低溫發(fā)電有機朗肯循環(huán)優(yōu)化及輻流式汽輪機性能研究.pdf

1、開發(fā)及回收低溫熱能資源，不僅能夠為人類提供寶貴的能源，且有利于保護環(huán)境，具有促進人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要意義。有機朗肯循環(huán)(OrganicRankineCycle，ORC)技術在低溫熱能轉換利用領域具有顯著優(yōu)勢，輻流式汽輪機(Radialflowturbine)是低溫熱能資源驅動ORC系統(tǒng)的適宜膨脹部件。本文圍繞低溫發(fā)電ORC系統(tǒng)性能的優(yōu)化，開展了ORC工質和循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化研究、輻流式汽輪機性能研究，旨在為低溫發(fā)電ORC系統(tǒng)的優(yōu)化設計和

2、變工況條件下的優(yōu)化調節(jié)提供參考依據(jù)。
　　基于90oC的熱水型低溫熱能和30oC的冷凝溫度，以比凈功（單位熱源水質量流量對應的凈輸出功率P&&net/m）為目標函數(shù)，采用基于指定窄點溫差值的Hwater,循環(huán)性能分析方法，對亞臨界ORC、近臨界ORC（蒸發(fā)壓力或超臨界加熱壓力接近臨界壓力）、跨臨界ORC開展了工質和循環(huán)參數(shù)優(yōu)化研究?？疾旃べ|范圍涉及33種有機工質。注意到近臨界ORC蒸發(fā)器中傳熱窄點位置前移到工質泡點之前，以計算熱源

3、水放熱過程溫度曲線和工質吸熱過程曲線的方式，確定窄點位置。結果表明：(1)循環(huán)參數(shù)對系統(tǒng)性能有重要影響，存在最優(yōu)循環(huán)參數(shù)使得各個特定循環(huán)特定工質系統(tǒng)的比凈功最大；(2)工質的性質對系統(tǒng)性能有重要影響，存在最優(yōu)工質使得特定循環(huán)系統(tǒng)的比凈功最大；(3)循環(huán)選擇對低溫發(fā)電系統(tǒng)的性能有重要影響，亞臨界ORC系統(tǒng)給出的比凈功最?。ㄗ顑?yōu)工質為HFC32、其在最優(yōu)循環(huán)參數(shù)下的最大比凈功為8.83kJ/kg），跨臨界ORC系統(tǒng)給出比凈功最大（最優(yōu)工質為

4、HFC41、其在最優(yōu)循環(huán)參數(shù)下的最大比凈功為9.98kJ/kg），近臨界ORC系統(tǒng)的比凈功介于亞臨界ORC系統(tǒng)與跨臨界ORC系統(tǒng)之間。
　　近臨界ORC系統(tǒng)一方面具有比凈功優(yōu)于亞臨界ORC系統(tǒng)，而壓力水平低于跨臨界ORC系統(tǒng)、吸熱過程中工質的換熱性能優(yōu)于跨臨界ORC系統(tǒng)的優(yōu)點，另一方面由于工質物性在近臨界區(qū)域劇烈變化，可能會影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，對近臨界ORC系統(tǒng)進行了工作穩(wěn)定性分析研究?？紤]到近臨界ORC的優(yōu)缺點，開展了近臨界O

5、RC性能及穩(wěn)定性研究。首先，對于既可用于亞臨界ORC、亦可用于跨臨界ORC的3種有機工質HFC125、HFC143a、FC218，考察了其從亞臨界ORC向跨臨界ORC過渡過程中循環(huán)性能的變化特性。結果表明，比凈功、工質質量流量和循環(huán)熱效率均連續(xù)過渡，但最大比凈功對應的循環(huán)參數(shù)可能位于近臨界ORC的亞臨界工況、也可能位于近臨界ORC的跨臨界工況，因工質而異。HFC125、FC218的最大比凈功均出現(xiàn)在跨臨界工況，分別為9.76kJ/kg、

6、9.20kJ/kg；HFC143a最大比凈功出現(xiàn)在亞臨界工況，為8.96kJ/kg。其次，基于蒸發(fā)器或超臨界加熱器換熱面積，探討了近臨界ORC系統(tǒng)循環(huán)工作穩(wěn)定性。結果表明，隨著蒸發(fā)壓力或超臨界加熱壓力逼近臨界壓力，蒸發(fā)器或超臨界加熱器的換熱面積對工況的敏感度越來越大。因此，為保證循環(huán)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，不建議采用近臨界ORC系統(tǒng)。
　　為低溫發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化熱力設計輻流式汽輪機，依據(jù)一元流動理論及工質膨脹規(guī)律，開展了輻流式汽輪機變工況性能

7、及相關調節(jié)方法的研究。結果表明，對于輻流式汽輪機出口背壓的變化，可采用調節(jié)汽輪機轉速和更換適當噴嘴等調節(jié)方法進行調節(jié)；對于輻流式汽輪機工質質量流量的變化，采用部分進氣調節(jié)法和變化噴嘴角度調節(jié)法可以獲得較好的調節(jié)效果；對于輻流式汽輪機進口壓力的變化，可采用調節(jié)汽輪機轉速和更換適當噴嘴調節(jié)方法進行調節(jié)。
　　針對課題組現(xiàn)有輻流式汽輪機噴嘴設計缺陷，以輻流式汽輪機變工況調節(jié)為方向，為輻流式汽輪機自制可調換噴嘴。以HFC245fa和HCF

8、C123為工質，研究漸縮噴嘴汽輪機和縮放噴嘴汽輪機性能隨汽輪機進口壓力和汽輪機轉速的變化特性。結果表明：(1)汽輪機等熵效率隨轉速存在極大值（如工質為HFC245fa，汽輪機進口壓力為0.3MPa，汽輪機進口溫度為85oC，汽輪機出口壓力為0.165MPa時，最優(yōu)轉速約為5000rpm）；(2)漸縮噴嘴汽輪機在低汽輪機進口壓力的工況中具有優(yōu)勢，而縮放噴嘴汽輪機在高汽輪機進口壓力下具有優(yōu)勢；(3)HCFC123的汽輪機等熵效率高于HFC2

9、45fa的汽輪機等熵效率。在課題組現(xiàn)有低溫發(fā)電ORC實驗系統(tǒng)基礎上，搭建輻流式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)部分。基于90oC的熱水型低溫熱能和30oC的冷凝溫度，分別以HFC245fa和HCFC123為工質，以比電功（單位熱源水質量流量對應的發(fā)電功率，P&&ge/m）最大優(yōu)化循環(huán)蒸Hwater,發(fā)溫度。結果表明，漸縮噴嘴汽輪機采用HFC245fa時，蒸發(fā)溫度為69.16oC時比電功最大值為1.278kJ/kg?；?0oC的熱水型低溫熱能和75oC的

10、蒸發(fā)溫度，分別以HFC245fa和HCFC123為工質，以比電功最大優(yōu)化循環(huán)冷凝溫度。結果表明，縮放噴嘴汽輪機采用HFC245fa時，冷凝溫度為29.07oC時比電功最大值為0.893kJ/kg。HFC245fa的循環(huán)性能優(yōu)于HCFC123的循環(huán)性能。基于實驗數(shù)據(jù)，開展了負載電阻對汽輪機轉速控制規(guī)律和發(fā)電機效率變化規(guī)律的研究。結果表明，汽輪機轉速隨負載電阻的增大而增大；傳動-發(fā)電效率隨轉速存在極大值；轉速一定時發(fā)電機效率隨負載電阻的增大