（热能工程专业论文）低温余热发电系统的试验分析与应用研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 随着人类社会的不断进步，能源与人们的生活生产息息相关。近些年来，由 于能源危机频发所引发的环境问题给人们敲响了警钟。 面对日趋紧张的能源和环 境问题，充分开发利用可再生能源及工业余热，提高能源利用率成为缓解能源危 机的重要途径。受当前技术所限，人类对于低温余热资源的利用还不充分，有机 工质低温发电系统旨在充分利用低温余热资源进行发电， 不仅减少了环境热污染 还提高了能源的利用效率。 本课题针对这种问题，通过对有机朗肯循环的热力学分析，搭建了试验台， 并通过大量的实验对影响系统发电效率的蒸发温度、 冷凝温度、 有机工质的物性、 螺杆机膨胀比等因素进行了分析，从中得到了一些重要结论，并对发电系统主要 部件进行了优化，从而提高了整个系统的发电效率。同时，首次将有机工质低温 发电机组应用在乙醇-异丙醇精馏工艺中，通过多次试验，根据实验现象和数据 分析对整个系统的匹配性进行了优化， 在保证系统稳定运行的同时也提高了系统 发电效率。此外，本课题还对低温发电技术在乙醇-异丙醇精馏工艺中的节能效 益进行了估算，通过系统的研究证明了有机工质低温发电技术的可行性和经济 性。 关键词：关键词：有机工质 朗肯循环 低温发电 系统优化 abstract with the improvement of the society, energy is closely bound up with peoples life and production .in recent years, the environmental problems caused by the frequent energy crisis are taking a toll. in face of serious energy and environment problem, we can alleviate the energy crisis by improving energy utilization efficiency and developing and utilizing the renewable energy and industrial waste heat .by the current technical limitations, the utilization of low temperature waste heat is not sufficient. the low-temperature cogeneration system of organic rankine cycle is designed to take full use of low temperature waste heat to generate power. it improves the energy utilization efficiency besides reducing the thermal environment pollution. the research project for this problem analyzes the orc thermodynamics, built test bench and analyzes the factors which affect the system efficiency of power generation such as evaporating temperature, condensing temperature, physical properties of organic substance and expansion ratio of the screw expansion. we can reach some important conclusions and optimize the main components of the power generation system in order to improve the efficiency of the entire system .at the same time, we apply the low temperature orc generator set , for the first time ,to the chemical sector of distillation process. basing on the experiment, we optimize the matching property of the entire system in order to ensure the stable operation and improve the system efficiency of the power generation. in addition, the subject estimated the energy saving efficiency of the application of the low temperature orc technology in chemical sector of distillation process. through systematic study, we prove the feasibility and economical efficiency of the low temperature orc power generation technology. key words： organic working fluid; rankine cycle; low-temperature energy generation; system optimization 目录目录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 全球能源形势 . 1 1.1.2 开发新能源的必然性 . 2 1.1.3 世界新能源形势 . 3 1.2 低温发电技术的研究历程 . 4 1.2.1 低温发电技术的发展史 . 4 1.2.2 低温发电技术在工业余热方面的应用现状 . 6 1.2.3 低温发电技术在可再生能源方面的应用 . 7 1.3 课题研究的主要内容和意义 . 9 1.3.1 本课题研究的主要内容 . 9 1.3.2 本课题研究的重要意义 . 10 第二章 低温发电原理及系统介绍 . 11 2.1 低温发电技术的基本原理 . 11 2.2 低温发电过程主要参数表达式 . 12 2.3 低温发电机组的主要部件 . 13 2.3.1 蒸发器 . 13 2.3.2 冷凝器 . 13 2.3.3 膨胀机 . 14 2.3.4 工质泵 . 15 2.3.5 同步发电机与自控设备 . 15 2.4 低温发电系统主要影响因素 . 16 2.4.1 蒸发温度 . 16 2.4.2 冷凝温度 . 17 2.4.3 气化潜热 . 17 2.4.4 膨胀比 . 18 2.4.5 干度 . 19 2.5 本章小结 . 19 第三章 低温发电系统的优化设计及故障分析 . 20 3.1 蒸发器的优化设计 . 20 3.1.1 理论分析 . 20 3.1.2 实验测试 . 21 3.2 冷凝器的优化设计 . 23 3.2.1 理论分析 . 23 3.2.2 实验测试 . 24 3.3 膨胀机的优化设计 . 25 3.3.1 理论分析 . 25 3.3.2 实验测试 . 26 3.4 低温发电系统运行故障分析 . 28 3.4.1 气蚀 . 28 3.4.2 螺杆机转速偏低 . 29 3.4.3 低温发电机组不稳定运行 . 30 3.5 本章小结 . 30 第四章 低温发电系统在精馏工艺中节能技术的研究 . 32 4.1 实验系统 . 32 4.1.1 传统精馏工艺 . 32 4.1.2 改造后的精馏工艺 . 33 4.2 实验分析 . 33 4.2.1 水物系实验 . 33 4.2.2 乙醇-异丙醇物系精馏试验 . 35 4.2.3 乙醇-异丙醇系统冬、夏季理论与实际发电效率的分析 . 37 4.2.4 乙醇-异丙醇系统年运行分析 . 38 4.3 本章小结 . 39 第五章 结论与展望 . 41 5.1 课题总结 . 41 5.2 创新点 . 42 5.3 后续研究方向 . 42 符号说明 . 43 参考文献 . 44 发表论文和参加科研情况说明 . 48 致 谢 . 49 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 全球能源形势 人类社会的飞速发展和人类文明的进步都与能源密不可分，能源在支撑现代 社会经济方面扮演者重要角色，是推动社会经济快速、平稳发展的主要力量。因 此，能源成为各个国家发展战略和方针中不容忽视的一个重要部分。 到目前为止，在漫长的人类社会发展史中一共出现了四次全球性能源危机。 正因为能源危机的频频出现，使人类深刻懂得煤、石油、天然气等非可再生能源 一旦枯竭将造成的严重后果。工业革命的到来大大提高了人类社会的生产力水 平，推动了人类社会的飞速发展，与此同时，加剧了人类对能源的过度开采。致 使全球煤、石油、天然气等不可再生能源的储量大幅下降。随着全世界人口的急 剧猛增以及人们生活质量的提高，全球的能源消耗量大幅增加，能源供需之间的 矛盾问题变得尤为突出。如今，人类所消耗的能源 80%以上来自于石油、煤、天 然气等不可再生的化石燃料。世界能源消耗总量在以前的 30-40 年里以年均 2.66%的速度增长，人均能耗已由 20 世纪 70 年代的 1.744 吨标准煤增至 2007 年 的 2.604 吨标准煤，年均增长率达到 1.09%1。据统计，目前探测到的全部类型 的化石燃料最多还可以供人类正常使用 250300 年。另一项统计，1990 年全球 gdp 总量约为 26.5 万亿美元，而到了 2000 年达到 34.3 万亿美元，年平均增长 为 2.7%。据2004 年 bp 能源统计，世界一次能源消费总量在 1973 年时还仅 为 57.3 亿吨油当量，而到了 2003 年，飞速飙升到 97.4 亿吨油当量。短短的 30 年里，全球能源消费量年平均增长率达到了 1.8%2。 全世界各国的能源储备情况因各自地理位置的差异而不同，为此导致各个国 家的能源消费类型也不尽相同。例如中东地区储藏的石油资源最丰富，开采成本 也比较低，因此中东地区石油、天然气的消耗量占其能源消费总量的 97%，该比 例远远超出世界平均水平，居全球首位。而在中国、印度等亚洲国家的煤炭资源 储量比较丰富，因此能源结构中其所占的比重较高。在我国的能源消耗结构中煤 炭所占比例高达 68%。同时，在亚洲地区能源消耗量上，石油、天然气所占比例 第一章 绪论 2 仅为 47%，均低于世界平均水平。除亚太地区之外，世界其他地区的石油、天然 气比例均高于 60%。 随着历史的发展和社会文明的进步，人类利用能源的方式也在变化。从 19 世纪至今，人类社会历经了两次能源结构转型。第一次开始于 19 世纪 70 年代， 主要是以薪柴为主的原始能源向以煤为主的化石燃料转化， 蒸汽机的发明和推广 以及有机化工行业的发展是促成这次转变的主要原因。 而第二次能源结构转型则 是在 20 世纪初，能源主要消耗量从煤逐渐转变为石油，促成这次转变的主要原 因是汽车工业、飞机以及石油化工业的兴起。石油和天然气的生产与消耗量自 20 世纪以后持续攀升，到了 20 世纪 60 年代，石油消耗量第一次超越煤炭，跃 居一次能源的首位。直至今日，世界石油消费量仍然保持持续上升的趋势。 如今，人们越来越关注能源危机，全球都在致力于发展新型能源和可再生能 源，如核能、风能、潮汐能、地热能等新能源技术已经在各国的能源战略中得到 普遍应用，全球能源形势逐渐形成了以化石燃料为主，新能源、可再生能源并存 的能源格局。 目前化石能源作为一次能源在世界范围内仍是能源供应的主要来源 2，但可再生能源和非化石能源具有很快的增长态势。例如 2006 年，世界一次 能源的消耗总量为108.8亿吨， 其中， 煤炭占28.4%、 石油占35%、 天然气占23.7%， 可再生能源占到 12.3%3。 1.1.2 开发新能源的必然性 所谓新能源主要是指有别于传统能源，对环境影响小，可再生的能源类型。 包括太阳能、水电、风电、地热能、生物质能等。新能源环境污染小，资源消耗 低，应用前景广泛，具有良好的综合效益。通过对生物质能数十载的探索研究， 事实证明，生物质能的发展不仅会占用大面积土地资源，还会影响整个社会的发 展，为此许多专业人士都不赞同大力发展这种能源利用形式；对于地热能，如果 过度开发必然会影响该局部区域的地表土壤， 长此以往必将带来该地区的环境恶 化；而风能和太阳能作为地球上储量最为丰富的能源，并且对环境没有破坏性， 在今后的发展中必将取代以上几种能源，成为能源利用的主体。 根据 international energy outlook 2010 以往的数据统计， 从 2007 年到 2035 年全球能源消耗总量将会增加 49%，非经济合作组织地区（non-oecd）能源消 耗量增幅尤为显著，高达 84%，经济合作组织地区（oecd）的能源消耗量增幅 控制在 14%左右4。预计到 2025 年，包括中国、印度在内的亚洲发展中国家的 能源消耗量将要比现在翻一番， 由此带来的严重后果是世界能源需求总量上升近 40。人类社会面对如此严峻的能源危机，传统能源不能维持人类生活多久，长 第一章 绪论 3 此以往必将导致能源枯竭，另外，一味的开发利用传统能源还会加剧环境污染， 破坏生态平衡，因此，人类得以实现可持续发展的唯一途径就是大力发展清洁的 可再生能源。 为此， 各国都将开发利用新能源作为工作重点， 以提供能源利用率， 大力倡导节能减排，实现可持续发展。 1.1.3 世界新能源形势 欧盟由 25 个成员国组成，由于各个国家的国情不同使得欧盟各成员国在推 动本国能源市场的进度上有所差异， 这给欧洲统一能源监督机制的建立在一定程 度上造成了困难。 但开发利用新能源对确保能源安全的重要性受到了各个欧盟成 员国的认可， 因此， 欧盟一直是全世界开发与利用可再生能源的先驱者、 领导者。 美国是世界上第一大能源消耗国，美国政府一直都非常重视新能源产业，并 投入大量资金将其作为整个国家的首要战略产业纳入国家发展的方针政策中。 由 美国国会在 2007 年 12 月通过的美国能源独立与安全法规定，国家在新能源 技术和能源效率技术方面的投资将在 2025 年达到 1900 亿美元。 其中的 600 亿美 元将被用于碳封存和碳捕捉技术；各 200 亿美元分别被用于以电动汽车为主的 相关基础科学研发和清洁能源机动车研究； 剩下的 900 亿美元则全部投入到可再 生能源和能源效率领域。此外，美国国会众议院还于 2009 年 6 月通过了清洁 能源和安全法，该项政策规定预计到 2020 年，美国境内的所有电力公司要大 力推广能效改进和可再生能源， 全部电力供应的 20%要属于新能源。 其中太阳能、 风能、生物质、地热能等形式的新能源所占比例要占到 15%，其余的 5%则需要 提高能源利用率来达到5。 中国则是世界上第二大能源消耗国，据估计中国将要在接下来的 35 年之内 超越美国，成为世界上能源消耗最大的国家。我国的人均碳排放标准仅为美国的 1/4，还不到日本的 1/2，但是我国是世界上人口最多的国家，人口基数大，使得 我国的碳排放总量非常大，排名世界第一。因此，中国要想解决能源与环境之间 的矛盾、 履行对国际社会的承诺就必须大力发展新能源产业， 全面提倡节能减排， 实现可持续发展。 我国幅员辽阔，地大物博，太阳能的储量极为丰富，同时风能和水力资源的 容量也非常充足。我国的可再生能源和新能源建设从上个世纪 90 年代就已经开 始逐步发展。中国政府于 2001 年开始资助可再生能源以及新能源产业。陆续颁 布实施了很多与能源相关的产业建设方针政策、发展纲要等。2009 年 7 月，国 家发改委颁布了可再生能源中长期发展规划，其中指出，预计到 2020 年， 全国总能源消耗的 15要来自可再生能源和清洁能源。 其中风力发电要达到 第一章 绪论 4 3000 万 kw，太阳能发电应增长到 200 万 kw，太阳能热水器利用面积应达到 3 亿 m3，利用生物质能达到 3000 万 kw。 近年来，随着我国对能源问题的重视，新能源产业在我国发展迅速。新能源 产业的繁荣在给我们带来机遇的同时也给我们带来更多的技术难题， 这对于我们 是一个重大挑战。但不可否认新能源的发展前景在中国是十分广阔的。 表 1-1 世界各地区能源结构6,7 地区 煤炭 （%） 石油 （%） 天然气 （%） 水电 （%） 核能 （%） 北美 21.6 40.0 25.7 5.1 7.6 欧洲 17.9 31.8 34.8 6.3 9.2 亚洲 49.9 31.2 10.6 5.1 3.2 中东 1.1 51.1 46.9 0.9 0.0 中南美洲 4.0 45.6 21.9 27.7 0.8 非洲 30.7 40.1 21.8 6.5 0.9 世界 28.6 35.6 23.8 6.4 5.6 表 1-1 给出的是世界主要地区的不同能源利用形式在整体能源供给中所占的 比重。从表中很直观的看出，石油仍然在世界各国的能源结构中占主导地位。对 于亚洲和非洲而言，其煤炭、化石燃料所占比重均高于世界平均水平。除了中南 美外，可再生能源和新能源，如水电、核能等，其所占比重在整体能源结构中非 常小。 而世界平均水平仅为 12%， 中东地区的可再生能源在其能源结构中的比重 最小，竟然不到 1%。由此不难看出全世界可再生能源具有巨大的发展潜力。 1.2 低温发电技术的研究历程 1.2.1 低温发电技术的发展史 低温发电技术是利用有机工质吸收低品位热能后膨胀做功， 将自身所携带的 低品位热能转化为高品位电能的过程。 frank ofeldt 早在 1883 年就发明了用石脑 油取代水蒸气作为循环工质来驱动活塞做功的动力机8。1934 年，瑞典教授 a.lysholm针对非对称齿形螺杆压缩机提出了相关方面的理论， 1960年瑞典srm 公司利用该理论研制出了当时世界第一台双螺杆非对称齿形压缩机， 并在随后的 第一章 绪论 5 10 年批量生产。美国自上世纪 70 年代至今，一直致力于发展双循环发电技术， 并在爱德华州、 加利福尼亚州等地建成数个具有较高自动化程度的地热双循环发 电站，电站总装机容量从 10 千瓦慢慢扩大到到 10 兆瓦9,10。从九十年代直到现 在，受蒙特利尔协议和京都议定书的影响，人们深刻意识到能源和环境 问题的重要性。而中低品位热能的利用，对二氧化碳及其他有害物质的减排具有 重要意义。目前低温发电的应用技术主要还停留在地热和生物能源层面，对余热 能、太阳能等方面的应用还在探索中。我国对于低温发电技术的研究始于上世纪 80 年代初，由王补宣、严家騄等人从理论方面进行了系统分析和热力计算11-13， 从而为低温发电方案的设计提供了很大方便。天津大学热能研究所于 1987 年成 功研制出我国第一台汽液两相地热发电机组，通过后续对双螺杆膨胀机的设计、 加工、性能、调节方法及组装技术的探索，于 90 年代初非常成功的进行了相当 于 400kw 机型的工业试验研究 14。2001 年，nguyen 等以 n-戊烷为工质，利用 1.5kw 余热发电装置在地热源温度为 81时，发电效率约为 4.3%15。2002 年， cheng 设计的发电机组采用较大的冷热源温差实施发电，发电效率高达 15%16。 2007年， 由madhawa hettiarachchi 等发明的地热能发电机组， 在热源温度约90 的条件下，发电效率达到 10%17。 卡林那循环继朗肯循环之后同样被应用于回收低温余热。余热双循环发电技 术取得新突破的标志性事件就是 1983 年公布的卡林纳循环技术 18。 卡林纳循环 的系统流程图如图 1-1 所示。卡林那循环与有机朗肯循环的热力循环过程基本类 似，卡林那循环的不同之处是它的循环工质是一种非共沸的氨水混合物。氨 水混合工质吸收热量后蒸发，在这个相变过程中蒸发温度是变化的。因此可以通 过最大限度的减小换热温差来降低整个循环过程的不可逆损失。 我国对卡林那循 环技术的研究始于上世纪八十年代， 但是至今仍未建成一座利用卡林那循环技术 发电的地热低温发电站。 第一章 绪论 6 图 1-1 卡林那循环系统流程图 1.2.2 低温发电技术在工业余热方面的应用现状 有机朗肯循环低温发电技术可以应用在工业领域，最大限度的回收工业余热 用来发电。低温发电技术已经广泛应用于钢铁、石油化工、水泥等排放余热量较 大的工业领域 19。据可靠统计，在工业生产领域中有将近 60%的热能没有被充 分利用，这部分余热未经处理直接排放到大气，不仅造成能源的浪费还对环境产 生热污染。美国的化工、钢铁、精炼等行业仅在 2002 年一年的时间里产生的余 热就可以发出 3000 兆瓦的电量20。中国的能源利用技术与发达国家相比仍然存 在着很多不足之处，对于大规模工业生产中排放的余热回收率远不及发达国家。 表1-2给出了部分发达国家在工业生产领域利用低温发电技术回收工业余热的例 子。 表 1-2 低温发电技术在工业余热方面的应用现状 国家 应用领域 余热源 冷却介质 热源初温 热源终温 发电量 kw 美国 石化厂 碳氢化合物 水 104 85 780 荷兰 造纸厂 低压蒸汽 水 105 80 930 美国 精炼厂 柴油 水 184 80 300 加拿大 燃气轮机 尾气 空气 275 92 5825 日本 焚烧炉 蒸汽 空气 167 80 550 第一章 绪论 7 我国现阶段能源供应的主体为一次能源，根据我国现阶段具体国情，实施节 能减排工作的重点就是合理利用资源，提高能源利用率。我国是世界上能源消耗 大国，大规模的工业生产过程中产生了大量工业余热，这为有机朗肯循环低温发 电技术在我国工业领域的大面积应用提供了充足和广阔的发展空间。 我国钢铁厂 的冲渣水蕴含着丰富的热能， 采用传统余热回收技术对这部分余热的回收效果往 往不太理想，而将有机朗肯循环低温发电技术应用于此，可以最大限度的回收这 部分余热并用来发电。我国的水泥业也是耗能大户，由于技术落后，在整个生产 水泥工艺中普遍存在余热回收率低、能源浪费严重的现象。例如我国水泥生产工 艺中窑炉的排气温度大概在 300左右，但传统的余热回收设备对这部分热能的 回收效率很低， 倘若引入有机朗肯循环低温发电技术不仅减少了外界环境热污染 同时提高了能源利用率， 创造出可观的经济效益。 谢培顺21等对有机朗肯循环低 温发电技术在水泥工业中的应用进行了分析，并完善了相关理论。baatz22曾在 文献中提到一所低温余热发电站，该发电站位于 lengfurt，装机容量达到了 1500kw， 其热源来自水泥生产过程中产生的 300余热， 同时每年可以减少 7600 t 的 co2排放量，是第一座将低温发电技术应用在水泥生产工业之中的发电站。 张红等23根据有机朗肯循环低温余热发电的实例， 对低温发电技术在大规模工业 生产过程中的经济性、可行性进行了论证。 此外，低温发电技术还可以应用在冶金、钢铁、炼化等能耗较大的行业，回 收其生产过程中排放的大量余热资源。 1.2.3 低温发电技术在可再生能源方面的应用 可再生能源包括地热能、太阳能、生物质能等等，由于其成本高，规模小， 分布不集中，能质低导致传统的发电技术不能在此得到广泛的应用。而低温发电 技术本身规模较小，能够适应分散的低温能源，因此更适合回收太阳能、生物质 能、海洋能、地热能等余热资源来发电。以下对低温发电技术在这几种热源方面 的应用做简单介绍。 生物质能作为一种可再生能源储量相当丰富， 利用生物质能进行发电的技术 在发达国家发展相对比较成熟。 欧盟对低温发电技术在生物质能方面的应用处于 世界领先水平，曾经建立了许多个有关生物质能发电的示范工程，累计总发电量 达到了 12mw； 2002 年， 奥地利学者 ingwald 报道了一个应用生物质能进行低温 发电的案例24，该发电机组采用硅油作为循环工质，装机容量为 1mw，最高循 环温度达 300；位于意大利的 turboden 公司将使用生物质能的低温发电技术 与水蒸气朗肯循环做了比较，结果显示利用生物质能的低温发电系统性能更好， 第一章 绪论 8 且集中式发电系统所产生的经济效益要远远超出分散式系统 25；生物质能发电 系统在美国更加普及， 据统计美国现在所有利用生物质能进行发电的系统总发电 量为 9gw，相关业内人士预计在未来 10 年之内这个数值将会增涨到 200tw； 我国对生物质能发电技术的探索始于 1987 年，从 1998 年到 2000 年短短的三年 时间，我国先后建成了谷壳气化发电、木屑气化发电、秸秆气化发电示范工程， 并投入运行。随后，生物质能发电在我国掀起一阵狂潮，许多大型企业纷纷参与 投资我国的生物质能发电产业。到 2007 年底，我国已建成投产的有关生物质能 发电项目超过 15 个，在建项目 30 多个，全国的生物质能发电总装机容量已经达 到了 2.2mw 26。面对新时期能源危机给我国带来的巨大挑战，为实现可持续发 展，预计到 2020 年，我国的生物质发电总装机容量将要达到 20mw20。 太阳能是一种清洁的可再生能源，而且储量极为丰富。但由于其热源温度较 低，能量较为分散的特点使得太阳能发电技术很难在大范围大规模应用。上世纪 80 年代，美国设计建造了当时世界上最大的集成化太阳能发电系统（segs）， 总装机容量高达 354 兆瓦，并且单独系统最大发电量也达到了 80mw 27。西班 牙学者曾于 2007 年对分布式太阳能发电系统进行了分析论证，并发现了一种更 适合太阳能系统发电的有机工质硅氧烷 28。 美国政府于 2010 年在美国加利 福尼亚州东南部艾文帕地区建立了一座规模庞大的应用太阳能来发电的热电站， 该项目耗资 13.7 亿美元， 投入使用后发出的电量可以供 14 万户加州居民日常使 用，与此同时还为当地居民提供了将近 1000 多个工作岗位29,30。来自我国的李 晶、裴刚等人，曾对有机朗肯循环和复合抛物面集热器相结合的太阳能发电系统 展开深入的分析研究，并结合合肥市气象数据建立了系统数学模型，进行了数值 模拟31,32。 低温发电技术在地热能方面的应用较为广泛， 许多地热发电站是由以色列的 ormat 等公司建立的33。 一座装机容量 250kw 的地热发电机组于 1913 年开始 运行。 位于德国 neustadt-glewe 的地热发电站34， 采用 98的地热水作为热源， 有机循环工质为全氟化戊烷（n-perfluorpentane，c5f12），利用亚临界有机朗肯 循环原理发电，发电量达到了 210 kw。到目前为止，全球地热发电量达到 8000mw；美国内华达和加利福尼亚地区的地热能储量相当丰富，初步核算可以 提供至少 2000mw 的电力。世界上低于 5mw 的地热发电站大概有 50 座，其中 有 6 座位于美国。1978 年，日本北海道浊川地热田采用 r114 为有机循环工质， 发电量为 1mw 35。 以上几个地热能发电系统的案例充分证明了低温发电技术在 地热能方面呈现出来巨大的潜力。上世纪七八十年代，我国曾大范围开展了利用 第一章 绪论 9 地热资源发电的实验，随后便建立了许多利用低温地热水进行发电的试验电站， 地热水温度在 67-92 c 之间，发电量在从 50kw 到 300kw 不等36。 1881 年，法国物理学家德尔松最早提出了利用海洋温差热来发电的概念。所 谓的海洋温差能发电技术就是利用海洋表面和海洋深层的温差来进行发电。 海洋 温差能发电技术采用的有机循环工质为氨水混合物，其沸点一般为 33，混合 工质在热水层与海洋表面之间换热，吸收热量后蒸发气化推动膨胀机做功，膨胀 后低温乏汽再与源深层海水换热，被冷凝成为液态。有机工质如此循环，将海水 中蕴含的温差热转化为高品位的电能37,38。美国、日本等发达国家早在上世纪八 十年代就对海洋温差能发电技术引起高度重视。1977 年，日本建造了一套设计 温差为 21并采用 r114 作为循环工质的浮移式海洋温差热发电装置， 装机总容 量为 1kw。随后东京电力公司于 1981 年在瑙鲁建造了本国第一座利用海洋温差 热发电的电力站，净输出电量为 30kw，输出总量达到了 120kw。低温发电技术 在海洋温差热方面的应用既减少了全球碳排放量又全球能源危机起到缓解作用， 为此越来越受各国的重视。如今，海洋温差热发电技术在日本、美国、印度等国 都有应用实例，2004 年，全球就建成了三座海洋温差热发电站。中国在利用海 洋温差热发电方面相比发达国家落后很多， 直到现在仍旧停留在理论探索和实验 的层面上，并没有利用海洋温差热进行发电的应用实例39,40。 1.3 课题研究的主要内容和意义 1.3.1 本课题研究的主要内容 与传统余热发电技术相比，有机朗肯循环低温发电技术回收的余热温度主要 集中在 100以下。因此利用有机朗肯循环低温发电技术回收余热资源存在着一 定的难度，其根源在于余热资源的温度太低导致系统发电效率偏低。然而在全球 范围内，余热资源的种类繁多，储量丰富，因此低温发电技术的应用前景以及所 带来的社会效益是非常可观的。 本课题针对目前有机朗肯循环低温发电存在的问 题，主要做以下方面的研究： （1）目前传统的低温发电技术受热-电转换效率的制约所应用的领域其热源 温度主要集中 100到 300之间。实际上许多工业废热和低温余热资源的温度 要低于 100。本课题主要对 100以下的低温余热资源进行研究，此外，还对 系统设计、系统实际应用进行深入研究； 第一章 绪论 10 （2）通过理论分析和实验验证，对低温发电机组主要部件进行优化设计， 以提高系统发电效率； （3）通过具体的应用实例对有机工质朗肯循环发电过程中主要参数进行分 析； （4）对低温发电机组的可操作性和经济效益进行论证。 1.3.2 本课题研究的重要意义 随着人类社会的不断进步， 全球能耗也逐渐增加， 能源危机问题越来越突出， 面对如此严峻的能源形势，合理开发利用新能源，提高能源利用效率势在必行。 传统的余热发电系统以水蒸气作为工质， 受工质温度的限制而不能有效的回收低 温余热资源，而有机朗肯循环低温发电技术则可以摆脱这个限制，最大限度的回 收低温余热资源用来发电。此外，低温发电技术能够利用的余热种类繁多，因此 具有广阔的发展前景。