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)。

基于朗肯热力循环模型修正的热电厂热耗改进分析与实践

朗肯循环是热力发电厂的典型热力循环之一,主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀以及等压冷凝4个热力过程。在分析朗肯循环的基础上,结合实际工程案例,对4个热力过程进行优化和修正,提高了发电厂朗肯循环的效率,并结合《ASME PTC46电厂整体性能试验标准》,运用简单的Excel软件开发了机组效率分析软件,对发电厂蒸汽循环过程进行了详细的分析诊断,找出机组效率折损点以及优化提升方向。通过检修工作逐一落实热耗改进方案,实现了机组高效运行,节省热耗支出约2263万美元。

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%。

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。

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。

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。

超临界CO_(2)-有机朗肯联合循环的多目标优化

采用复合型超临界二氧化碳-有机朗肯联合循环来回收燃气轮机的余热,建立了热力学以及[火用]经济性模型,探究了关键参数对联合循环系统性能的影响规律,从热力学性能、空间紧凑性、[火用]经济性能等方面对联合循环系统进行了研究,并对联合循环进行了多目标优化。结果表明:在最优状态下复合型超临界二氧化碳再压缩-有机朗肯联合循环的效率为54.56%,比燃-蒸联合循环提高了4.2%,其单位输出功率所需换热面积为0.1178m^(2)/kW,比燃-蒸联合循环降低了21.41%。

复混生物质有机朗肯循环系统的热力性能与成本分析

随着全球变暖的日益加剧,减少温室气体的排放越来越受到社会的广泛关注,其中畜牧业畜禽粪污染物是主要来源之一。为了更加清洁有效地处理畜禽粪,利用植物与畜禽粪进行混合的生物质燃料进行燃烧发电,在减少温室气体排放的同时,将其热值进行二次利用发电。在不同蒸发温度下分别设计了以环己烷为有机工质的有机朗肯循环锅炉蒸发面积,并结合热力性能与成本得到最优工作区间。同时,通过对4种复混生物质燃料进行计算,得到不同热值的燃料对粪便处理速度的影响。研究表明,系统的输出功率和效率随蒸发温度的升高而升高,并且最优的蒸发温度区间为250~260℃。在燃料选择方面,在锅炉额定热功率一定的情况下,选择果树残枝与动物粪便混合制成的复混生物质燃料的性价比更高。

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。

有机朗肯循环无油涡旋膨胀机热力学特性研究及试验验证

为详细研究无油涡旋膨胀机的热力学特性,基于热力学第一定律、能量和质量平衡方程建立了泄漏模型和热力学模型,并进一步改变不同的工况参数来研究涡旋膨胀机泄漏量的变化情况。在综合考虑传热与泄漏对热力学模型的影响下,采用欧拉法对建立的热力学模型进行求解,得到并分析了涡旋膨胀机在运行1个周期内工质的压力、温度、质量随主轴转角变化情况。最后,通过搭建试验平台,对所建立的涡旋膨胀机热力学模型进行试验验证,并为涡旋膨胀机的性能分析提供一定的借鉴作用。

基于NSGA-Ⅱ算法的变温度热源有机朗肯循环系统性能分析及工质选择

针对120~150℃烟气余热,建立亚临界有机朗肯循环系统的数学模型。首先以R245fa为例,在不同热源温度下对系统进行了热力性能和经济性能分析;其次选取6种纯工质,基于NSGA-Ⅱ算法对系统进行了多目标优化研究;最后通过TOPSIS法和灰色关联分析对不同热源温度下的系统进行了工质选择和性能分析。结果表明:在研究温度范围内,过热度和蒸发器夹点温差的升高均不利于提升系统性能;不同热源温度下的最佳工质不同,热源温度为120℃时,R601的热力性能最优,R245fa的经济性最优,R1233zd的综合性能最优;热源温度的升高有利于提升系统的经济性能,各工质的最佳蒸发温度随着热源温度的升高而升高。灰色关联分析表明,6种工质的综合性能均随着热源温度升高有所提升。

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。

基于朗肯循环的发动机余热回收系统理论计算

为了有效利用乘用车内燃机尾气中的余热,针对一台汽油机,利用Python程序及Refprop热力学参数库对朗肯循环换热过程进行建模。输入多种工况,计算所选的几种工质在不同的系统运行最高压力、不同的循环流量的余热回收系统中工作时的热效率和输出功率等特性,分析各工质的工作特点、适用工况等。最后对各工质进行比较,结果表明:在所选用的乘用车发动机各个工况下,当输入相同时,在水、乙醇、R245fa、R1234ze四种工质中,R1234ze均能输出最高的功率,但需要的工质流量较大;而水的效率始终最高。结合需要的工质流量考虑,水是更合适的工质选择。

非共沸工质分离压缩再混合有机朗肯循环综合性能分析

为利用非共沸工质在蒸发器内“温度滑移”的优势,避免在冷凝器内“组分迁移”的不利影响。构建了非共沸工质分离压缩再混合有机朗肯循环系统(ORC with separation,compression,and remixing,SCRM-ORC)。采用分凝器将非共沸混合工质分离成2种纯工质,分别进入气液热交换器两空间进行气液换热,再对纯工质压缩、混合再利用。以120℃地热水为热源,R134a/R245fa为工质,建立热力、经济与环境性能模型,分析R134a质量分数对系统综合性能的影响,并与采用R134a的乏气压缩再循环ORC系统(compression recycling,CR-ORC)性能进行对比。采用遗传算法进行多目标优化,揭示系统最优性能与工况参数。结果表明:与CR-ORC系统相比,非共沸工质SCRM-ORC系统可有效降低冷凝热的释放量,在R134a质量分数较低时提高冷凝热回收利用量,同时具有较好的综合性能。将分凝器与气液热交换器看作整体与CR-ORC系统中新型冷凝器相比,二者[火用]损失之和与投资成本之和小于CR-ORC系统中冷凝器的。在R134a质量分数为0.2181时,系统综合性能最优,此时净输出功为3412.1kW,投资回收期为2.237年,年当量CO_(2)减排量为4520.6×10^(3)kg。

基于肖维勒准则与主元分析的有机朗肯循环神经网络建模方法

随着人工神经网络技术的不断发展,有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)神经网络模型广泛应用于系统分析和优化领域。针对现有ORC神经网络模型计算量大、时间周期长和精度偏低的问题,本文提出了基于肖维勒准则与主元分析的ORC神经网络建模方法。采用肖维勒准则对ORC实验数据进行预处理,以去除异常数据,同时数据得到规范化处理。随后,采用主元分析对ORC特征进行矩阵变换和降维,以提取与ORC运行显著相关的特征向量。最后,通过实验数据验证了提出方法的有效性。该方法可在提高模型精度的同时,降低建模所需的时间。与基于原始数据的ORC神经网络模型相比,基于该方法的ORC神经网络模型建模所需时间降低了88.69%。同时,模型预测精度提高了19.93%。

耦合光热发电储热-有机朗肯循环的先进绝热压缩空气储能系统热力学分析

先进绝热压缩空气储能是一种储能规模大、对环境无污染的储能方式。为了提高储能系统效率,本工作提出了一种耦合光热发电储热-有机朗肯循环的先进绝热压缩空气储能系统(AA-CAES+CSP+ORC)。该系统中光热发电储热用来解决先进绝热压缩空气储能系统压缩热有限的问题,而有机朗肯循环发电系统中的中低温余热发电来进一步提升储能效率。本工作首先在Aspen Plus软件上搭建了该耦合系统的热力学仿真模型,随后本工作研究并对比两种聚光太阳能储热介质对系统性能的影响,研究结果表明,导热油和太阳盐相比,使用太阳盐为聚光太阳能储热介质的系统性能更好,储能效率达到了115.9%,往返效率达到了68.2%,[火用]效率达到了76.8%,储电折合转化系数达到了92.8%,储能密度达到了5.53 kWh/m^(3)。此外,本研究还发现低环境温度、高空气汽轮机入口温度及高空气汽轮机入口压力有利于系统储能性能的提高。

集成有机朗肯循环的Allam-LNG冷电联产系统的热力学分析

为实现我国“碳达峰和碳中和”的目标,化石燃料的低碳发电甚至零碳发电是未来发电技术的重要发展方向。该文提出一种包含Allam循环和有机朗肯循环(organicRankine cycle,ORC)的冷电联产系统,并利用液化天然气(liquefied natural gas,LNG)的冷能使Allam循环透平排气液化。对系统中的设备进行建模,并比较分析4种有机工质,同时进行详细的参数敏感性分析。结果表明,相比于不包括ORC作为底循环的Allam-LNG系统,该系统具有更好的热力学性能。采用R170作为有机工质的联合循环能够获得最高的发电效率和㶲效率,分别为64.90%和45.29%。参数分析结果表明,ORC底循环参数的变化不会影响顶循环的热力学性能,并且增加ORC最大压力和有机工质流量,均能提高联合循环的㶲效率和比功。提出的冷电联产系统有效利用了LNG再气化过程中释放的冷能,提升了Allam循环的发电效率。

基于深度强化学习的有机朗肯循环内燃机余热回收系统瞬态优化控制

有机朗肯循环因其热效率较高、部件成熟的优点,被认为是目前主流的内燃机余热回收技术。然而由于实际道路工况的复杂多变,给余热回收系统在瞬变工况下的安全高效控制带来了巨大挑战。为此,该文提出基于深度强化学习的控制方法,通过线下学习优化控制结合线上做决策解决此问题。建立经过实验验证的跨临界有机朗肯循环动态仿真模型,作为深度强化学习的训练环境,进而学习到安全的优化控制策略。仿真结果表明:深度强化学习控制器相比于传统PID恒温控制器(控制膨胀机进口工质温度为定值),可将系统始终控制在更安全和高效的状态;且在未经训练的瞬态波动热源条件下,深度强化学习控制器表现出了较好的外推泛化性能。研究结果证明深度强化学习对瞬态工况下的热动力循环优化控制具有非常可观的潜力。

有机朗肯循环机器学习模型关键参数集识别

针对有机朗肯循环系统参数之间的强耦合关系,本文在试验的基础上提出了一种基于机器学习模型的关键参数集识别方法。在一套10 kW级的有机朗肯循环试验系统上开展了不同热源条件下的系统性能试验;选取蒸发器出口压力和温度、冷凝器入口压力和温度、工质泵效率和膨胀机轴效率6个系统参数为初始变量,以ORC系统热效率为目标变量,分别建立了有机朗肯循环系统多元线性、人工神经网络和支持向量机机器学习模型;最终确定了有机朗肯循环系统最佳的机器学习模型和关键参数集。研究表明:采用关键参数集可以使模型的平均误差降低13.36%,提高了模型的准确度。高准确度的有机朗肯循环系统机器学习模型可以提高模型的预测性能,进而为实现有机朗肯循环系统高效运行控制提供支撑。