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。     

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。     

低温有机朗肯循环系统参数的理论与实验优化

着眼于低温热能的发电利用,以R245fa为循环工质、系统比净功最大为目标,针对进口温度为90,℃的热水型热源开展有机朗肯循环参数理论优化与系统参数实验优化研究.理论优化得最优蒸发、冷凝温度分别为62,℃和33,℃.ORC系统实验得最优蒸发温度为69,℃,此时系统实验比净功为4.31,kJ/kg;测得实验所用涡旋式膨胀机的最优转速和最优压比分别在800,r/min和1.9左右,在该转速和压比附近,膨胀机的定熵效率取得最大值82.7%.     

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.     

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。     

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。     

非共沸混合物有机朗肯循环烟气余热利用的模拟与优化

利用Aspen HYSYS软件模拟非共沸混合物有机朗肯循环回收利用压气站烟气余热;综合考虑循环工质环保性、安全性、临界温度与热源温度的匹配性等性能,选取苯、甲苯与R141b和R123分别混合作为循环工质;提出以一段时间内的平均净输出功为优化目标,对比苯/R141b、苯/R123、甲苯/R141b和甲苯/R123作为循环...     

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。     

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。     

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%.      

Development and dynamic characteristics of an Organic Rankine Cycle

The design, construction and test of an Organic Rankine Cycle （ORC） with R123 as the working fluid were performed. A scroll expander was integrated in the system. The conductive oil with its temperature of 150 ℃ was used to simulate the low-grade heat source. An AC dynamometer unit measured the expander shaft torque, rotating speed and shaft power. The experiments were conducted in two operating modes： the constant mass flow rate and the constant shaft torque. Under the constant mass flow rate operating mode, the stepped increase of the shaft torque increased the expansion ratios of the expander and decreased the vapor superheats at the expander inlet. Thus, the shaft power and thermal efficiency were increased. Alternatively, the constant shaft torque operating mode involved two different regions, interfaced at the pumping frequency of 9 Hz. By the increase of the mass flow rates, the vapor superheats at the expander inlet was decreased and the shaft power was increased, but the ORC thermal efficiencies were slightly decreased. Both operating modes yielded the saturation shaft powers that were the maximum values one could use. It was found that the measured shaft powers and ORC thermal efficiencies were lower than the enthalpy determined values based on the fluid pressures and temperatures at the expander inlet and outlet. The maximum measured shaft power and thermal efficiency were 2.63 kW and 5.31%, compared with the enthalpy determined values of 3.87 kW and 9.46 %, respectively.     

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.     

Set point optimization of controlled Organic Rankine Cycle systems

In this paper, an approach to optimize set points is proposed for controlled Organic Rankine Cycle （ORC） systems. Owing to both disturbances and variations of operating point existing in ORC systems, it is necessary to optimize the set points for controlled ORC systems so as to improve the energy conversion efficiency. At first, the optimal set points of controlled ORC systems are investi- gated by revisiting performance analysis and optimization of ORC systems. The expected set points of the evaporating pressure and the temperature at evaporator outlet are then determined by combining genetic algorithm with least squares support vector machine （GA-LSSVM）. Simulation results show that the predicted results by GA-LSSVM can be regarded as the optimal set points of controlled ORC systems with varying operating conditions.     

朗肯循环海洋温差能发电系统性能理论分析与试验

 针对海洋温差发电系统中效率低的问题,对海洋温差发电朗肯循环进行了理论分析,建立了系统中关键设备数学模型,计算了发电系统循环热效率、净输出功率。通过计算得到：当透平进口气体温度和冷凝温度一定时,循环热效率随透平进口气体压力的增大先升高后降低,且存在最大值。研建了15 kW朗肯循环海洋温差能发电系统并试验验证,得到了在模拟海洋温差下循环热效率随各参数的变化趋势与规律,同时与理论计算结果比较,验证了理论计算结果的可靠性。     

柴油机多品位余热回收低损跨临界联合循环模拟

为了提高柴油机多品位、大温差余热的回收利用率,提出了一种低损跨临界有机朗肯联合循环,其中高温级循环用于回收温度较高的柴油机排气余热和废气再循环(EGR)余热,低温级循环回收柴油机冷却水余热、增压空气余热、与高温级循环换热后的排气余热和EGR余热.高温级对比分析了3种硅氧烷工质MM、MDM和D4,低温级选用了R143a,模拟研究了高低温级参数对循环性能的影响.结果表明:高低温级均存在最优的蒸发压力,高温级冷凝压力在允许范围内越低越好;高温级采用MM较MDM和D4循环性能更好,循环净功最高可以达到36.36,kW,损只有4.5,kW;各部分余热的利用率均在86%以上;增加高低温级的回热效能均可以提高循环性能.     

利用土壤源热泵采暖可行性与能效性分析

针对中国北方地区冬季采暖能源消耗日趋增大的问题,提出了采用一种新型的采暖系统--热泵系统进行采暖,并对各种热泵系统进行了分析比较,鉴于北方的气候特点以及地理条件,分析了选择土壤源热泵系统的可行性,并推导了土壤源热泵系统的可用能效率公式,找出了影响可用能效率的因素,通过计算土壤源热泵系统的可用能效率,直观地突出了土壤源热泵的经济性.     

碟式聚光太阳能热发电系统用腔式吸热器热性能分析

对集热系统中的平顶锥形腔式吸热器进行热性能分析及实验研究．计算给出了在各种温度下各项热损失所占的比重及吸热器的总体热效率、实验得出了加热功率与腔式吸热器热效率的关系，表明平顶锥形腔式吸热器具有较好的热性能。     

R417A替代R22用于相变蓄热蒸发型 空气源热泵的性能分析

针对中国北方冬季气温偏低的特点,设计了相变蓄热蒸发型空气源热泵。相变蓄热蒸发型空气源热泵,利用相变技术,可以有效地解决中国北方低温时的供暖问题。以相变蓄热蒸发型空气源热泵为研究对象,在人工环境模拟室中模拟不同的环境温度,分别使用R417A和R22进行实验。实验数据表明,R417A替代R22时,系统无需更换润滑油,各工况下系统运行稳定,R417A的排气温度和排气压力均低于R22,有利于系统的安全运行。R417A的制热量和COP均小于R22。可见R417A可以替代R22作为相变蓄热蒸发型空气源热泵的制冷剂,但对于新建热泵机组,要达到原有供热效果需要增加蒸发器和冷凝器的换热面积。     

寒冷地区应用中高温污水源热泵的可行性分析

东北地区污水余热资源丰富,针对东北地区住宅建筑中常用散热器供水温度超过70℃这一特点,提出中高温污水水源热泵在东北地区应用的设想;分析了中国东北地区污水排放现状和常规污水源热泵的特点,并提出了一种能在寒冷地区实现供暖的新型热泵系统,即污水/水和水/水双级热泵系统,并从经济及技术性两个方面分析了此系统在东北寒冷地区应用的可行性.