有机朗肯循环发电系统试验平台设计

目前,我国的工业余热资源丰富,余热资源的合理利用必将对我国能源结构的改革起到很好的促进作用.有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）是提高能源利用效率的有效途径之一.其具有结构简单、适用热源温度范围广、余热回收效率高等优点,ORC发电技术已成为余热回收领域的热点课题之一.针对低温余热ORC发电技术进行了理论分析和工质研究,完成了发电目标为20 kW、以向心透平为膨胀机的低温余热ORC发电系统试验平台的设计,并完成了数据采集及控制系统的设计.20 kW （小功率）向心透平的设计,扩大了低温余热ORC发电系统的应用范围,促进了余热资源产业的发展.     

回热式有机朗肯循环冷能发电系统变热源温度实验研究

针对当前开展液化天然气冷能发电的实验研究难度大且实验参考的数据少等问题,提出一种以R290为循环工质、液氮为冷源的回热式有机朗肯循环(ORC)冷能发电实验系统。通过实验研究,探索热源温度在20～55℃范围内,机械输出功、发电量、功电转换效率、热效率和冷能利用率等重要性能参数随热源温度变化的规律,并与常规ORC冷能发电系统进行比较。结果表明：在一定范围内,热源温度的增加有利于提升ORC冷能发电系统的总体性能,且系统存在一个与冷源匹配的最佳热源温度;当冷热源处于最佳匹配时,回热循环对ORC冷能发电系统的机械输出功、发电量、热效率和冷能利用率等参量有明显的提升,分别增加了26.2%、12.7%、16.4%和16.6%,但功电转换效率出现降低,下降了10.7%。这些规律将对系统运行时关键参数的调整和控制以及优化设计提供一定的参考依据。     

混合工质泄漏对有机朗肯循环发电系统性能的影响

基于有机朗肯循环系统中各部件、管道等密封导致的实际系统运行过程中不可避免地存在着循环工质的泄漏问题,结合余亥姆霍兹自由能状态方程、混合法则和等温泄漏模型,研究了非共沸混合工质R245fa/R601a（初始质量配比为0.6/0.4）在ORC发电系统蒸发器中泄漏率为0~50%时对混合工质配比以及循环性能的影响.结果表明:非共沸混合工质泄漏会造成混合工质配比及工质热物性的变化,系统循环性能也会改变,且蒸发出口段发生液相泄漏时对循环性能影响最大.随着泄漏率的增大,比净输出功减少率可达12.23%.      

有机朗肯循环混合工质的热力学分析

有机朗肯循环是利用低品位余热的关键技术之一,在一定程度上可有效缓解能源危机。相比于传统的纯工质,混合工质因其在换热器中具有温度滑移特性,可以更好地与热源进行耦合。因此选用混合工质可以使机组的效率得到更进一步的提升。通过采用二次迭代的方法,热源温度为120℃时,理论分析了以R245fa为参考的6种混合工质对,其混合比例对系统输出功与效率的影响。结果表明:工质吸热量一定的情况下,系统采取混合工质可以获得比纯工质更高的输出功、热效率。当吸热量为197.29 k W时,以纯R245fa为工质的系统最大输出功与热效率分别为11.98 k W与6.07%。存在最佳混合工质对R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3),相比于纯工质R245fa,输出功与热效率分别提高了22.87%和22.89%。同时发现,无量纲积分温差ΔT~*与系统净输出功、热效率之间存在反比关系。当工质为R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3)时,在最大净输出功工况下,6种混合工质对下的最小值ΔT~*为0.233。     

不同工质的有机朗肯循环系统变工况特性对比研究

针对分布式能源系统中内燃机负荷变化较大、传统的有机朗肯循环(ORC)工质优选未能关注变工况性能的问题,开展了基于变工况特性的ORC工质优选研究。首先,基于MATLAB平台构建了基于变工况特性的工质优选模型,涉及系统设计参数获取、变工况仿真和热经济性分析3个层面,具有较高的模型精度。然后,基于该模型,针对8种典型实用性工质,分析了变工况循环性能及典型全日电负荷下的热经济性能。研究表明:水在高负荷工况时的净输出功率较多,适合运行在高负荷工况条件下,而甲苯在低负荷工况时展现出较大的性能优势,适合运行在低负荷工况条件下;在考虑实际运行情况下,水的发电成本和折旧回收期为0.131美元·(kW·h)~(-1)和8.08a,而甲苯的分别为0.127美元·(kW·h)~(-1)和6.75a。这些规律进一步表明,水适用于电负荷稳定的建筑类型,而甲苯适用于电负荷瞬变的建筑类型。     

有机朗肯循环系统研究综述

在研究了大量的文献资料的基础上,简单介绍了有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统的运行原理,并分别对ORC系统的循环工质、性能影响参数、系统优化方式以及主要应用领域等方面的研究进展进行了论述。ORC系统作为一种热力发电系统,虽具有十分广阔的发展前景,但已有研究主要集中在理论分析上,要推广其应用,仍存在许多实际问题需要解决。     

螺杆膨胀机有机朗肯循环系统的变工况特性

针对螺杆膨胀机的工作特点,建立了其简化热力计算模型及示功图.以R123制冷剂为工质,采用螺杆膨胀机有机朗肯循环系统进行华北油田中低温采油伴生热液的利用发电,筛选了变工况下影响系统性能的主要因素,通过迭代求解系统的稳态参数,并对比了净功率、热效率及火用损失.结果表明:过热蒸汽有利于提高单位工质的输出功率,但会引起系统的净功率下降;冷却水进口温度对系统的影响最大,夏季温度较高,将会使得系统的输出功率严重偏离额定功率,保证冷凝器的冷凝效果是改善系统性能的有效措施;热源温度对系统输出功率的影响大于热源流量的影响.     

微型有机朗肯循环热电系统建模与性能分析

为研究环保新型有机工质应用于微型朗肯循环热电联供系统的适应性和循环效率,针对3种有机工质HFE7000,HFE7100和Neo-pentane,构建了典型微型有机工质朗肯循环热电联供循环系统,并建立了系统热力学能量流通模型,研究了循环温度、回热器温差、过热和过冷对系统效率的影响.结果表明:所选工质可适用于微型有机朗肯循环,有机工质自身性质对循环效率有一定影响;系统各项效率均随着蒸发器出口温度的升高和冷凝器出口温度的降低而增加;在循环中增设回热器有利于提高系统发电效率,有机工质在回热器进出口之间每10℃的温度差,可将微型有机朗肯循环系统的发电效率提高0.4%～0.5%;对工质采用过热和过冷手段,均会降低微型有机朗肯循环系统的循环效率.     

跨临界有机朗肯循环性能分析

选取24种有机工质对利用低品位余热的有机朗肯循环系统性能进行理论分析,研究发现：当膨胀机入口工质为饱和状态时,最大净功出现在T1/TC≈0.98～0.99处,且临界温度高的工质作功能力明显优于临界温度低的工质。对于超临界ORC循环,只耀P1不太低,提高T1有利于增大净功、热效率及效率。超临界ORC的作功能力并非总是优于饱和或过热ORC。所有工质状态从亚临界饱和转变为超临界状态时,净功、热效率、效率及质量流量的变化都是不连续的。     

采用二元非共沸工质的有机朗肯循环热力学分析

建立了亚临界混合工质有机朗肯循环热力学模型,基于沸点差法提出了混合工质筛选方案,以净输出功为目标函数优化了蒸发参数和质量配比,针对不同热源温度筛选出了最佳混合工质;比较分析了最佳混合工质和最佳纯工质的系统性能参数、损分布.结果表明,各热源温度下最佳混合工质的净输出功均超过了同热源温度下的最佳纯工质,增长幅度为0.13%~5.04%.较小的汽化潜热和接近冷却水温升的冷凝温度滑移是混合工质净输出功大于纯工质的主要原因;混合工质的膨胀机进口处压力、温度均低于纯工质,最大降低幅度分别达到了27.08%和9.93%;混合工质的膨胀机损和冷凝器损均小于纯工质,总损也低于纯工质.     

不同热源温度的低温热能-LNG双级有机朗肯循环经济分析及优化

有机朗肯循环可高效地同时回收低温热能和LNG冷能。在3个不同的热源温度下,选定10种有机工质,以标准发电成本为目标函数,采用粒子群优化算法对带有直接膨胀循环的双级并联有机朗肯系统进行优化。结果表明,在100、125和150℃下,最优低温工质始终为氨,其最佳标准发电成本分别为0.4199、0.3997和0.3776￥/( kW·h)。在最佳经济性下,热源温度为150℃时,其静态投资回收期约为7.14年,动态投资回收期约为10.5年。各设备的投资成本占比中,换热器总占比最大,为60%以上,工质泵占比最小,约为17%。     

ORC利用工业锅炉烟气余热发电技术经济性评估

对ORC利用工业锅炉烟气余热发电系统进行经济性评估,采用不同换热器结构,对不同工质和余热温度下ORC系统净输出功、单位装机容量投资成本、发电成本和投资回收年限进行对比分析。结果表明,随着烟气流量和温度的增大,系统投资回收年限减小;以采用R123和FS换热器组合(管翅式蒸发器与壳管式冷凝器组合)时经济性最优,单位装机容量成本为23 800元/kW,单位发电成本为0.285元/kWh,投资回收年限为5.58年,净输出功为91.5kW;采用SS(蒸发冷凝器均为管壳式换热器)换热器组合时,经济性最差。热经济分析表明,R123最适合作为ORC利用工业锅炉烟气余热发电系统的工质。     

A comparative study on thermo-economic performance between subcritical and transcritical Organic Rankine Cycles under different heat source temperatures

In this paper, the net power output, exergy efficiency and levelized energy cost of system were selected as performance indicators for assessing Organic Rankine Cycle （ORC）. Firstly, the turbine inlet temperature and pressure meeting the requirement of pinch point temperature difference of evaporator in transcritical ORC （trans-ORC） were determined based on performance opti- mization. Subsequently, the thermo-economic performance of a subcritical ORC （sub-ORC） using R601 as working fluid and a trans-ORC using R134a as working fluid were compared under different heat source temperatures and a fixed outlet temperature of flue gas. Results show that for trans-ORC, when the pinch point temperature difference of evaporator lies between the inlet and outlet of evaporator, a lower inlet pressure of turbine is favorable; when the pinch point temperature difference of evaporator is located at the outlet of evaporator, there exists an optimal inlet pressure of turbine. Either for sub-ORC or trans-ORC, the net power output increases and levelized energy cost decreases with the increase in heat source temperature. For sub-ORC, exergy efficiency of system increases monotonously with heat source temperature, while for trans-ORC, exergy efficiency of system grows up firstly and then reduces （or keeps constant） with the increasing of heat source tem- perature. Moreover, for net power output and exergy efficiency of system, there exist a range of heat source temperatures making trans-ORC better than sub-ORC, and the heat source temperature region extends with the increase in pinch point temperature difference of evapo- rator. For levelized energy cost of system, the sub-ORC is always superior to trans-ORC.     

不同热源温度的低温热能-液化天然气联合发电系统经济性分析

有机朗肯循环可高效地同时回收低温热能和液化天然气(LNG)冷能.在3个不同的热源温度下,选定10种有机工质,以标准发电成本为目标函数,采用粒子群优化算法,对带有直接膨胀循环的双级并联有机朗肯系统进行优化.结果表明,在373.15、 398.15和423.15 K下,最优低温工质始终为氨,其最佳标准发电成本分别为0.419 9、 0.399 7和0.377 6元·(kW·h)~(-1).在最佳经济性下,热源温度为423.15 K时,其静态投资回收期约为7.1 a,动态投资回收期约为10.5 a.各设备的投资成本占比中,换热器总占比最大,为60%以上,工质泵占比最小,约为17%.     

内置热泵的热电冷联合有机朗肯循环能效分析

文章对内置热泵结构的小型太阳能驱动的热电冷联合有机朗肯循环(Combined Cooling Heat andPower-Organic Rankine Cycle,简称CCHP-ORC)系统进行了热力分析,与一般CCHP-ORC系统相比,该系统利用低品位能源利用效率更高。CCHP系统用引射器代替热泵压缩机,将热泵与ORC合并,热泵系统的加入提高了CCHP系统能量利用率。系统热力计算将系统高温热源、环境温度和需求温度固定,采用R245fa作为系统工质,以热电联合循环为例对系统进行热力计算,得到了在给定条件下系统的最佳工作参数。通过对比可知内置热泵能较大提高CCHP-ORC系统的能量利用率。     

环境温度对余热驱动的有机朗肯循环系统性能的影响

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.在循环工质为HFC-245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷),环境温度为25℃时,系统输出功偏离额定工况达30%以上.而在环境温度上升时,由于循环的平均温度与环境间的温差减小,系统总不可逆损失减小.研究结果表明应根据各地的实际情况,合理地选择额定工况点,使系统始终工作在额定工况点周围,有助于其有效、稳定的工作.     

卡林纳循环与氨水朗肯循环组合系统的热电联供性能

根据卡林纳循环发电效率高及氨水朗肯循环蒸发过程和冷凝过程都有较大温度变化的特点,提出了一种在非供暖季利用卡林纳循环发电而在供暖季利用氨水朗肯循环排热加热供暖水的卡林纳循环与氨水朗肯循环(AWKRC)组合系统.AWKRC组合系统在卡林纳循环基础上通过阀门切换实现循环流程转换.研究分析了AWKRC组合系统在非供暖季的发电性能和供暖季的热电联供性能,分析了氨水朗肯循环工作浓度对循环效率的影响.在给定计算条件下,非供暖季卡林纳循环的热效率和动力回收效率分别为20.9%和17.4%;而在供暖季氨水朗肯循环的热效率和动力回收效率分别为17.0%和13.0%,且其综合回收效率可达19.2%.     

工质类型对回收中低温余热有机朗肯循环性能的影响

将临界温度相近的干流体和湿流体应用于有机朗肯循环以回收中低温余热,采用基于热源流体进口温度和质量流量的蒸发器换热模型,在变蒸发温度和变热源流体进口温度时,对有机朗肯循环性能进行分析与对比.研究结果表明:在相同工况下,与采用湿流体的有机朗肯循环的相比,采用干流体的有机朗肯循环的蒸发压力、冷凝压力、热源流体出口温度、循环热效率和第二定律效率较小,而其净功率、循环总不可逆损失和总热量回收效率则较大;工质的临界温度对有机朗肯循环性能参数的变化趋势无显著影响.     

利用有机朗肯循环系统回收30t/h燃煤锅炉烟气余热的热经济性评估

设备选择和经济性评估对有机朗肯循环系统(ORC)热力性、经济性和环境影响至关重要。文中以R123为工质,以某厂30t/h蒸发量锅炉烟气余热回收利用作为案例,对ORC系统回收利用烟气余热进行了设备及热经济性计算分析,给出了具体设备热经济计算结果,锅炉烟道中换热管束的布置形式和尺寸。结果表明,系统单位装机容量成本为23 800元/kW,单位发电成本为0.285元/kW·h,投资回收年限为5.58年,净输出功为91.5kW,发电功率为88.5kW。考虑主要设备及运行维护费用,系统总投资约合人民币345万元。     

地源热泵系统及能效分析

本文介绍了地源热泵空调系统的概念及工作原理 ,阐述了它的优点并进行了能耗分析 分析结果表明 :地源热泵系统运行效率高 ,有显著的节能效果。