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%。     

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%.     

亚临界有机朗肯循环发电系统热经济性分析

热经济性分析是利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)发电技术回收低温余热设计方案的核心内容之一.利用在MATLAB软件中自编的ORC热经济性程序,计算得到了6种常见的有机工质在不同蒸发温度下亚临界ORC发电系统的系统?效率和动态投资回收期,并进行了对比分析.结果表明,对任一有机工质而言,系统?效率随蒸发温度的升高先增大后减小,动态投资回收期随蒸发温度的升高先减小后增大.有机工质R124具有最大的系统?效率,而有机工质R245fa具有最小的动态投资回收期.     

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.     

变冷凝工况地热有机朗肯循环发电系统

针对有机朗肯循环发电系统中冷凝介质温度随环境温度变化而变化,地热源载热流体参数恒定的问题,采用EES软件计算分析了饱和有机朗肯循环发电系统在使用工质R245fa和R601a时输出净功随冷凝介质温度变化的规律,同时分析了膨胀机最佳入口温度、膨胀比和工质流量3个主要参数的变化。结果表明：当地热流体温度为130 ℃,冷凝介质温度从30 ℃降到0 ℃时,有机工质在膨胀机入口的最佳温度升高且波动幅度达15 ℃,同时系统净输出功增长达120%;工质质量流量增加超过30%,膨胀比增大约2倍。     

车用柴油机变工况下双有机朗肯循环系统的性能分析

为充分利用柴油机的余热能量,针对一台车用六缸柴油机,设计了一套双有机朗肯循环系统,用来回收柴油机的排气能量和冷却系统具有的能量.该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环,均采用R245fa作为工质,高温循环用于回收柴油机排气能量,低温循环用于回收柴油机冷却系统能量和高温循环冷凝过程中工质所释放的能量.通过台架试验,在研究柴油机变工况下余热能分布特性的基础上,对双有机朗肯循环系统的余热能回收潜力进行了分析. 分析结果表明:在柴油机整个工况范围内,双有机朗肯循环系统的净输出功率最高可达26.58 kW,系统热效率最高可达14.62%;柴油机-双有机朗肯循环联合系统在燃油经济性和动力性方面具有明显的优势.      

地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学分析

建立了地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学模型,根据热力学第一定律和第二定律,以系统性能系数和火用效率作为系统性能的评价指标,研究分别以R245fa,R123,R114,R141b作为循环工质时,地热流温度(发生温度)、凝汽温度和蒸发温度对系统性能的影响,并筛选出适用于中温地热能驱动的有机朗肯-单机压缩制冷系统最佳工质.计算结果表明,R141b综合性能最佳,根据典型工况下R141b作为循环工质时系统火用损的分布情况,在发生器和冷凝器处进行改进将大大提高系统的火用效率.     

基于有机朗肯循环的低温太阳能发电系统工质的选择

有机朗肯循环系统利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功,在低品位热能的利用方面更有优势.循环工质的选择是影响有机朗肯循环系统性能的关键因素之一.本文针对集热温度120℃,蒸发温度在100℃以下的低温太阳能有机朗肯循环系统进行了工质的研究分析,选择R245fa,R123,R236fa,R113,R245ca,R600,R601 7种工质,以工质的热效率、火用效率及系统不可逆损失为评价指标,利用Matlab和PERPROP软件对候选工质的各热力参数进行了比较.结果表明:低温太阳能有机朗肯循环发电系统的选用R123作为循环工质时具有较高的热效率和火用效率,且系统总不可逆损失较低,适合作为蒸发温度100℃以下的低温有机朗肯循环系统的循环工质.     

氨水工质朗肯循环

根据核供热堆热电联供热源和冷源特点，提出了与之相适应的新型动力循环－非共沸混合工质氨水朗肯循环。叙述了氨水朗肯循环的工作原理，并与同等条件下蒸汽朗肯循环进行了比较分析。结果表明，新型动力循环－非共沸混合工质氨水朗肯循环具有较高的发电效率，适合核供热堆所提供的热源和冷源条件，是一种很有潜力的低温热源新型动力循环。     

回热式有机朗肯循环系统热力性能

膨胀机和工质泵作为有机朗肯循环系统的重要动力部件,在不同的热源温度下,合适的膨胀机及工质泵转速能够有效提高有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)系统的热效率。基于回热式ORC系统的热力学分析,选用1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa)为工质研究了膨胀机转速、工质泵转速以及热源温度对系统性能的影响。结果表明:膨胀机转速的增加使得工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功和系统净输出功有所上升,而蒸发压力和热效率下降;工质泵转速的增加使得工质质量流量、蒸发压力、蒸发器换热量及系统净输出功升高,系统热效率先增加后降低;热源温度的升高导致蒸发压力下降,工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功、净输出功及热效率均随之增加。     

基于预热器的车载有机朗肯循环余热发电系统的设计与研究

优化设计并搭建了基于预热器的、可回收膨胀后高温乏汽的小型车载有机朗肯循环(ORC)余热发电系统,利用热力学第一定律和第二定律对小型车载ORC余热发电系统进行了热力学分析和能量计算。以R123为工质,热源温度为300℃,在工质流量、压力等给定的工况下计算系统在有无预热器的情况下各设备的热效率和系统总热效率。经计算,系统在有无预热器的情况下的总热效率分别为23.1%、10.8%,蒸发器的换热量分别为7.35kJ、4.67kJ。研究结果表明：相对于没有预热器的传统ORC系统,加了预热器的ORC系统的热效率和蒸发器的换热量都有较大的提升。     

基于预热器的车载有机朗肯循环余热发电系统设计

优化设计并搭建了基于预热器的、可回收膨胀后高温乏汽的小型车载有机朗肯循环(ORC)余热发电系统。利用热力学第一定律和第二定律对小型车载ORC余热发电系统进行了热力学分析和能量计算。以R123为工质,热源温度为300℃,在工质流量、压力等给定的工况下,计算系统在有无预热器的情况下各设备的热效率和系统总热效率。经计算,系统在有无预热器的情况下的总热效率分别为23.1%、10.8%,蒸发器的换热量分别为7.35 k J、4.67 k J。研究结果表明:相对于没有预热器的传统ORC系统,加了预热器的ORC系统的热效率和蒸发器的换热量都有较大的提升。     

几种低沸点工质余热发电系统的热力性能比较

基于低品位余热的有机朗肯循环(ORC)发电系统,以某工业装置排出的流量为3×105 m3/h、温度为120 ℃的低温烟气为研究对象,针对几种高温有机工质,分析工质流量以及汽轮机膨胀比对系统性能的影响.研究结果表明:当工质流量小于15 kg/s时,汽轮机及循环热效率随着工质流量增大而迅速提高;但当工质流量超过15 kg/s时,汽轮机效率及热效率变化不大;工质的沸点越大,汽轮机内效率越高;随着汽轮机膨胀比的增加,系统所需的质量流量减小,而系统的热效率及效率提高;当工质流量或吸热量相同时,几种工质中R123的循环热效率最高,输出功率最大,是系统工质的较好选择.     

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。     

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66 kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.     

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.     

基于平准化电力成本和现值法的风电系统技术经济分析

针对传统风电成本测算较多使用现值法(PVC)来估算成本收益,存在不能准确反映投资获利能力或相对收益的缺陷,提出了一种结合风力模型的平准化电力成本测算方法.首先分析了选定场址的风能资源状况,提出了风机功率输出模型,采用单位千瓦时发电成本法,对相应场址所选定的风电系统采用平准化(LCOE)和现值法作经济性分析;然后研究了某些输入参数的不确定性对单位发电成本的影响,对所选定的风机进行敏感性分析;最后筛选出最优系统规划方案.结果表明,平准化的电力成本较现值法要高,并且增大容量系数和寿命周期对发电成本产生积极的影响,而其他输入参数的增大会导致LCOE成本增加.     

发动机双回路朗肯循环的性能分析和参数优化

为提高发动机余热回收中双回路有机朗肯循环(DORC)的余热回收效率,通过热力学第一定律,建立包括蒸发器、涡轮、冷凝器和泵的有机朗肯循环模型。基于该模型,研究高温回路工质(R123、R245fa、R141b和水)、蒸发压力(1~7 MPa)和涡轮入口温度(480~680 K)对发动机余热回收系统性能的影响规律,以系统净输出功、热效率和效率为评判标准,找到最佳工质和热力参数。结果显示,高温回路蒸发压力的增加,对所有工质都有明显优化作用,而当工质被加热成过热气体后再进入涡轮做功,对湿工质水而言,过热度增大,系统性能提高,对干工质R245fa和等熵工质R123、R141b,过热度增大却没有明显优化甚至有恶化作用。水工质DORC表现最好,相应的净输出功、热效率和效率分别为95.44 k W、13.84%和63.20%。考虑系统的换热面积,R123是四种工质中最理想的工质,对应的单位换热面积的净功量为6.39 k W/m~2。     

有机朗肯循环-喷射式制冷功冷联产系统热力分析

为充分利用地热能资源,在有机朗肯循环(ORC)基础上,结合喷射式制冷系统(ER),提出了一种新型有机朗肯循环-喷射式制冷功冷联产系统.以110℃饱和地热水为热源,采用R123为循环工质,基于热力学第一、第二定律建立了联产系统热力学理论模型,编制计算程序并以能源利用率为评价指标进行了系统热力性能分析.结果表明,抽汽份额α在0～0.7内,能源利用率随蒸发压力p3增加而增加,而抽汽份额α在0.8～1之间时,能源利用率随蒸发压力增加而逐渐减小;能源利用率随抽汽压力p6增大而增大,且抽汽份额α越大增幅越高;随冷凝压力p10增加能源利用率不断减小,当p10为0.3 MPa,α为1时,能源利用率达到最大值为74.1%;制冷蒸发温度T8越高能源利用率越大,且抽汽份额α越大能源利用率增幅越大.     

低品位能源利用热力学基础及评价

我国具有丰富的低品位能源,如中低温余热能,利用有机朗肯循环(ORC)将这些低品位能源转换为功,对提高我国的能源利用率和改善环境问题具有重要的意义。研究工作进展顺利,取得了如下成果:提出了一种跨临界和亚临界有机朗肯循环耦合系统。对比单级跨临界ORC系统,耦合系统具有较高的热效率和较大的净输出功,中间耦合换热器的节点温差对系统热效率和净输出功具有重要影响。增设预热器后,虽然热效率有所降低,但其净输出功增加较多。以净输出功、热效率和发电成本为性能指标对八种非共沸混合工质在不同成分配比下的系统性能进行了分析和对比。结果表明,混合工质浓度对系统热效率、净输出功和发电成本具有重要影响,可能存在一个最佳浓度比使系统净输出功或热效率最大。计算还发现,混合工质系统经济性相对于纯工质系统并没有优势。基于热经济学原理,建立了亚临界ORC系统的多目标优化模型,优化了相关运行参数及工作流体的选择;研究了在不同热源温度条件下的亚临界ORC系统利用不同临界温度的有机工质时,系统净功、火用效率及电能产出成本与烟气出口温度的对应关系。结果表明,采用不同的性能指标对有机朗肯循环优化所得优化结果不相同,对ORC系统进行多目标优化,可以较好地"协调"各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优;存在最佳烟气出口温度使系统净功最大和电能产出成本最低,但最佳烟气出口温度总是低于最低允许排烟温度,而系统火用效率始终随烟气出口温度增加而增大。对热源进行了分类。理论和数值模拟两方面都表明:对于耦合第一类低品位热源的ORC,以净功为目标,要求工质具有较高的液体比热和较低的蒸发潜热;对于耦合第二类热源的ORC,期望采用具有较低液体比热和较高蒸发潜热的工质,使系统热效率(净功)较高。针对氢氟烃和烃等组成的二元共沸、非共沸混合工质的在不同冷源条件下的亚临界ORC循环性能分析,得到某些组分下的混合物的循环性能。并阐明了二元混合物组元沸点差、配比、冷源温升与ORC循环之间的匹配关系;设计并搭建了混合物的汽液相平衡实验台、高精度流体密度测量装置,揭示了多元混合物系p-ρ-T-x特性和相平衡特性,获得了高精度物性数据及相关理论预测模型;初步开展了混合工质关键组元的高温相平衡实验研究,模拟结果与文献实测数据有很好的一致性。