品位热能转变为电能,进而提高热力系统总体热效率,降低污染排放的有效途径之一。本文建立了低品位热能发电系统火用分析模型,对以R245fa为工质的温度低于383.15 K的低品位热能有机朗肯循环余热发电系统进行了火用分析,得到了各环节的能量转换效率并确定了对系统性能影响最大的环节;通过改变蒸发器和冷凝器的压降和传热系数值,分析了主要换热设备的设计和运行性能参数对系统火用效率、热效率和发电量的影响趋势,提出了低品位热能发电系统的优化方向。

石灰窑有机朗肯循环余热发电系统的比较研究

以2×500 t/d石灰窑烟气为对象,应用已运行的有机朗肯循环余热发电机组,在相同热源参数条件下,余热发电系统分别采用有机朗肯循环(ORC)系统和水蒸气与有机工质联合循环(S-ORC)系统进行模拟计算,对比分析2种循环系统的工艺特点及性能评价指标。结果表明:在相同热源参数条件下,S-ORC系统各项性能指标优于ORC系统,但S-ORC系统更复杂,运行检修工作量大,造价较高。

基于有机朗肯循环的铝电解槽侧壁余热发电实验研究

本文提出了一种基于有机朗肯循环的铝电解槽侧壁余热发电系统并开展了工业试验。试验结果表明:随着导热油流量的增加,出口油温下降、系统换热量增加。导热油流量543 L/h时,换热量达到最大值22 kW;当导热油温度一定时,随着蒸发压力的增大,循环热效率、净功输出和效率均增大;系统的电功输出、效率随着过热度的增大略有减小;当热源温度为165℃、蒸发压力在1.3 MPa时,热效率和输出功率达到最大值,11.2%和2200 W。

余热余压空气梯级利用的双涡流管有机朗肯循环综合性能分析与优化

为充分利用工业生产中的余热余压空气能量,同时降低ORC系统冷凝热损失,该文提出一种双涡流管ORC系统(ORC coupled with double vortex tubes,DVT-ORC)。利用热源涡流管将放热后的余热余压空气分离成冷、热空气,冷空气用于工质冷却,热空气作为二级蒸发器的热源且换热后其余压用于驱动气动增压泵;利用工质涡流管将透平乏气分离成冷、热气流,热气流经气动增压泵升压再循环,冷气流进入空气冷却器冷却。以150℃、0.6 MPa的空气为初始热源,R245fa为工质,建立热力与经济的多目标优化模型,分析双涡流管冷流比和透平排气压力对系统综合性能的影响;采用遗传算法进行优化,确定系统最优工况。结果表明:当热源涡流管冷流比大于0.3时,DVT-ORC输出功大于基本ORC输出功,工质涡流管与空气冷却器的㶲损失之和较基本ORC系统冷凝器的㶲损失最大可减小1240.32 kW,单位电力生产成本较低,DVT-ORC系统热力性与经济性提升。系统最佳运行工况在透平排气压力为0.3007 MPa、工质涡流管冷流比为0.8738、热源涡流管冷流比为0.8942时,对应的净输出功为173.94 kW、热效率为13.57%、单位电力生产成本为0.415元/(kW·h)。

低温余热发电有机朗肯循环系统研究

本文设计了一种低温余热发电有机朗肯循环系统。通过对有机朗肯循环系统中各设备、部件进行建模,结合具体分析,采用R245fa有机工质,设计了低温余热发电有机朗肯循环系统,分析了独立变量各参数对系统主要性能的影响,研究了各独立变量参数对单位换热面积输出功率的影响情况,为本系统的设计及性能的改善和优化提供了有力依据。

内燃机余热回收低压有机朗肯循环系统性能优化及试验

利用工质比热容与余热源之间的匹配关系,提出了缸套水与烟气余热分别由五氟丙烷(R245fa)工质两相区与过热区匹配吸收的单回路低蒸发压力有机朗肯循环(SLL-ORC),并与复杂度相当的预回热CO_(2)跨临界动力循环(PR-CTPC)进行对比.结果表明:在回收余热温度低、缸套水余热量大的内燃机余热时,SLL-ORC性能较好,其理论最大输出功率为16.13 kW,对应蒸发压力为910 kPa、过热度为80℃,且余热回收系统具有较高的热效率.基于此SLL-ORC构型搭建试验台架,试验验证了缸套水在R245fa工质两相区回收的可行性,在试验测试余热源和透平转速均未达到设计值时系统发电机产生的电能为9.41 kW,有效提升柴油机热效率绝对值可达2.98%.

回收船舶柴油机余热的双回路有机朗肯循环系统性能分析

为了降低船舶二氧化碳排放,利用双回路有机朗肯循环(DORC)系统对船舶柴油机的排烟和缸套冷却水余热进行回收发电。通过夹点温差法构建热力学模型,高温回路用于回收排烟热量,低温回路用于回收缸套冷却水热量和高温回路冷凝热。分析9对工质组合时DORC系统的冷凝器热力学参数对系统性能的影响,结果表明:随着高温回路的冷凝温度和冷凝热负荷的增高,低温回路蒸发压力和净输出功呈现升高趋势,在高温回路冷凝热负荷为715.2 kW~1 241.2 kW时,系统总净输出功呈现先升高后降低的趋势。当高温回路采用环乙烷,低温回路采用一氯三氟丙烯(反式)为工质时,系统总净输出功可达到410.6 kW。

基于过程解耦和工质物性的有机朗肯循环性能分析

通过对有机朗肯循环工作过程的拆分解耦,利用工质物性中的临界温度、偏心因子结合循环参数推导其热力学性能表征式,进而建立循环的热力学模型,并借助该模型分析循环参数对循环热力学性能评价指标的影响规律。研究结果显示:当蒸发温度升高时,循环热效率会增大,但其净输出功和效率先增大,然后再降低;当冷凝温度升高时,循环的热效率、净输出功和效率都会下降;当过热度升高时,循环的净输出功和效率随过之降低,而循环的热效率随之增大。基于工质物性引入雅各布数,循环的净输出功和热效率随雅各布数的增大分别呈现出增大和减小的趋势,而临界温度越高热效率随之升高。

串联双级蒸发有机朗肯循环系统的多目标优化及工质优选

为了探究串联双级蒸发有机朗肯循环系统在特定工况下的最佳混合工质,选取了3组不同特性的混合工质,即R21/R113、R1234ze/R141b和R227ea/R245fa,引入热力学性能指标、经济指标和环境指标,利用非支配排序遗传算法进行多目标优化.通过求解Pareto边界,采用3种决策方法对每组工质流体进行最优解的选择,根据偏移量选取最优决策方法.结果表明:在热源温度为150℃、冷源温度为15℃的工况下,混合工质R1234ze/R141b最优解的[火用]效率相对较高,平准化度电成本(levelized cost of energy, LCOE)和当量二氧化碳排放量(equivalent carbon emission, ECE)相对也较低,热源温度也适配,为该工况下较为合适的混合工质.

基于温差发电—有机朗肯循环联合循环的铝电解槽余热综合利用系统

本文提出了一种基于温差发电-有机朗肯循环(TEG-ORC)联合循环的余热综合利用系统。为充分利用含有多种热源的铝电解余热资源,该系统根据其热源的不同该系统由烟气余热ORC子系统和侧壁余热ORC联合TEG子系统组成,通过模拟计算发现有机工质的选择、蒸发温度、TEG热端温度计塞贝克系数等对余热回收综合系统的性能有着较大影响,因此本文通过对比六种不同有机工质的性能及系统参数进行优化,经过优化,该铝电解槽余热综合利用系统可实现最大输出功率182.35kW,系统循环效率达19.2%。

烟气余热利用场景的非共沸混合工质有机朗肯循环发电系统性能分析

采用有机朗肯循环的中低温工业余热发电系统是目前实现烟气余热回收利用的主流技术之一,非共沸混合工质的变温相变特性能够有效降低换热过程的不可逆损失,拓展工质筛选范畴,从而提高系统性能。该文通过建立基于热力学与经济学的有机朗肯循环发电系统数学模型,分析采用R245fa/R134a非共沸混合工质的烟气余热利用有机朗肯循环发电系统性能,明确非共沸混合工质在系统热力学与经济学上的性能优势,考察R245fa/R134a非共沸混合工质的适用范围。结果表明,当热媒水温度低于等于160℃,非共沸混合工质净发电量高于纯工质2.6%~13.2%,生命周期净收益提高2.0%~18.8%;当热媒水温度在100~140℃、140~160℃时,分别推荐组分比例为0.8/0.2、0.9/0.1的R245fa/R134a非共沸混合物作为系统工质。研究结果可为非共沸工质在低温发电系统设计应用提供理论支撑与工程参考。

有机朗肯循环低温余热发电系统研究

余热发电是我国节能发展中的重点节能工程之一,有机朗肯循环是低温余热发电领域的主要技术。阐述了在有机朗肯循环工作原理的基础上,分析了国内外相关领域的应用现状,并对有机朗肯循环低温余热发电系统中的重要参数、设备的选择进行了详细分析和阐述,以提高余热回收的效果。

危废焚烧锅炉饱和蒸汽驱动有机朗肯循环系统热力学分析

危险废弃物焚烧处理过程中产生的热量通常用于生产饱和蒸汽以供应工业园区的蒸汽、热量等需求,也可以用于低温发电。分析了饱和蒸汽驱动有机朗肯循环(ORC)系统做功时的热力学特性。通过基本工况下蒸汽潜热型热源与ORC系统的热匹配特性分析,提出3种优化措施,并研究了单一优化和组合优化措施下以及不同工况下的系统热力学性能。结果表明,组合优化可使系统获得更优的性能,相对于基本工况,优化后的工况下最大净输出功为3 193.81 kW,提高了170.46%;热效率为23.34%,提高了30.25%;总[火用]效率为66.25%,提高了41.80%。

基于热流固耦合的增强型地热有机朗肯循环发电系统性能分析

本文建立了耦合井筒、热储、有机朗肯循环发电系统的详细数学模型,包括三维非稳态热流固耦合模型和有机朗肯循环发电系统热动力学模型,参考青海省共和县恰卜恰干热岩体地热地质特征,包括压裂储层、围岩、裂隙、井筒等特征参数,研究了注入流量、注入温度和井间距对系统净输出功、年均净输出功和热效率的影响规律。结果表明:在一定的注入流量、注入温度和净间距下,随着时间的推移,岩石孔隙压力和热应力作用使得裂隙渗透率增大,注入泵功耗是降低的,净输出功和热效率也是降低的。注入流量的增大提高了膨胀机轴功、注入泵功耗和生产温度衰减速率,进而导致热效率降低,存在最优的注入流量50 kg/s,使得年均净输出功达到最大值1470.1 kW。注入温度的增大可以提高系统热效率,降低净输出功的年均衰减速率,当注入温度为60℃时,年均净输出功最大。井间距的增大减缓了生产温度的衰减速率,有利于热效率的提高,但是也同时也增大了膨胀机轴功和注入泵功耗。当分支井间距为450 m时,年均净输出功达到最大值1497.3 kW。此研究可为增强地热发电系统的开发利用提供指导。

基于太阳能和双有机朗肯循环的液态空气储能系统特性研究

为了解决传统太阳能蓄热式液态空气储能系统(LAES-S)余热利用不完全的问题,进一步提高系统的往返效率,文章在LAES-S系统基础上,构建了一个耦合太阳能蓄热和双有机朗肯循环的液态空气储能系统(LAES-S-O),并建立了耦合系统的热力学模型,分析了关键参数对系统性能的影响。结果表明:典型工况下,子系统ORC1和ORC2的净输出功分别为1296 kW和6695.83 kW;新系统的往返效率可达117.63%,火用效率为38.97%,能量效率为28.88%,与参考系统相比,分别提升了12.58%,2.35%,1.21%。此外,该系统还为用户提供了温度为364.15 K的生活热水,实现了热电联产功效。对关键参数的敏感性分析显示,当液化压力(末级压缩机出口压力)从15 MPa升高到18 MPa,液化温度(节流阀入口空气温度)从93.15 K上升到113.15 K时,空气液化率、往返效率、火用效率随液化压力的增大而降低,液化压力和温度的提高不利于系统性能的提升;但当排气压力从5.3 MPa升高至7.7 MPa时,往返效率、火用效率均随之升高。研究结果可为液态空气耦合太阳能系统提供一定的理论支持。

热重力驱动的无泵有机朗肯循环系统的实验研究

为了研究分散式能源的高效利用方法,本文对热重力驱动的无泵有机朗肯循环(ORC)机组进行了实验研究。采用仿真与实验相结合的方法,研究了多级泵液过程的工作原理及其工作表现,搭建了一个两腔体带预热的实验机组,分析了不同工况下的系统表现。结果表明:泵液过程对膨胀机入口的压力影响不大,同时可以有效提升泵液的压力,实现增压流动过程,系统的平均发电功率为194.5 W,瞬时热效率在2.2%~3.8%之间波动,平均热效率和㶲效率为3.0%和11.8%。针对大型发电系统,考虑到大的罐体可以保证泵液过程的流速,同时双罐体并联可以实现连续的供液输出,采用单级泵液模式,双泵液腔体连续泵液,建立了大型的发电系统,发电功率在热源、冷源温度分别为98.3℃和21.5℃时,均值达到8.8 kW,平均热效率与㶲效率达到3.98%和20.95%。

地热能有机朗肯循环系统设计与动态仿真

针对地热能利用,根据地热井口条件通过热力学计算和设备选型设计了对应的ORC机组,并对该机组动态特性进行了仿真;研究了热源温度和流量、冷却水温度以及工质流量4种参数变化对ORC机组关键运行参数和性能的影响规律。结果表明:机组输出性能对冷却水温度变化最为敏感,冷热源温度增大10℃,轴功分别减小16%和增大7%;热源温度和流量增大都会使过热度、蒸发压力和轴功显著升高,热效率略有下降,但其对机组冷端传热的影响有限,对热端传热的影响很小,过热度和蒸发压力几乎不变;相比冷热源参数的变化,工质流量变化时机组关键参数的波动最小,机组能很快恢复稳定。

基于压缩机级间余热利用的有机朗肯循环发电系统综合性分析及多目标优化

针对多级压缩机级间余热利用问题,本文采用有机朗肯循环(ORC)进行余热发电.本文详细地建立了基于压缩机级间余热利用的ORC发电系统的数学模型,通过数值模拟方法对系统工况进行了初步设计,并在设计工况的基础上分析了关键热力参数对系统性能的影响,最后对整个系统进行了多目标性能优化分析.研究结果表明,使用ORC回收压缩机级间余热可以显著降低整个系统的实际耗功,且投资回收期在可接受范围内;在考察的压缩机级间压力范围内,存在不同的最佳压缩机级间压力使系统实际耗功和投资回收期分别达到最小;随着有机工质蒸发压力的增大,系统实际耗功和投资回收期变化趋势相同,均是先减小后增大;多目标性能优化的帕累托最优解集中包含多组解,决策者可根据实际工程条件从中选取最优解.

生物质化学链气化-燃气轮机-有机朗肯循环发电

生物质化学链气化(BCLG)是具有发展前景的生物质利用和碳捕集技术,有机朗肯循环(ORC)是可提高能源品位的能源转化技术。为实现生物质能源高值化利用,提出了一种生物质化学链气化联合燃气轮机(GT)并耦合有机朗肯循环(ORC)的新型发电系统。该系统通过子系统间物质/能源交换实现了不同品位能源的梯级利用。采用Aspen Plus软件进行模拟,研究以玉米秸秆、稻秆及麦秆为气化燃料时,氧与生物质比(λ)和压气机压比(PR)等对BCLG-GT系统发电效率的影响。模拟结果表明,麦秆是3种生物质中应用于BCLG-GT系统的最优气化燃料,最佳模拟工况为:λ=0.05,P_(R)=13。在BCLG-GT子系统运行最佳工况基础上耦合ORC子系统,研究了4种不同有机流体工质(R245fa、R134a、HCFC-123和R-404A)和有无回热装置对ORC子系统发电效率的影响。结果表明:R245fa具有更高的实用价值与较好的环境友好性,相较其他3种有机流体工质具有明显优势;另外,加装回热装置后,ORC系统的净输出功率提高了13.37%,新型具有回热装置的BCLG-GT-ORC发电系统的净能量效率达35.48%。本研究为工业规模的生物质化学链气化装置的设计和优化提供思路和理论指导。

考虑流动压降的有机朗肯循环热力性能分析

针对有机朗肯循环(ORC)系统建立流动压降与系统性能的数学模型,在不同的蒸发压力、过热度、夹点温差下以R134a、R245fa、R123、R600a、R236ea、R141b作为系统循环工质,分别计算变工况运行下的流动压降,探究ORC系统热效率变化系数在流动压降作用下的变化特性。结果显示,蒸发器压降是ORC系统流动压降的首要来源;影响ORC系统流动压降的决定性运行参数是蒸发压力,其次为夹点温差及过热度;蒸发压力低于0.8 MPa会导致系统热力性能的降幅增大;除R134a外,夹点温差与过热度对其余工质流动压降的影响较小,对应的系统性能变化系数均小于10%;系统采用R141b和R123的流动压降最小,此时流动压降对热效率的影响最低。