（纺织工程专业论文）低温热能orc发电系统研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、针对低温热能o r c 发电系统热力循环特点，通过简化条件，推导 出系统最佳蒸发温度计算关系式。 二、采用煳分析方法，对系统工质进行优化选择。 三、提出采用热经济学分析方法对系统热交换器进行优化选择，并结 合系统特点给出了蒸发器优化目标函数以及约束条件。 四、通过设计系统运行参数和搭建实验台，对低温热能o r c 发电系 统的运行规律进行了分析。 摘要 低温热能发电效率低，技术利用难度大，因而很多情况下低温热能都被直接 排放到环境中，这不仅造成了能源的浪费，同时也给环境带来了威胁。低温热能 o r c 发电技术是一种新型的能量回收技术，可实现对这部份能源的回收利用。 本文依据工程热力学基本原理和实验研究，对低温热能o r c 发电系统进行了 研究。重点研究了低温o r c 发电系统组成、运行原理、热力过程以及系统热力循 环特点；确定了冷凝器和蒸发器温度压力及其相关参数，给出系统最佳蒸发温度 计算式以及提出了烟效率作为评价系统的指标；从工质干湿性、技术可行性以及 环保性对系统工质进行了遴选，并结合炯分析的方法对四种适合低温应用的工质 进行优化选择，得出最适合系统的工质；采用热经济性分析方法对低温热能o r c 发电系统蒸发器的优化选择，选择风冷式冷凝器作为系统冷凝器。 通过设计和搭建实验台，对低温热能o r c 发电系统运行规律进行分析和验 证。实验结果表明：提高热源温度可以提高系统对外输出功列时也提高了系统热 效率；质量流量从0 0 2 k g s 变化到0 1 k g s 时，- 丁质的蒸发压力和系统热效率 都随之提高，而热效率的提高不明显。通过计算机模拟表明：降低冷凝温度可以 提高系统热效率。 对低温热能o r c 发电系统的研究成果，为以后进。步的纯低温热能发电的 实验研究提供了参考，同时它实现了对低温热能的回收利用，提高了对能源的利 用效率，因此在工程应用上有重要意义。 关键词：低温热能；o r c ；有机工质；优化选择；热经济学分析 a b s t r a c t l o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yi sd i s c h a r g e di n t ot h ea t m o s p h e r ei nm a n yc a s e s f o ri t sl o wg e n e r a t i o ne f f i c i e n c ya n db i gu s i n gd i f f i c u l t y , s oa si tc r e a t e st h ee n e r g v w a s t ea n db r i n g st h r e a t e nt oe n v i r o n m e n t l o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r c p o w e r s y s t e mi sak i n do fn o v e le n e r g yr e c o v e r yt e c h n i q u ea n dc a nr e c y c l et h i se n e r g y l o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r cp o w e rs y s t e mi ss t u d i e db yf u n d a m e n t a l so f e n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c s a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hi nt h i s p a p e r t h e c o m p o n e n t s ，r u n n i n gp r i n c i p l e ，t h e r m a lp r o c e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r m o d y n a m i c c y c l eo fo r cs y s t e ma r em a i n l ys t u d i e d t h et e m p e r a t u r e p r e s s u r eo fc o n d e n s e r sa n d e v a p o r a t o r sa n do t h e rr e l e v a n tp a r a m e t e r so fs y s t e ma r ed e t e r m i n a t e da n do p t i m a l e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r eo fs y s t e mi sg i v e na n da l s ot h ee v a l u a t i o ni n d e xo ft h i s s y s t e mb ye x e r g ye f f i c i e n c ya r ep r o p o s e d t h ew o r k i n gf l u i d sa r ep r e s e l e c t e df r o m s l o p eo fc u r v e ，t e c h n o l o g i c a lf e a s i b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o no ft h e s e w o r k i n gf l u i d s o p t i m a ls e l e c t i o nf o rf o u rw o r k i n gf l u i d ss u i t a b l ef o rl o w t e m p e r a t u r e a p p l i c a t i o ni sm a d eb ye x e r g ya n a l y s i sa n dt h e nt h em o s ta d a p t a b l eo n ei ss e l e c t e da s t h ec y c l ef l u i do ft h es y s t e m t h ee v a p o r a t o r so fl o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r c p o w e rs y s t e ma r eo p t i m a l l ys e l e c t e du s i n gt h e r m a le c o n o m i c sa n a l y s i sa n da i rc o o l e d c o n d e n s e ri sc h o s e nt ob ea ss y s t e mc o n d e n s e r , c o m p a r e ds e v e r a lc o m m o n c o n d e n s e r o p e r a t i o nl a wo fl o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r c p o w e rs y s t e mi sa n a l y z e d a n dv e r i f i e dt h r o u g hd e s i g na n dp u t t i n gu pt e s t - b e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a t t or a i s et e m p e r a t u r eo fh e a ts o u r c ec a ni n c r e a s ew o r ko u t p u ta n di m p r o v i n gs y s t e m e f f i c i e n c y ；w h e nm a s sf l o wi s c h a n g e df r o m0 0 2 k g h s t oo 1k g s ，e v a p o r a t i n g p r e s s u r ea n ds y s t e me f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d ，h o w e v e r , t h es y s t e me f f i c i e n c yi n c r e a s e s l i g h t l y ；d e c r e a s i n gc o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r ec a ni m p r o v i n gs y s t e me f f i c i e n c yb y c o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s e a r c hr e s u l t so fl o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r c p o w e rs y s t e mn o to n l y p r o v i d e sr e f e r e n c ef o rf u r t h e re x p e r i m e n t a ls t u d yo fl o w t e m p e r a t u r ep o w e rs y s t e m ， b u ta l s oc a nr e c y c l el o w t e m p e r a t u r ee n e r g ya n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yf o r r e s o u r c ea n de n e r g y s oi th a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gi ne n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：l o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g y , o r c ，w o r k i n gf l u i d s ，o p t i m a ls e l e c t i o n ， t h e r m a le c o n o m i c sa n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1低温热能发电技术及特点1 1 1 1 有机朗肯循环2 1 1 2 卡林纳循环3 1 1 3 氨吸收式动力制冷复合循环4 1 2 国内外低温热能o r c 发电系统研究现状及应用5 1 2 1 太阳能发电5 1 2 2 工业余热发电6 1 2 3 地热发电6 1 2 4 生物质能发电7 1 3 课题研究内容8 第二章低温热能o r e 发电系统及参数9 2 1 有机朗肯循环热力系统9 2 1 1 理想有机朗肯循环9 2 1 2 非理想有机朗肯循环1 0 2 1 3 有机朗肯循环的改进1 l 2 2 低温热能o r c 发电系统组成及原理1 1 2 3 系统循环参数的确定15 2 3 1 确定冷凝器温度压力参数1 5 2 3 2 确定蒸发器温度压力参数1 6 2 3 3 系统其余参数的确定1 8 2 3 本章小结2 2 第三章低温热能o r c 发电系统工质优化选择2 3 3 1 系统对工质特性的基本要求2 3 3 2 系统工质优化选择2 6 3 2 1 系统工质选择的优化方法2 7 3 2 2 系统工质比较分析2 8 3 3 本章小结3 2 第四章系统热交换器选型3 3 4 1 热交换器分类3 3 4 2o r c 系统用热交换器3 3 4 2 1 套管式热交换器3 3 4 2 2 壳式换热器3 4 4 2 3 翅片式热交换器3 5 4 2 4 板式热交换器3 6 4 2 5 螺旋板式热交换器3 7 4 2 6 热管式热交换器3 8 4 3 蒸发器的优化选择3 9 4 3 1 热经济学分析的优化原理3 9 4 3 2 蒸发器优化的目标函数4 1 4 4 冷凝器的选择4 2 4 4 1 冷凝换热过程4 2 4 4 2 冷凝方式的确定4 3 4 4 本章小结4 4 第五章实验及分析4 5 5 1 实验系统设计4 5 5 1 1 系统循环参数设计4 5 5 1 2 动力设备的选择4 8 5 1 3 工质泵的选择5 l 5 1 4 系统工质充液量5 2 5 1 5 加热系统和数据测量系统5 3 5 2 实验方案确定j 5 5 5 2 1 热电偶的布置5 5 5 2 2 压力表的布置5 5 5 3 实验结果分析5 6 5 3 1 热源温度对系统性能的影响5 6 5 3 2 质量流量对系统性能的影响5 8 5 2 3 冷凝温度对系统热效率的影响5 9 5 3 本章小结5 9 第六章结论与展望6 1 6 1 结论6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况说明6 7 附录6 9 致谢7 3 第章绪论 第一章绪论 能源问题和环境污染问题是当今世界面临的两大主要问题，也是制约我国国 民经济发展的主要因素。由于煤、石油、天然气等常规能源的大规模使用，加之 能源利用效率低下，矿物燃料燃烧时生成的二氧化碳、烟尘、硫化物和氮氧化物 等有害物质，对室外环境造成极大的危害，对人类生存的大环境也造成了严重的 威胁。国务院在“十一五”规划纲要关于节能目标中明确提出了“解决我国能源 问题的根本出路是坚持开发与节约并举、节约优先的方针，大力推进节能降耗， 提高能源利用效率。节能是缓解能源约束，减轻环境压力，保障经济安全，实现 全面建设小康社会目标和可持续发展的必然选择，体现了科学发展观的本质要 求，是一项长期的战略任务，必须摆在更加突出的战略位置。”因此，除了煤 炭、石油、天然气等不可再生高级资源可以发电外，如何充分开发利用可回收利 用的低温热能发电便成了当今世界各国研究的重要课题之一。 低温热能足指品位相对较低的热能，一般温度低于2 0 0 瞳1 ，这些能源种类 繁多，包括太阳能、各种工业废热、地热、海洋温差以及生物能等可再生能源， 由于发电效率低，技术利用难度大，因而很多情况下都被直接排放到环境中，造 成能源浪费。有统计指出，人类所利用的热能中萑f 5 0 最终以低品位废热的形式 直接排放口1 ，这不仅造成了能源的浪费，同时也可能给环境带来了威胁。因此利 用和回收这部分能源，既有助于解决我国的能源问题，又能减少能源生产过程中 的环境污染，具有十分重要的意义。为此，本课题提出了低温热能0 r c 发电系统， 来研究和实现对低温热能的回收利用。 1 1 低温热能发电技术及特点 低温余热利用有多种形式，包括直接利用、间接利用等。其中低温余热发电 则是诸多利用方式中以能源形式输出的一种节能方式，受到很多专家学者的关 注。 目前，低温热能的回收利用经常采用有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ， o r c ) 、卡林纳循环( k a l i n s ) 以及氨吸收式动力制冷复合循环叫3 。有机物朗肯 循环采用不同的有机物工质( 或者混合物) ，可回收不同温度范围的低温热能； k a l i n a 循环是以氨水混合物为工质的循环；氨吸收式动力制冷复合循环是一种新 型混合工质联合循环。 人津上、i k 大学硕士学位论文 1 1 1 有机朗肯循环 地热井 图1 - 1 有机朗肯循环示意图 却水 有机朗肯循环通常使用低沸点有机工质，女1 1 r 11 、r 1 2 3 , ；f i i r l3 4 a 等，利用中低 温地热流体与低沸点有机工质换热，使后者蒸发，产生具有较高压力的蒸汽推 动汽轮机做功发电。文献瞄卅上对比了水蒸汽循环和有机工质朗肯循环各自的特 点，并归纳出后者在低温热源发电上相较前者的若干优势： ( 1 ) 对较低温度热源的利用有更高的效率。 ( 2 ) 有机工质蒸汽密度大( 见表1 - 1 ) ，比容较小，因此此所需汽轮机的尺寸 ( 特别是减小汽轮机末级叶片的高度) 、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直 径均较小。 农1 - 1 水蒸汽和三种有机工质的压力、密度比较表 蒸发温度( ) 5 01 0 01 5 0 水蒸汽压力( m p a ) o 0 1 2o 1 0 10 4 7 6 水蒸气密度( k g m 3 ) o 0 8o 6 2 5 5 r 11 蒸汽压力( m p a )0 2 3 60 8 2 32 115 r 1 1 蒸气密度( k g m 3 ) 1 2 9 24 3 2 611 9 8 2 r 1 2 3 蒸汽压力( m p a ) o 2 1 20 7 8 62 0 9 9 r 1 2 3 蒸气密度( k g m 3 ) 13 0 3 4 6 9 94 6 9 9 r 1 3 4 a 蒸汽压力( m p a ) 1 3 1 83 9 7 2 r 1 3 4 a 蒸气密度( k g m 3 ) 6 6 6 7 23 7 3 0 1 第。章绪论 ( 3 ) 与水蒸气不同，有机工质在膨胀作功过程中，从高压到低压始终保持干 燥态，这就消除了形成湿气以及当高速小水滴冲击汽轮机时，产生腐蚀损坏的可 能性。所以，0 r c 能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动， 不需要装过热器。 ( 4 ) 与水蒸气相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利 的空气动力配合，在5 0 h z 时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。 ( 5 ) 有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力的情况下工作， 使得有机工质的漏失现象大为降低。 ( 6 ) 有机工质凝固点很低( 低于一7 3 ) ，这就允许它在较低温度下仍能释放 出能量。这样做，在寒冷天气可增加出力，冷凝器也不需要增加防冻设施。 1 1 2 卡林纳循环 冷 却 水 图卜2 卡林纳循环示意图 1 富氨溶液；2 富水溶液；3 工作溶液；4 基本溶液 。孓林纳循环系统由循环工质蒸发单元、透平单元和冷凝单元组成。如图卜2 所示：循环热源为地热水，地热水在蒸发器中加热混合工质( 工作溶液) ，使之 成为过热蒸汽；过热蒸汽进入蒸汽透平做功之后的排气余热用于分馏过程所需的 能量，分离形成“富氨溶液”和“富水溶液”；“富水溶液”和“工作溶液”混合 形成含氮浓度较低的“基本溶液”，在低压冷凝器中实现完全冷凝；“基本溶液 升至相对压力较高压力后与“富氨溶液”混合，重新形成“：_ 作溶液”并在高压 人津上、j k 大学硕士学位论文 冷凝器冷凝后采升压进入蒸发器，完成一个循环过程。8 3 。 卡林纳循环使用氨水混合物作为工质，其基本过程类似于有机朗肯循环，但 有两点重要的区别：1 ) 在热源吸热时，非共沸的氨水混合物与变热源温度有良 好的匹配性，减少了热量传递过程的不可逆性；2 ) 在冷源放热时，通过改变混合 工质成分浓度的方法，减少了混合工质在“冷端”的不利性，实现较低压力下混 合工质的完全冷凝。为了在“冷端”实现变混合工质成分浓度的目的。卡林纳循 环利用吸收式制冷技术和回热技术，在设备成本投入上高于有机朗肯循环。 1 1 3 氨吸收式动力制冷复合循环 余 执 锅 炉 1 2 泵2 6 阀门2 鼙b 轧换癌器1 积1 弦i ； 紧e 一 图卜3 氨吸收式动力制冷复合循环示意图 阔f - j 1 9 氨吸收式动力制冷复合循环流程见图1 - 3 所示。循环系统包括加压分流过程、 制冷子循环、动力循环、换热节流过程。1 ) 加压分流过程：基本浓度工质( 1 ) 经泵1 增压后，送入分流器( 2 ) ，分为2 股：流股( 3 ) 经两回热器加热后，送入精馏 塔( 5 ) ，分离为浓氨( 6 ) 和稀氨水( 1 6 ) ；流股( 9 ) 经节流后送入高压吸收器( 1 0 ) 。2 ) 制冷子循环：精馏塔顶部馏出并冷凝后的冷剂浓氨溶液( 6 ) 经节流后送入蒸发器 蒸发制冷( 7 ) ，所得浓氨蒸汽( 8 ) 被送往高压吸收器，与另一股基本浓度工质( 1 0 ) 混合，使工质由基本浓度提升为做功工质浓度( 1 1 ) 后，再送往动力子循环，减小 了下游余热锅炉中加热过程的传热温差，降低了好损失。3 ) 动力子循环：具有 较高浓度的做功工质( 1 1 ) ，经泵2 升压( 1 2 ) 、余热锅炉加热后，成为过热富氨蒸 汽( 1 3 ) ，送入透平做功。乏汽( 1 4 ) 经降温后，送入低压吸收器( 1 5 ) ，实现吸收冷 凝过程。( 4 ) 换热节流过程：精馏塔分离出的稀氨水溶液( 1 6 ) 经换热节流后，送 入低压吸收器( 1 8 ) ，与透平乏汽( 1 5 ) 混合，使冷凝过程中工质由做功工质浓度下 第章绪论 降为基本浓度( 1 ) ，一方面冷凝过程的温度匹配状况得到改善，另一方面有利于 降低透平背压，增大出功。自低压吸收器流出的基本浓度工质再送入泵1 ，开始 新的循环睁。 氨吸收式动力制冷复合循环足混合工质中低温动力循环与制冷循环的有机 结合，既充分发挥了吸收式制冷循环利用低温热源制冷的特点，又克服了混合工 质冷凝温度远低于透平排汽温度的致命弱点；同时该循环性能比常规混合动力循 环有着明显的提高。 1 2 国内外低温热能o r c 发电系统研究现状及应用 国内外对于低温热能利用的研究主要开始于2 0 世纪7 0 年代石油危机时期。其 中，有机物朗肯循环的研究和应用最为广泛。早在1 9 2 4 年，有人就开始研究采用二 苯醚作为工质的有机物朗肯循环。到目前为止，全世界已有2 0 0 0 多套o r c 装置在运 行，并且生产出单机容量为1 4 0 0 0 k w 的o r c 发电机组乜3 。低温热能o r c 发电系统主 要应用在太阳能、工业余热、地热能以及生物质能等领域。 1 2 1 太阳能发电 2 0 0 5 年，希腊学者d m a n o l a k o s 等人报道了基于采用r 1 3 4 a 工质有机朗肯循环 的太阳能海水脱盐系统n 引。 2 0 0 7 生g ，西班牙学者l o u r d e sg a r c i a - r o d r i g u e z 等人设计了用太阳能淡化海 水的系统，其中选择使用了氨、甲苯等7 种有机工质，其中甲苯的效率最高h 3 。 2 0 0 9 生1 z ，天津大学的赵力等人，发表了非共沸工质用于太阳能低温朗肯循环 的理论研究1 。 上海交通大学与日本鸟取大学等单位合作，开展了基于o r c 系统的低品位热 能发电系统的研究。主要研究方向是基于太阳能集热技术的低品位热能发电，新 工质的特性研究，混合工的特性研究，基于有限时间热力学的系统动态特性研究 盎? 【l | 5 】 1 亍。 在理论研究的同时，很多国家已把有机朗肯循环太阳能利用系统进行了商业 化，实用化。2 0 1 j 纪5 0 年代后期，以色列围家物理实验室设计制造了用于有机物 朗肯循环的透平，其热源为平板集热器收集的低于l o o 的太阳热能n 引。美国从8 0 年代开始建造的s e g s ，其总发电鼍达到3 5 4 m w ，单系统的最大装机容量达到8 0 m w ( s e e sv i i ia n ds e g si x ) ，是世界上最大的太阳能热电系统。 人淖上、l k 大学硕士学位论文 1 2 2 工业余热发电 在工业生产中，余热能源普遍存在。冶金行业的高炉煤气，炼铁厂高炉汽化冷 却水，平炉汽化冷却水，石化行业炼油装置的催化、裂化、焦化冷却水，化工行业 硫酸生产中的焙烧、焚硫工序等都存在大量余热。为此国内外一些学者主要针对 回收工业余热的有机朗肯循环工质的选择进行了大量的研究。 意大利米兰理工) k 学a n g e ln og 等人针对用于回收工业余热的有机朗肯循环 工质提出了分类。同时他们对混合工质的研究证明了混合工质效率较高n 。 美国学者g a r y i z 等通过对比研究r 1 2 3 和r 2 4 5 f a 的热力性能，认为当废热温 度为1 5 0 _ 一2 5 0 时，r 2 4 5 f a 的性能优于r 1 2 3 u 8 j 。 台湾义守大学h u n gtc 等人重点研究了苯、甲苯、对二甲苯、r 1 1 3 矛i r l 2 3 等五种有机工质，并通过改变废热温度，来对比这五种工质的热效率口9 1 。 上海交通大学的顾伟、翁一武等人发表了从微观角度看工质的特性，认为氟 利昂工质分子组成结构的研究更能对新工质的开发和物性预测起到重大的指导 作用1 。 o r c 技术在工业余热利用方面的实例很多，表卜2 给出了o r c t 支术在部分国家 和工业领域的应用。 表1 - 2o r c 技术在工业领域的应用 类型精炼j _ 。石化厂一造纸厂焚烧炉燃气轮机 电厂位置美国美国荷兰日本加拿大 余热类型 柴油 碳氢化合物低压蒸汽 蒸汽燃机尾气 流量( t h )5 0 8 51 36 72 9 5 进口温度 1 8 41 0 41 0 51 6 72 7 5 出口温度 8 08 58 08 09 2 冷凝器水水空气空气 输出功率k w 3 0 07 8 09 3 05 5 05 8 2 5 1 2 3 地热发电 1 9 6 7 年，前苏联在帕拉唐卡建立了世界第一座地热双循环电站乜1 i ，装机容量 5 0 0 k w 。目前，该电站还在扩容，随着四号机的完善，总装机量将达到1 8 m w 。美 国自7 0 年代开始，在双循环发电技术实用领域一直领先，陆续在加州和爱德华 州等地建成多个地热双循环发电站乜引，装机容量从l o k w 至1 5 0 0 k w ，再至i o m w ，至 第章绪论 8 0 年代仍不断扩大。 o r c 纯低温余热发电技术在我斟地热发电方面已得剑初步应用心3 叫1 l 。我困的 小型双工质循环系统地热电站一辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2 l o o k w ，利 用地热水( 水温7 5 c ) 发电，于1 9 7 7 年- - l1 月投入运行。1 9 9 3 年西藏地区所建成的 那曲双循环地热电站，使用机组为以色歹u o r m a t 公司产品，装机容量为1 m w ，井口 温度为1 1 0 。此外，台湾土场地区在1 9 8 3 ：年建成双循环地热电站一座，井口温 度为1 7 3 ( 2 ，装机容量0 3 m w 。9 3 年至0 3 年1 0 年问，我国没有新建地热电站，地热 研究普遍集中于高温地热资源，中低温地热发电技术研究处于摸索阶段。杨嘉祥 等人进行了可适用于地热源的低温余热发电小型设备实物化。 截至2 0 0 5 年，全球双循环地热发电总装机容量己达6 8 5 m w ，占全球地热发电 总装机容量的8 ，共有机组1 9 2 台，占全球机组总数( 4 6 9 台) 的4 1 ，有越来越 多的国家加入地热双循环发电研究的队伍中来。 1 2 4 生物质能发电 目前，生物质能是新能源领域的研究热点之一，对于使用生物质能的小型热 电系统，与水蒸气朗肯循环相比较，o r c 系统表现出更高的性能。生物质的集中 燃烧由于可以控制燃烧过程，因而也具有很好的环保效应。 奥地利学者i n g w a l do b e r n b e r g e r 在2 0 0 2 年报道了奥地利蒂罗尔州利用生物 质能驱动有机朗肯循环产生热电的机组系统心5 1 。该机组电容量为1 m w ，热容量为 4 4 m w ，循环最高温度为3 0 0 ，有机朗肯循环工质采用硅油。 d a m i a n ac h in e s e 等人在仿真研究中指出，基于o r c 系统的集中式生物质电站 其经济效益高于分散的小型系统盟6 1 。 德国学者u 1 1i d r e s c h e r 等人对利用生物质能驱动有机朗肯循环的工质要求 进行了研究瞳引。他们认为，在最高温度为3 0 0 左右时，系统的最高压力以0 9 1 5 m p a 为佳；烷基苯族表现出了最佳的性能。 意大禾l j t u b o d e n 公司的生物质o r c 系统采用具有回热的o r c 系统，其商业化产 品有从5 0 0 1 5 0 0 k w 的一系列产品，可以为用户提供电和热，实现分布式供能。2 0 0 5 年在欧洲生产的电力达到约1 7 m w ，其所采用的生物质原料主要是家具工业的废弃 木材等。 由于o r c 系统相对于水为介质的朗肯循环具有很多优点，所以近些年o r c 系统 也广泛应用在了海洋温差能发电和l n g ( 液化天然气，l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ) 冷能利用，如，日本东京电力服务公司在太平洋岛国瑙鲁建造了一个o t e c ( 海洋 温差能，o c e a nt h e r m a le n e r g yc o n v e r s i o n ) 电站，这个电站的总电力输出为 1 2 0 k w ，净电力输出为3 0 k w 乜别。1 9 9 9 年中国科学技术大学的程文龙博士，选用初 _ 人淖上、i k 大学硕士学位论文 始温度为一1 4 0 。c 的液化天然气：币h r 5 0 2 作为工质，且对循环过程进行了改进，使得 冷能回收效率提高虱j 5 0 左右瞳。 1 3 课题研究内容 本课题以工程热力学基本理论为基础，对有机朗肯循环低温热能发电系统进 行了研究。主要内容如下： 1 研究低温热1 u o r c 发电系统原理，确定系统各个主要参数； 2 根据系统特点，用理论分析和计算机模拟的方法优化系统工质选择； 3 确立热经济性分析的方法优化系统热交换换热器选型； 4 根据设计运行参数，搭建实验台，进一步研究和分析系统运行性能。 第二章低温热能o r c 发电系统及参数 第二章低温热能0 r c 发电系统及参数 低温热能o r c 发电系统一种通过将热流体与低沸点工质换热，再将低沸点工 质引入汽轮机进行能量回收的系统方式。本章主要对低温热能o r c 发电系统原理 以及系统热力参数的确定进行研究。 2 1 有机朗肯循环热力系统 有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 是相对于传统以水为工质的 朗肯循环而言的，它是利用低沸点，高分子量的有机物作为循环工质进行回收低 温热能，操作温度一般为7 0 一9 0 【3 0 】。由于采用了低沸点工质，有机朗肯循环 主要应用在低品味能源的利用上，如余热、地热、太阳能以及生物能等多种热源。 有机朗肯循环的原型最早足由以色列太阳能工程师h a r r yz v it a b o r 和l u c i e n b r o n i c k i 提出的。本文研究的低温热能发电系统是基于有机朗肯循环热力系统之 上的，因此对有机朗肯循环的热力系统分析显得十分重要。 2 1 1 理想有机朗肯循环 理想有机朗肯循环，膨胀和压缩过程视为等熵过程，蒸发和冷凝过程视为 等压过程。 ( a ) 8 图2 - 1 理想有机朗肯循环 ( b ) v 人津上、l k 大学硕士学位论义 ( a ) 温熵图t - s ( b ) 压比i 刳p v 热动力循环的轮廓可以初略的评价出系统的效率和做功大小【3 ，女l l 图2 1 所 示： 1 温熵图t - s 反映了系统的热效率，循环轮廓越接近规则的长方形，系统 就越接近卡诺循环，那么系统的热效率就越高。 2 压力和比容图p v 反映了系统的做功大小，曲线包围的面积就代表了系 统的输出功。 一般情况下，循环轮廓越是接近长方形，p v 图中围成的区域越是平整。在 传统的朗肯循环中，p v 图显示出系统的输出功较大，但是系统的t - s 图中循环 轮廓较不规则，所以系统效率略有下降。 2 1 2 非理想有机朗肯循环 由于系统中存在不可逆性，所以系统效率和输出功有所下降。系统中不可逆 性主要表现在两个方面： 1 在工质膨胀过程中，并非为等熵过程，只有一部分能量在压力差中转换 为有用功，其它的能量因摩擦和泄漏以热能形式散失掉。 2 在换热过程中，由于管道存在摩擦阻力，工质在循环过程中，存在压力 降。 图2 2 显示了非理想有机朗肯循环和理想有机朗肯循环的对比。 s j k g - k 图2 2 非理想和理想朗肯循环的对比 第二章低温热能o r c 发电系统及参数 2 1 3 有机朗肯循环的改进 一般情况，利用低沸点有机物为循环工质回收低品位能源时，系统的效率较 低，一般在8 一1 2 之间【3 2 】。所以为了提高系统的热效率，系统需要进行改进。 如图2 3 所示： 图2 - 3 带有内部换热器的有机朗肯循环 对于采用干流体为循环工质的系统，工质从汽轮机出来的状态点一般落在过 热区，工质的温度高于冷凝温度，这时可以在汽轮机的出口和泵的出口添加一个 逆流形式的换热器，对进入蒸发器中的液体工质进行预热，系统的热效率将提高。 低温热能o r c 发电系统是建立在基于有机朗肯循环的热力系统之上，分析 和研究有机朗肯循环，有助于了解和研究低温热能o r c 发电系统的运行原理， 同时也是研究低温热能o r c 发电系统的基本理论基础。 2 2 低温热能0 r c 发电系统组成及原理 基于有机朗肯循环低温热能发电系统主要由高效换热器( 蒸发器) 、汽轮机、 发电机组、冷凝器、储液罐、工质泵及数据测量设备组成。此系统的基本流程见 下图2 4 。 人津上、i k 大学硕士学位论文 f 图2 4 低温热f i 皂o r c 发电系统图 高压不饱和液体工质进入高效换热器( 蒸发器) ，吸收低温热能的热量变成 高温高压的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，进而推动发电机发电，此时工质部分 能量转换成电能，从汽轮机出来的低温低压蒸汽进入冷凝器中冷凝换热成饱和的 液体储存在储液罐中，然后工质泵把储液罐的液体工质打入蒸发器中完成一次循 环。 这种系统的特点是低沸点物质在这个闭合回路中循环，工作时起“介质 的 作用，只要管道和设备严密不漏，低沸点物质并不消耗；其次，低沸点物质在循 环中和含热流体、冷却水都不是直接接触的，而是隔着管壁传递热量，因此，除 了排出的含热流体温度降低了一些，冷却水温度升高了一些外，这两部分在品质 上都没有任何变化，仍然可以用作其它生产，生活用途口引。图2 5 给出了系统的 蒸汽动力循环图。 第二章低温热能o r c 发电系统及参数 u l 噬 媚 熵s ( k , k g k ) 图2 - 5 低温o r c 发电系统蒸汽动力循环图 此系统包括了四个热力循环过程： 1 2 ：视为等熵压缩过程。泵把液态工质从储液罐打入到蒸发器中，压力由 低压液体转换成高压液体，其中泵消耗的功为： 睨= 朋二o ：一h 。) ( 2 1 ) | | p 式中，r p 一泵的等熵效率 2 3 ：视为等压换热过程。工质在蒸发器中吸热变成高压高温饱和蒸汽( 过 热气体) ，其中换热量为： q ，= m ( h 3 一h 2 ) ( 2 - 2 ) 3 叫：视为等熵膨胀过程。高压高温蒸汽工质在膨胀机中膨胀做功后变成了 低温低压蒸汽( 可能发生相变，有液体产生) 。其做功为： 彬= m ( h 3 一h 4 加， ( 2 - 3 ) 叩，一膨胀机的等熵效率 卜1 ：视为等压冷凝过程。从膨胀机中出来的低温低压蒸汽在冷凝器中放热， 被冷凝成饱和液体，储存在储液罐中。其中放热量为： q o = m ( h 4 一h 1 ) ( 2 - 4 ) 由于工质的不可压缩性( 或压缩过程中体积变化很小) ，故泵功常可按下式 近似计算： 人淖1 q k 大学硕士学位论文 = m ( v d p ) = m y i ( p ：咱) ( 2 - 5 ) ，p 、 在通常的朗肯循环中，例女i | 在最简单的水蒸气动力循环中( 由锅炉、汽轮机、 冷凝器和水泵组成) ，由于泵耗远小于汽轮机做功，所以在近似计算中常常忽略 泵功既不计。但在低温热能o r c 系统中，由于工质流量和汽轮机焓降较小，所 以工质泵耗功相对于汽轮机做功并不是可轻易忽略的，这在计算系统发电能力时 尤为重要；同时考虑汽轮机和泵的等熵效率，所以循环的热效率为： 形彬一既 玑2 西2 百2 。一办4 加，一幽 ! 芝 ( 2 6 ) h 3 一h 2 由十糸统还仃参数的确足与工质热力性质峦切相夭，所以工质热力性质计算 的精度直接影响了系统运行性能。对于低温热能o r c 发电系统，为了提高计算 精度，采p e n g r o b i n s o n 状态方程及热力关系，来计算各类流体的热力性质。以 m a x w e l l 关系式为出发点，如下式1 ： 嘲矿- 飘( 2 - 7 ) 飘= 一圈p ( 2 - 8 ) 将焓与熵表示成温度与压力的函数，利用m a x w e l l 关系式代入，便可得： d h = c p d t + 卜丁嘲尸卜 悟9 ) 出- 等一陶p d p ( 2 - 1 0 ) 而饱和液态之焓值与熵值以及潜热值之计算，则以c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程式 来求得，方程式如下所示： d h ( p ，丁) ：t a y a l p j ( ；r 一) ( 2 11 ) 出( p ，丁) = 丁d h ( p , t ) ( 2 1 2 ) 在状态方程式的选择上，将采用p e n g r o b i n s o n 状态方程式，同时运用蒸汽压 力方程式与理想气体比热方程式，来进行压力、温度与比容的相关计算。 p e n g r o b i n s o n 状态方程式之形式如下所示： 刖= 等一器v d ( 2 砌) 1 ，一d1 ，一+ zd 第二章低温热能o r c 发电系统及参数 其中： i c a l 卜川 一压 2 防川 ( 2 1 5 ) k ( = 0 3 7 4 6 4 + 1 5 4 2 2 w 一0 2 6 9 9 2 w 2 ( 2 1 6 ) 式中，尺一气体常数 只懒，一临介压力( m p a ) 乙打妇，一温度( m p a ) w 一偏一心因子 在焓值与熵值的计算方面，将采用理想气体的焓差与熵差的计算式，加以应 用d e p a r t u r ef u n c t i o n 的概念，以获得真实饱和蒸汽与过热蒸汽状态之焓值与熵 值。 由上面的状态方程和热力关系式，可以确定系统动力循环各个状态点流体热 力性质，进而可以确定系统循环参数。 2 3 系统循环参数的确定 饱和液体在蒸发器中汽化和蒸汽在冷凝器中凝结成饱和温度有对应关系，只 要确定了蒸发器的温度z 就能确定蒸发器中的压力，确定了冷凝温度乏就能确 定冷凝器中的压力只引。 2 3 1 确定冷凝器温度压力参数 冷凝器作为换热设备和制冷系统中的冷凝器作用相似。冷却剂换热温差不变 的情况下，冷凝温度较低，要求冷源温度较低，能耗增大，同时本系统考虑到小 型汽轮机的压缩比较低，所以应适当提高冷凝温度。对于低温热能o r c 系统，冷 凝温度可下面的公式确定。 冷凝温度z 可由下式确： 乃= t l + 6 f ( 2 17 ) 式中，厶为冷却剂的进口温度，冷却剂的进 j 温度越高，那么换热后工质的 冷凝温度就越高，冷凝压力p 也相应较高，这将使汽轮机进出口压差减小，因此 发电量也将减少，所以应该根据实际情况，选择冷却方式；6 f 为冷凝温度和冷 入淖上q p 大学硕士学位论文 却剂进口温差，6 z 选择小些，可以使凝结温度低些，增加发电量，但是冷凝器 的传热面积需要大些。一般水冷式取7 1 4 。( 2 ，对于风冷式冷凝器 3 6 】一般取lo 一1 6 。冷凝温度确定了，从而可以确定了冷凝器压力e 。 2 3 2 确定