工程热物理进展结课论文课件

1、工程热物理进展结课论文 题 目 太阳能的有机朗肯循环低温发电系统 研究现状与优化建议 学 院 机电工程学院 学 号 ×××× 学生姓名 × × × 指导老师 × × × 撰写日期：× × × 年 ×月 ×日摘 要 结合太阳能分散性强、品位低、适合得到中低温热能的特点，有机朗肯循环在中低温领域热力循环性能表现优越，将0RC与太阳能集热器相结合，提出太阳能的有机朗肯循环低温发电系统。研究工质对系统性能的影响，对系统性能进行优化，是改善ORC系统性能的

2、关键。本文提出了优化该系统的建议：选择适合的工质、采用再热型循环、采用抽汽回热型循环。关键词： 太阳能、有机朗肯循环、低温热发电、研究现状、优化建议The research situation and the optimal suggestions of low-temperature power generation based on solar organic rankine cycleAbstractCombined with the characteristics of solar energy is dispersion, low grade, suitable for low-te

3、mperature heat energy, and organic rankine cycles thermal cycle performance is superior in low temperature field. Combining ORC and solar collector, put forward the low-temperature power generation based on solar organic rankine cycle. Study the influence of the working medium for system performance

4、, optimize the system performance, are the key to improve the ORC system. This paper puts forward some Suggestions of optimize the system: choosing a suitable medium, using the reheating cycle, and using the regenerative extraction cycle.KeyWords: Solar energy；Organic rankine cycle；Low-temperature p

5、ower； Research situation；Optimal suggestions1 引言太阳能是可再生的绿色能源，具有普遍性、巨大性、无害性和长久性等优点，属于中低温热源，具有巨大的利用潜力，可谓“用之不竭”的能源。我国的太阳能资源很丰富，年总的辐射量超过1670kW·h/m21，西北部较荒凉地区储量尤其丰富，绝大多数地区的年平均日辐射量在4kW·h/m2以上2。全国可利用太阳能的国土面积占2/3以上3,约有600万平方公里，全年日照时数在2200到3300小时之间。白天，在标准的太阳光照条件下，即大气质量AM是15、温度是25的条件下，如假定辐射强度是1000 W

6、/m2，发电效率是10，则整个地球表面上每年可获得的太阳能发电量为14×lO5kW·h，大约相当于当今世界能耗总量的100倍。我国的大部分地区位于北纬45°以南，太阳能资源十分丰富。全国2/3的国土面积年日照的时间在2300h以上，每平方米的太阳能年辐射总量为33408400MJ，陆地表面每年接收的太阳辐射能相当于17000亿t标准煤，而且其分布极为广泛。大力发展太阳能热力发电可为国民经济发展提供洁净、安全、有效及可持续的能源供应。太阳能热力发电与光伏发电技术相比，具有运行效率高、初投资及运行成本低的优点4，目前，世界上已有十余座万千瓦级中、高温太阳能热电站投人运

7、行。按照集热器类型，太阳能热力发电装置可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统3类4。如美国与以色列联合的LUZ公司于1980年开始研制的槽式线聚焦系统，其朗肯循环的工质为水，采用蒸汽轮机驱动发电机进行发电，已经实现了容量为1480 MW系列电力设备的产品化，该公司于19851991年先后在美国加洲南部的莫亚夫沙漠中建成9座大型商用槽式抛物面镜线聚焦太阳能热力发电系统，总容量为354 MW，年发电量为108亿kW·h，系统效率为136，建造费用为3 0115 976美元/kW，发电成本为12263美分/kWh；又如美国于1982年4月在加洲南部Bar-stow附近的沙漠建成“太阳一号”示范

8、性塔式高温太阳能热力发电系统，也是采用蒸汽轮机发电模式，其发电容量为10 MW，该装置可将系统的运行温度提高至5651049，总的发电效率可达到2528；由于碟式太阳能发电系统还可将系统的运行温度提高至7501382，可获得更高的效率，美国正在大力研究这类的样机。在这些中、高温太阳能热力发电系统中，一般都采用水作为循环工质，由于高温太阳能热力发电系统技术的要求较高、初投资也较大，近年来各国加大了对小型分散式低温太阳能热力发电系统的研究与开发。20世纪50年代的后期，以色列国家物理实验室设计制造了用于有机朗肯循环的透平，用平板集热器收集低于100的太阳热水作驱动热源，构成低温太阳能热力发电系统，

9、以色列ORMAT公司将该项技术商业化。低温太阳能热力发电系统由于其热源温度较低(在150之内)，如仍然使用水作为循环工质，则透平进口压力太低，会导致发电效率很低、透平体积庞大等缺点引，因此其循环工质一般采用低沸点工质，尤其是有机工质。循环工质的选择会大大影响低温太阳能有机朗肯循环的性能，因此有必要对其进行研究。太阳能使用十分方便，不仅对环境和生态造成破坏，而且具有辐照低、能流密度低等特点，易于转换为低温热源等优点，与有机朗肯循环之间具有潜在的联系。将太阳能与有机朗肯循环系统有机结合起来，可以形成基于太阳能的有机朗肯循环低温热发电系统。2 有机朗肯循环由于热源的温度低于371时，以水蒸汽为工质的

10、传统朗肯循环效率较低，并且系统运行的经济性下降5。在此背景下，利用有机工质进行朗肯循环引起了越来越多的关注，即有机朗肯循环(ORC)。自然界有机朗肯循环(ORC)是采用低沸点的有机物代替水作为循环工质的闭式朗肯循环。由于其可以有效地利用低品位热能、设备相对简单、适用性强，同时不产生有害气体，对环境不产生污染6，因而其研究与应用越来越受到人们的重视和青睐。2.1有机朗肯循环基本情况有机朗肯循环与传统朗肯循环的最大差异在于循环工质选择的不同，即用有机物替代水做工质。使用的有机混合物主要种类有：制冷剂，碳氢化合物(丁烷、戊烷、己烷等等)，硅油，氟氯烃等等。这些有机物的特点是沸点均比水低，因而可以在传

11、统的蒸汽朗肯循环温度更低的工作热源下工作,并且有机工质的热物理性质与水有许多不同，因此有机朗肯循环与蒸汽朗肯循环有很多不同点。第一代ORC商业应用出现于上世纪70年代末和80年代初，这些系统采用地热和太阳能作为工作热源。至今全球已经建立了超过200个ORC发电项目，发电总功率超过1 800MW，并且这个数字增长速度正在加快。这些电厂大部分用于CHP应用和地热应用7。ORC系统的结构布局在一些结构上与蒸汽动力循环不同，即没有蒸汽汽包连接锅炉，一个单程换热器被用于将工质蒸发的三个蒸发状态(过冷，饱和，过热)。循环改进方案也较少：再热和膨胀机中间抽汽不适用于ORC循环。但是可以在工质泵出口和膨胀机出

12、口设置一个回热器将工质进行预热。如图2-1所示8：图2-1带有回热器(右)和不带有回热器(左)的ORC系统结构图目前，有机朗肯循环可用于回收余热、废热，并且是太阳能、地热等新能源利用的一条有效途径，各国学术界和工业界正积极投入力量进行相关研发工作。有机朗肯循环热发电系统可利用的低品位能包括以下几种形式9：(1)工业余热回收工业余热可减少工业能耗和温室气体的排放。大多数工业过程或电厂排放大量的烟气温度一般不高于400。(2)地热地热发电利用地热蒸汽或者热水作为热源，大部分的地热水在饱和状态附近，温度在10022010，属于中温型地热。(3)太阳能太阳能能量密度低，热源温度不高，需采用基于集热技术

13、的有机朗肯循环热电系统，经过集热装置后，温度可以达到30011。第一章绪论(4)生物质能生物质能也是有机朗肯循环的重要驱动源之一。生物质能发电采用有机朗肯循环主要是由于在机组规模较小时，有机工质具有更高的膨胀机效率12。2.2有机朗肯循环系统简介图2-2为有机朗肯循环系统示意图13。低压液态有机工质(点1)经过循环泵增压后(点2)进入蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气(点3)；之后，高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功，产生能量输出；膨胀机出口的低压过热蒸气(点4进入冷凝器，向低温热源放热而被冷凝为液态，如此往复循环。图2-2有机朗肯循环系统示意图近年来，许多科学家也致力于有机朗肯循环系统的研究，

14、John OEverett14提出了一种可再生的朗肯循环系统，由于发电效率和蒸汽蒸发的平均温度有关，蒸汽首先在预热炉中加热。然后，通过五个涡轮带动轴产生扭矩，然后，一些蒸汽流入其他四个分流器后，回流到预热器中，带动发电机发电，其发电效率可以提高40。张颖，杨嘉祥15等自行设计组装了以R11为工质的ORC热力系统模型，并对模型进行了EHD强化冷凝换热及发电的实验研究。ASchuster,SKareilas，EKakaras和HSpliethoff等对有机朗肯循环的应用进行了经济和能源方面的调查研究，对模型的效率、产水率和电力生产成本进行了分析16。杨智博等对现行的柴油机废气余热利用设备进行比较，

15、选择了R1l为工质，计算了柴油机废气余热发电系统的运行参数(比焓、熵、工质流量、雷诺数、蒸汽出口速度等)和各主要组件(汽轮发电机组、冷凝器、喷管)的结构参数，计算了系统发出的电量17。Lourdes GarciaRodriguez等人分析了基于有机朗肯循环的分布式太阳能发电系统18。Madhawa Hettiarachchi等提出了一种有效的有机朗肯循环系统优化设计准则，以总换热面积与输出净功率的比值作为目标函数，采用陡峭下降法对有机朗肯循环系统进行优化19。Saleht20等使用BACKONE状态方程得到31种用于ORC的有机工质物性，在一定的条件下，得到了不同类型的热效率。据统计表明，现有

16、2000多套ORC装置在全世界运行，并且目前已经生产山单机容量为14000kW的ORC发电机组。有机朗肯循环低温热发电技术的研究在当今世界有着重要的意义。3 太阳能的有机朗肯循环低温发电系统研究现状 太阳能朗肯循环与其他使用有机工质的朗肯循环(主要指地热，工业余热利用)相似，根据循环的最高温度不同，大致可以划分为低温、中温和高温三种类型。但是对于确切的温度划分，不同的学者之间存在争论。表3-1给出了几种不同的划分范围。表3-1对太阳能朗肯循环的不同温度划分()21提出学者及年份：(A)Muffler和Cataldi(1977)(B)Hochstein(1990)(C)Benderitter和C

17、orrny(1990)(D)Haenel(1988) 结合太阳能分散性强、品位低、适合得到中低温热能的特点，有机朗肯循环(0RC)在中低温领域热力循环性能表现优越，将0RC与太阳能集热器相结合，提出太阳能的有机朗肯循环低温发电系统。3.1系统基本原理 太阳能的有机朗肯循环低温发电系统主要包括太阳能平板集热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵等部分。系统原理如图3-1所示22。图3-1太阳能的有机朗肯循环低温发电系统原理图 太阳能的有机朗肯循环低温发电系统基本原理：有机工质液体经平板集热器与太阳能进行换热，产生饱和蒸汽或过热蒸汽流出集热器，然后进入膨胀机做功，将热能转化为机械能，再由发电机转化为电

18、能，膨胀出口的乏汽进入冷凝器冷凝后变成饱和液体进入储液罐，经工质泵加压进入平板集热器，完成一次循环。循环流程图如图3-2所示22。图3-2工质循环流程图12过程：饱和蒸汽驱动膨胀机进而带动发电机发电，气态工质在此膨胀工程中因焓降较大、散热量小，可简化为绝热膨胀过程；12'为可逆的理想等熵膨胀；23过程：低压气态工质在冷凝器中冷凝为液体，对外放热，可简化为定压冷却过程；34过程：有机工质经过泵增压，进入平板集热器。此时工质温度与环境温度相近，泵向周围的散热可忽略不计，可简化为绝热压缩过程；34'为理想可逆的等熵压缩；41过程：工质在集热器中加热，该过程理想为定压吸热过程。3.2系

19、统优点太阳能的有机朗肯循环低温发电系统采用低沸点有机工质，通过换热器间壁换热汽化，产生高温高压蒸汽，推动动力机械做功，进而带动发电机发电。其优点是发电量可以随充入的循环工质种类和流量等进行调节，并且单机发电量小，整体设备尺寸小，结构简单，成本较低。3.3系统研究现状近年来，国内外许多学者对有机朗肯循环工质选择和系统参数优化上进行了诸多深入研究。例如：Andersen W C等通过实验研究揭示了有机物工质的化学稳定性及其对ORC经济性的影响。T.C.Hung23选用苯、甲苯、对二甲苯、Rll3、R123五种工质进行有机朗肯循环性能分析，表明对于300左右的高温热源，对二甲苯的循环不可逆损失最小，

20、而对于200左右的低温热源，R123和R113的循环性能更优。魏东红24等从热力学第二定律角度分析了以单种工质R245fa下各部件的性能，研究了环境温度改变对余热驱动的有机朗肯循环系统性能的影响。罗琪25等研究了低温余热驱动的抽汽回热式有机朗肯循环发电系统的性能，通过改变系统的热力参数如透平的进口压力和温度，将抽汽回热式有机朗肯循环和简单的有机工质朗肯循环进行了热力特性分析和对比，指出抽汽回热式有机朗肯循环系统产生的不可逆损失更少，热效率更高。这些对于研究基于太阳能的有机朗肯循环低温发电系统有一定的借鉴作用。综合看来，太阳能有机朗肯循环低温热发电系统的性能受循环工质物性、状态参数及换热设备的结

21、构参数等很多因素影响，研究工质对系统性能的影响，对系统性能进行优化，是改善ORC系统性能的关键。4 太阳能的有机朗肯循环低温发电系统优化建议4.1选择适合的工质循环工质的特性是影响有机朗肯循环系统性能的重要因素之一。魏东红等 人从热力学第二定律角度分析了采用单种工质R245fa循环时系统各部件的性能；Schuster等对有机朗肯循环的应用进行了经济和能源方面的调查研究；Lourdes等人分析基于有机朗肯循环的分布式太阳能发电系统；王辉涛等根据PR状态方程计算和分析了采用11种低沸点有机流体工质的低温太阳能发电朗肯循环的热力性能；Saleh等人提出，在太阳能集热有机朗肯循环中，R236ea、R2

22、45ca、R245fa、R600、R600、R601a、RE134和RE245都是值得考虑的有机工质26。随着人们对于环保要求越来越高，工质的可用范围也不断更新。因此，选择合适的有机工质对提高系统性能和能量利用效率具有非常重要的意义。4.2采用再热型循环采用再热型循环，虽然成本有略微增加，但系统的热效率会有相对的提高。膨胀机乏汽不是同基本0RC系统那样直接冷凝，而是先对工质泵流出的低温饱和液或过冷液进行预加热，然后才送入到冷凝器冷凝。Costante27指出，热交换器对于采用分子量较大工质的0RC系统而言，是提高循环效率的关键设备；PedroJMago28认为再热式0RC系统提高了热效率，降低

23、了系统的不可逆损失和蒸发吸热量。再热型太阳能ORC系统原理如图4-1所示。图4-1再热型原理图4.3采用抽汽回热型循环 抽汽回热式通常分为一级抽汽和分级抽汽，在一种或者两种蒸汽压力下抽出部分已做过功的蒸汽，加热冷凝后的液态工质，热效率和效率均得到提高。Mago29利用拓扑学的方法分析了采用R113工质的普通ORC和回热循环的效率，也同样得出再热循环系统具有更高的热效率和或效率，并进一步指出回热循环提高了工质进入蒸发器时的温度，使蒸发器的损失减少了37；MortazaYari30分析了4种0RC系统，分别是基本式、带IHE的再热式、回热式、带IHE的回热式0RC系统，循环效率均得到不同程度的提高

24、。抽汽回热型太阳能ORC系统原理如图4-2所示。图4-2抽汽回热型原理图5 结论太阳能是可再生的绿色能源，具有普遍性、巨大性、无害性和长久性等优点，属于中低温热源，与有机朗肯循环之间具有潜在的联系。大力发展太阳能热力发电可为国民经济发展提供洁净、安全、有效及可持续的能源供应。自然界有机朗肯循环是采用低沸点的有机物代替水作为循环工质的闭式朗肯循环。由于其可以有效地利用低品位热能、设备相对简单、适用性强，同时不产生有害气体，对环境不产生污染，因而其研究与应用越来越受到人们的重视和青睐。有机朗肯循环低温热发电技术的研究在当今世界有着重要的意义。结合太阳能分散性强、品位低、适合得到中低温热能的特点，有

25、机朗肯循环在中低温领域热力循环性能表现优越，将0RC与太阳能集热器相结合，提出太阳能的有机朗肯循环低温发电系统。此系统发电量可以随充入的循环工质种类和流量等进行调节，并且单机发电量小，整体设备尺寸小，结构简单，成本较低。然而太阳能有机朗肯循环低温热发电系统的性能受循环工质物性、状态参数及换热设备的结构参数等很多因素影响，研究工质对系统性能的影响，对系统性能进行优化，是改善ORC系统性能的关键。本文提出了优化该系统的建议：选择适合的工质、采用再热型循环、采用抽汽回热型循环。参考文献1 潘垣，辜承林，周理兵.太阳能热气流发电及其对我国能源与环境的深远影响J世界科技研究与发展，2003，25(4)：

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