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

1、開(kāi)發(fā)及回收低溫?zé)崮苜Y源，不僅能夠?yàn)槿祟愄峁氋F的能源，且有利于保護(hù)環(huán)境，具有促進(jìn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要意義。有機(jī)朗肯循環(huán)(OrganicRankineCycle，ORC)技術(shù)在低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換利用領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，輻流式汽輪機(jī)(Radialflowturbine)是低溫?zé)崮苜Y源驅(qū)動(dòng)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(kāi)展了ORC工質(zhì)和循環(huán)參數(shù)的優(yōu)化研究、輻流式汽輪機(jī)性能研究，旨在為低溫發(fā)電ORC系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和

2、變工況條件下的優(yōu)化調(diào)節(jié)提供參考依據(jù)。
　　基于90oC的熱水型低溫?zé)崮芎?0oC的冷凝溫度，以比凈功（單位熱源水質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的凈輸出功率P&&net/m）為目標(biāo)函數(shù)，采用基于指定窄點(diǎn)溫差值的Hwater,循環(huán)性能分析方法，對(duì)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(kāi)展了工質(zhì)和循環(huán)參數(shù)優(yōu)化研究?？疾旃べ|(zhì)范圍涉及33種有機(jī)工質(zhì)。注意到近臨界ORC蒸發(fā)器中傳熱窄點(diǎn)位置前移到工質(zhì)泡點(diǎn)之前，以計(jì)算熱源

3、水放熱過(guò)程溫度曲線和工質(zhì)吸熱過(guò)程曲線的方式，確定窄點(diǎn)位置。結(jié)果表明：(1)循環(huán)參數(shù)對(duì)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(gè)特定循環(huán)特定工質(zhì)系統(tǒng)的比凈功最大；(2)工質(zhì)的性質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響，存在最優(yōu)工質(zhì)使得特定循環(huán)系統(tǒng)的比凈功最大；(3)循環(huán)選擇對(duì)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(zhì)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(zhì)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(guò)程中工質(zhì)的換熱性能優(yōu)于跨臨界ORC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面由于工質(zhì)物性在近臨界區(qū)域劇烈變化，可能會(huì)影響系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，對(duì)近臨界ORC系統(tǒng)進(jìn)行了工作穩(wěn)定性分析研究?？紤]到近臨界ORC的優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)展了近臨界O

5、RC性能及穩(wěn)定性研究。首先，對(duì)于既可用于亞臨界ORC、亦可用于跨臨界ORC的3種有機(jī)工質(zhì)HFC125、HFC143a、FC218，考察了其從亞臨界ORC向跨臨界ORC過(guò)渡過(guò)程中循環(huán)性能的變化特性。結(jié)果表明，比凈功、工質(zhì)質(zhì)量流量和循環(huán)熱效率均連續(xù)過(guò)渡，但最大比凈功對(duì)應(yīng)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(zhì)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(jié)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(duì)工況的敏感度越來(lái)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(shè)計(jì)輻流式汽輪機(jī)，依據(jù)一元流動(dòng)理論及工質(zhì)膨脹規(guī)律，開(kāi)展了輻流式汽輪機(jī)變工況性能

7、及相關(guān)調(diào)節(jié)方法的研究。結(jié)果表明，對(duì)于輻流式汽輪機(jī)出口背壓的變化，可采用調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和更換適當(dāng)噴嘴等調(diào)節(jié)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)；對(duì)于輻流式汽輪機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量的變化，采用部分進(jìn)氣調(diào)節(jié)法和變化噴嘴角度調(diào)節(jié)法可以獲得較好的調(diào)節(jié)效果；對(duì)于輻流式汽輪機(jī)進(jìn)口壓力的變化，可采用調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和更換適當(dāng)噴嘴調(diào)節(jié)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)。
　　針對(duì)課題組現(xiàn)有輻流式汽輪機(jī)噴嘴設(shè)計(jì)缺陷，以輻流式汽輪機(jī)變工況調(diào)節(jié)為方向，為輻流式汽輪機(jī)自制可調(diào)換噴嘴。以HFC245fa和HCF

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

9、45fa的汽輪機(jī)等熵效率。在課題組現(xiàn)有低溫發(fā)電ORC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，搭建輻流式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)部分?；?0oC的熱水型低溫?zé)崮芎?0oC的冷凝溫度，分別以HFC245fa和HCFC123為工質(zhì)，以比電功（單位熱源水質(zhì)量流量對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率，P&&ge/m）最大優(yōu)化循環(huán)蒸Hwater,發(fā)溫度。結(jié)果表明，漸縮噴嘴汽輪機(jī)采用HFC245fa時(shí)，蒸發(fā)溫度為69.16oC時(shí)比電功最大值為1.278kJ/kg?；?0oC的熱水型低溫?zé)崮芎?5oC的

10、蒸發(fā)溫度，分別以HFC245fa和HCFC123為工質(zhì)，以比電功最大優(yōu)化循環(huán)冷凝溫度。結(jié)果表明，縮放噴嘴汽輪機(jī)采用HFC245fa時(shí)，冷凝溫度為29.07oC時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了負(fù)載電阻對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)律和發(fā)電機(jī)效率變化規(guī)律的研究。結(jié)果表明，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載電阻的增大而增大；傳動(dòng)-發(fā)電效率隨轉(zhuǎn)速存在極大值；轉(zhuǎn)速一定時(shí)發(fā)電機(jī)效率隨負(fù)載電阻的增大