（纺织工程专业论文）小型orc系统的模拟与研究.pdf

学位论文的主要创新点 一、针对低温热能o r c 发电系统热力循环特点，分析比较了有机郎 肯循环和水蒸气循环的不同点，o r c 循环和卡诺循环的不同点，通 过简化条件，推导出适用于小型o r c 发电系统热效率的计算公式。 二、根据第二章推导的热效率理论计算公式，对于四种候选有机工质， 在给定相同的计算条件下，采用热效率的分析方法，对系统的工质进 行优化选择。同时，运用c y c l e p a d 热力学计算软件对热力过程进行 模拟，证明理论计算的准确性。 三、用c f d 对汽轮机进行模拟，对比理论计算结果，验证c f d 用于 o r c 系统分析的可行性。 四、依照设计系统运行参数搭建实验台，对实验中出现的各种问题进 行解决，并讨论了小型低温热能o r c 发电系统的运行规律。 摘要 低温热能o r c 发电技术是一种新型的能量回收技术，可实现对余热能源的 回收利用。 针对低温热能o r c 发电系统热力循环特点，分析比较了有机郎肯循环和水 蒸气循环的不同点，o r c 循环和卡诺循环的不i 一点。通过简化条件，推导出适 用于小型o r c 发电系统热效率的计算公式。 根据推导的热效率理论计算公式，对于四种候选有机工质( r 1 3 4 a 、r 1 2 3 、 r 2 4 5 f a 和r 2 2 7 e a ) ，在给定相同的计算条件下，采用热效率的分析方法，对系 统的工质进行优化选择。随后，运用c y c l e p a d 热力学计算软件对热力过程进行 模拟。结果表明：r 1 3 4 a 的热效率、净功均比其他三种工质大，是四种有机工质 中最适合用于o r c 系统的有机工质。模拟结果与理论计算结果一致，证明了理 论计算的准确性。 用c f d 对汽轮机进行模拟，对比理论计算结果，验证c f d 用于o r c 系统 分析的可行性。 依照设计系统运行参数搭建实验台，对实验中出现的各种问题进行解决，并 讨论了小型低温热能o r c 发电系统的运行规律。利用c y c l e p a d 及其他制冷工质 软件对实验数据分析，得出以下结论：小型o r c 系统热效率随热源温度的提高 而增大；质量流量从0 0 2 k g s 变化到0 1 k g s 时，工质的蒸发压力和系统热效 率都随之提高，而热效率的提高不明显。 关键词：o r c ；有机工质；热效率；c f d ；汽轮机 a b s t r a c t l o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r cp o w e rs y s t e mi s ak i n do fn o v e le n e r g y r e c o v e r yt e c h n i q u ea n dc a nr e c y c l ew a s t ee n e r g y t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e no r g a n i cr a n k i n ec y c l ef o r c ) a n ds t e a mc y c l ew e r e d i s c u s s e di n t h i sp a p e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g y o r cp o w e rs y s t e m s od o e st h ed i f f e r e n c e sb e t w e e no r ca n dc a r n o tc y c l e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h es m a l l0 r c s y s t e mf o rt h e r m a ie 仟i c i e n c yw a sd e r i v e d a c c o r d i n gt o t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ad e r i v e d f o u ro r g a n i cw o r k i n gf l u i d ( r13 4 a 、r12 3 、r 2 4 5 f aa n dr 2 2 7 e a ) w e r ec o m p a r e dt h o u g ht h em e t h o do f c a l c u l a t i n ge a c ht h e r m a le f f i c i e n c yb yg i v i n gt h es a m ec a l c u l a t i o nc o n d i t i o n s t h e n t h et h e r m o d y n a m i cp r o c e s s e sw e r es i m u l a t e db vc y c l e p a d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h e t h e r m a le 币c i e n c ya n dt h en e tw o r k i n go frl3 4 aw e r et h eb i g g e s ta m o n ga l lo ft h e f o u rw o r k i n gf l u i da n di ti sm o r es u i t a b l ef o rt h es m a l lo r cs y s t e m s i m u l a t i o n r e s u l t sw e r es i m i l a rw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s w h i c hp r o v e dt h ea c c u r a c y o ft h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h es t e a mt u r b i n ew a ss i m u l a t e dt h o u g ht h es o t t w a r eo fc o m p u t a t i o n a if l u i d d y n a m i c s ( c f d ) c o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s i tw a sv e r i f i e d t h a tc f dw a sa p p l i c a b l et ot h es i m u l a t i o no fs t e a mt u r b i n e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no p e r a t i o np a r a m e t e r so ft h i ss y s t e m t h et e s t b e dw a s b u i l t a l ls o r t so ft h ep r o b l e m sf a c e di nt h ee x p e r i m e n tw e r es o l v e d a n dt h eo p e r a t i o n r u l e so fl o w t e m p e r a t u r eh e a te n e r g yo r cp o w e rs y s t e mw e r ed i s c u s s e di nt h el a s t c h a p t e r t h ee x p e r i m e n td a t aw a sa n a l y s i s e db yc y c l e p a da n do t h e rr e f r i g e r a t i o n m e d i u ms o f t w a r e r e s u l t ss h o wt h a t ：w i t hi n c r e m e n to ft h eh e a ts o u r c et e m p e r a t u r e t h et h e r m a le 疖c i e n c yw a si n c r e a s e d ；w h e nm a s sf l o wi sc h a n g e df r o m0 0 2 k g h st o o 1k g s ，e v a p o r a t i n gp r e s s u r ea n ds y s t e me f f i c i e n c ya r ei m p r o v e d ，h o w e v e r , t h e s y s t e me 币c i e n c yi n c r e a s es l i g h t l y k e y w o r d s ：o r c ，w o r k i n g i n gf l u i d s ，t h e r m a le f f i c i e n c y , c f d ，s t e a mt u r b i n e 目录 第一章绪论1 1 1 国内外研究动态1 1 1 1 半导体温差发电1 1 1 2 氟里昂汽轮机发电2 1 1 2 1 太阳能余热发电2 1 1 2 2 工业余热发电3 1 1 2 3 地热发电。4 1 1 2 4 生物质能发电4 1 1 3 废气涡轮发电5 1 2o r c 系统综合评价5 1 2 1 资源条件评价5 1 3 课题研究内容6 第_ 章低温热能o r c 发电系统7 2 1 有机朗肯循环热力系统7 2 1 1 有机朗肯循环与水蒸气循环7 2 i 2 卡诺循环与朗肯循环。8 2 1 2 1 卡诺循环一8 2 1 2 2 郎肯循环9 2 1 2 3 郎肯循环与卡诺循环的不同点1 0 2 2 通过温熵图看各种参数对o r c 系统的影响1 l 2 2 1 初温对o r c 系统热效率的影响l l 2 2 2 初压对o r c 系统热效率的影响1 2 2 2 3 背压对o r c 系统热效率的影响1 3 2 3 有机郎肯循环热效率理论分析1 4 2 3 1 f 氐温热能o r c 发电系统组成及原理1 4 2 3 2 有机郎肯循环热效率推导公式1 5 2 3 3 系统状态点参数( 熵和焓) 的确定1 7 2 4 本章小节l8 第三章o r c 发电系统工质优化选择1 9 3 1 系统对工质热物性的基本要求1 9 3 2 通过计算各种工质的热效率选定工质2 l 3 2 1 热效率计算步骤2 2 3 2 2 计算r 1 3 4 a 为工质时系统效率2 2 3 2 3 计算r l2 3 为工质时系统效率2 3 3 2 4 计算r 2 4 5 f a 为工质时系统效率2 5 3 2 5 计算r 2 2 7 e a 为工质时系统效率2 6 3 2 6 比较四种工质热效率2 7 3 3 利用c y c l e p a d 检验计算结果2 8 3 4 本章小节3 0 第四章小型o r c 系统汽轮机c f d 模拟。3 3 4 1c f d 软件概述3 3 4 1 1c f d 的发展一3 3 4 1 2f l u e n t 软件概述3 4 4 1 3f l u e n t 软件包的基本构成3 4 4 1 4 控制方程组3 5 4 2 小型o r c 系统汽轮机c f d 模拟3 7 4 2 1 用g a m b i t 对小型汽轮机建模3 7 4 2 1 1 建立汽轮机外型3 8 4 2 1 2 划分网格：4l 4 2 1 3 定义边界条件：4 2 4 2 2 用f l u e n t 求解器求解4 3 4 2 2 1 编辑流体物性参数4 3 4 2 2 2 设定边界条件4 4 4 2 3 结果分析4 4 4 2 3 1 残差图4 4 4 2 3 2 第4 0 秒各观察端而的计算数据。4 5 4 2 3 3 第8 0 秒各观察端面的计算数据4 6 4 2 4 总结4 8 第五章实验及分析5l 5 1 系统各部件的选择5 l 5 1 1 加热系统。5 l 5 1 2 冷却系统5 l 5 1 3 发电系统5 l 5 1 4 工质泵的选择。5 2 5 1 5 工质量及充液5 3 5 1 6 数据测量系统。5 4 5 1 7 系统的密封。5 5 5 2 实验及实验结果分析。5 6 5 2 1 实验结果。5 6 5 2 2 实验结果分析5 8 5 2 2 1 热源温度对测试点压力和温度的影响5 8 5 2 2 2 热源温度对系统热效率的影响5 9 5 2 2 3 质量流量对系统热效率的影响6 0 5 3 实验改进6 0 5 4 本章小节。6i 第六章结论及展望6 3 6 1 结论。6 3 6 2 展望6 4 参考文献6 5 发表论文和参加科研情况说明6 9 附录7 l 至殳谢： i 第章绪论 第一章绪论 众所周知，我国的能源结构不尽合理，煤炭仍是我国消费的主要能源，占 总消费能源的7 0 以上。另一方面，煤、石油、天然气等非可再生能源大规模 使用，能源利用效率低下，矿物燃料燃烧时生成的二氧化碳、烟尘、硫化物和 氮氧化物等有害物质，对室外环境造成极大的危害，对人类生存的大环境也造 成了严重的威胁。 国务院在“十一五”规划纲要中针对节能减排的目标明确提出：“解决我国 能源问题的根本出路是坚持开发与节约并举、节约优先的方针，大力推进节能降 耗，提高能源利用效率。节能是缓解能源约束，减轻环境压力，保障经济安全， 实现全而建设小康社会目标和可持续发展的必然选择，体现了科学发展观的本质 要求，是一项长期的战略任务，必须摆在更加突出的战略位置”。”可见，节能 作为我国的一项基本国策，有其非常重大的意义。除了利用石油、煤炭、天然气 等不可再生资源可用于发电外，如何充分开发利用可回收利用的低温热能发电便 成了当今世界各国研究的主要课题之一。 低温余热回收发电项目是利用2 0 0 以下的工业余热产生的低品位蒸汽， 来推动专门设计的汽轮机组做功发电。它是先进技术和环保要求相结合的必然 趋势和产物，是控制环境污染，保护臭氧层，减少非可再生能源开发的有效手 段和途径，也是相应企业提高能源利用效率，降低成本，提高产品市场竞争力， 减少温室气体排放和保护环境的重要措施之一。本论文是研究如何利用低于1 0 0 的低温余热，使系统中特殊的有机工质循环蒸发，推动汽轮机进而带动发电 机进行发电。 1 1 国内外研究动态 利用废气的余热量发电的方法大致可以分为三种：利用半导体温差发电、 氟利昂汽轮机发电和废气涡轮机发电。 1 1 。1 半导体温差发电 半导体温差发电是利用赛贝尔效应( s e e k b a c k 效应) 原理将热能转化为电 能，其工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置两个不同的温度点，于是 在半导体上就产生了电压差。这种发电系统的优点是：没有可动的部件、无污 天津工业大学硕士学位论文 染、性能稳定。随着半导体材料及其加_ t 技术日新月异的发展，金属导体热电 转化效率逐渐提高，使得半导体温差发电有了更广阔的利用空间。有资料表明 心1 ：半导体温差发电材料的热电转化效率不是很高，但可以达到3 3 ，甚至是 7 。图1 1 是温差发电原理图。 1 1 2 氟里昂汽轮机发电 图1 1 温差发电原理图 流 氟里昂汽轮机发电系统是利用一种在低温卞能转化为高压气体的低沸点 物质( 通常为氟利昂) 作为工质，使其在吸收废热后由液态变为高压蒸汽从而推 动汽轮机发电。氟里昂汽轮机发电系统经常采用有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n e c y c l e ，o r c ) 、卡林纳循环( k a l i n a ) 以及氨( n h 3 ) 吸收式动力制冷复合循环 睁4 。而o r c 系统的研究和应用最为广泛。低温热能o r c 发电系统主要应用在 太阳能、工业余热、地热能以及生物质能等领域。 首先提出利用发动机废热的氟里昂汽轮机发电装置的是日本的一色尚次。 此装置在利用低品位热能力方面有优势，但是其系统复杂笨重且无工质回收装 置，成为最大的缺陷肺1 。j o h no e v e r e t t 提出了一种新型的可再生郎肯循环系统， 指出：发电效率和平均蒸发温度存在关系，即在一定的条件下，平均蒸发温度 越高，发电效率越大。在这个系统中，蒸汽首先在预热炉中加热，然后通过五 个涡轮机带动轴产生扭矩，工质做功以后流到预热器中，带动发电机发电。其 发电效率可以提高4 0 。这便是o r c 再热循环的雏形旧1 。 1 1 2 1 太阳能余热发电 2 0 0 5 年，希腊学者d m a n o l a k o s 等人研究了基于采用r 1 3 4 a i 质有机朗肯循环 的太阳能海水脱盐系统。这个系统的创新点之处于利用低温的热源来提供淡水供 2 第章绪论 给，太阳能并没有直接利用于海水加热，但是太阳能却被高效地利用了。海水的 加热过程是在系统的冷凝器上完成的旧1 。 2 0 0 7 年，两班牙学者l o u r d e sg a r c i a - r o d r i g u e z 等人同样设计了用太阳能淡化 海水的系统，其中选择使用了氨、甲苯等7 种有机- t 质，实验证明通过o r c 系统 利用太阳能，比直接利用太阳能加热海水获得淡水的效率高【8 。 2 0 0 9 年，天津大学赵力等人，发表了非共沸工质用于太阳能低温朗肯循环的 理论研究，提出了以r 2 4 5 f a r 1 5 2 a 为组元的按不同质量比例组成的c a 、c b 和c e 这3 种典型的非共沸混合工质，在设定工况下对其应用于太阳能低温朗肯循环的 性能进行了理论研究饽1 。 日本鸟取大学与上海交通大学等单位合作，开展了基于o r c 系统的低品位热 能发电系统的研究。主要方向是基于太阳能集热技术的低品位热能发电研究，新 工质的特性研究，混合工质的特性研究，基于有限时问热力学的系统动态特性研 究等1 1 引。 在研究理论的同时，很多国家已把太阳能有机朗肯循环系统进行了实用化、 商业化。2 0 世纪中后期，以色列国家物理实验室设计制造了用于有机物朗肯循环 的透平。其热源为平板集热器收集的低于1 0 0 ( 2 的太阳热能。8 0 年代后，美国开 始建造的s e g s ，其总发电量能够达到3 5 4 m w ，单系统的最大装机容量可以达到 8 0m w ( s e g sv i i ia n ds e g si x ) 。是日前世界上最大的太阳能热力发电系统。 于工业生产过程中，比如：炼钢厂高炉烟气和汽化冷却水， 石油炼化装置中的催化、裂化、焦化冷却水，玻璃窑和水 表l lo r c 技术在工业领域的应用 ，水泥窑的余热发电技术日趋成熟。工业余热的可利用价 国内外的很多学者对o r c 余热发电进行了大量的研究。 3 天津工业大学硕士学位论文 o r c 技术在t 业余热利用方面的实例很多，表1 1 给出t o r c 技术在部分国家和 工业领域的应用。 挪威科技大学a m l a k ua b i el a k e w 对r 1 2 3 、r 1 3 4 a 等6 种不同工质进行了 比较研究，并推导出换热器的理论计算公式n 引。 美国学者g a r y i z 等对r 1 2 3 和r 2 4 5 f a 的热力性能进行研究，认为当余热温度 在1 5 0 至1 j 2 5 0 之间时，r 2 4 5 f a 的系统性能优于r 1 2 3 n 引。 上海交通大学的翁一武、顾伟等人发表了从微观角度看工质的特性，认为通 过对氟利昂工质分子的组成结构进行研究，更能对新工质的开发利用和热物性参 数的预测起到重大的指导作用引。 1 1 2 3 地热发电 俄罗斯和美国在地热发电领域一直处于领先地位。前苏联人于1 9 6 7 年在帕 拉唐卡建成了世界上第一座地热双循环电站h 引，该电站还在不断扩张容量，随 着四号机的完善，总装机量将达到1 8 m w 。自7 0 年代开始，美国先后在加州和 爱德华州等地建成多个地热双循环发电站n 引，装机容量已达到1 0 m w 。 在意大利北部的布雷西亚利用地热资源建成了一座郎肯循环装置。其运行 参数为：；水流量：8 1 7 k g s ：冷却水流量：3 4 0 k g s ；冷却水入l j 温度：1 0 ； 地热水入口温度：1 0 6 ；地热水出口温度：7 0 。( 2 冷却水出口温度：1 8 ；电机： 同步发电机；低压产生电量：1 0 0 0 k w 引。 地热发电技术在我国起步较晚，但是发展很快，o r c 系统在地热发电方面也 得到了初步的应用。1 9 7 0 年，中国科学院在广东省梅州市丰顺县汤坑镇邓屋村建 起了发电量6 0 k w 的地热发电站。这是我国第一座地热发电站，填补了我国地热 发电的历史空白。1 9 7 5 年，西藏羊八井地热发电投入建设；1 9 7 7 年羊八井地热田 建起了第一台i m w 的地热发电试验机组：1 9 8 5 年，电站总装机容量已达1 0 m w 。 羊八井地热发电是采用二级扩容循环和混压式汽轮机，热水进口温度为1 4 5 。 羊八井地热田在我国算是高温型，但在世界地热发电中，其压力和温度都比较低， 而且热水中含有大量的碳酸钙和其它矿物质，结垢和防腐问题比较大。我国的地 热发电技术还比较落后，与世界领先水平的差距还很大。 有越来越多的国家加入地热双循环发电研究的队伍中来。截至2 0 0 5 年，全球 双循环地热发电总装机容量已达到6 8 5 m w ，约占全球地热发电总装机容量的十 分之一；共有机组1 9 2 台，占全球机组总数( 4 6 9 台) 的五分之二。 1 1 2 4 生物质能发电 生物质能发电是指利用工、农、林业的废弃物或者城市垃圾为原料，采取 直接焚烧或者气化的方式进行发电。世界生物质能发电起源于2 0 世纪7 0 年代， 第。章绪论 首先是丹麦提出利用焚烧生物的秸秆获得电力。9 0 年代以后，欧美一些国家也 开始致力于生物质能的研究。 生物质能发电对于保障能源安全、保护生态环境、实现可持续发展具有重 要意义。( ( 2 0 1 0 2 0 1 5 年中国牛物质能发电产业投资分析及前景预测报告分析 了国际国内生物质能发电行业的现状，介绍了生物质能发电技术及中国生物质 能发电项目的建设运行情况。 意大币 t u b o d e n 公司采用有回热的生物质o r c 系统，该公司生产出了从5 0 0 一1 5 0 0 k w 的一系列产品，为用户提供电和热，实现分布式供能和产品商业化。 2 0 0 5 年在欧洲生产的电力能够达到1 7 m w ，其所采用的原料主要是家具工业的废 弃木材等。 德国学者u l l i d r e s c h e r 对生物质能驱动有机朗肯循环的工质要求进行了大量 研究n 引。指出，在蒸发温度为3 0 0 。c 时，蒸发压力为0 9 - - 1 5 m p a 时，系统的热效率 最高，烷基苯族表现出了最佳的性能。 o r c 系统相对于以水为介质的朗肯循环有很多优点，所以o r c 系统广泛 应用在了海洋温差能发电和l n g ( 液化天然气，l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ) 冷能利 用。日本东京电力服务公司在太平洋岛国瑙鲁建造了一个海洋温差能电站，这 个电站的总电力输出为1 2 0 k w ，净电力输出为3 0 k w 9 。 1 1 3 废气涡轮发电 青岛大学张铁柱提出利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，并设 计了一种新装置来实现，因此获得一项专利幢0 。该装置可以有效地回收发动机 废气能量并确保回收废气被充分合理利用。这样不仅可以提高发动机效率，降 低发动机燃油消耗，还可以降低温室气体排放，有利于保护环境，能带来巨大 的经济效益、环境效益和社会效益。日本的吉田佑也做过类似的实验，证明利 用废气驱动涡轮所发出的电能能够提供汽车运行所需电能埋。 1 20 r c 系统综合评价 1 2 1 资源条件评价 在钢铁、水泥、石炼化等工业企业内，每天大量排放低于3 0 0 - - - 4 0 0 。( 2 的中 低温烟气、废蒸汽、废热水等余热资源。它们携带的能量属于中、低温余热。 还有地热资源的热水温度也在3 0 0 ( 2 以下，更多的是1 0 0 左右的低温热水。对 于以一卜余热的利用目前大致有两种方式，一种是热利用，即直接利用其热能供 5 天津工业人学硕士学位论文 牛产或生活需要；另一种是将其转换成使用方便、输送灵活的电能。这一研究 可以成功地直接将低品位的余热转换成电能，不仅建厂投资成本低，而且经济 效益显著，为大型企业余热网收利用，节能降耗找到了一条行之有效的途径和 方法。 1 2 2 环境影响评价 低温余热回收发电项l i 是一种利用余热而不直接消耗原煤、原油、原气的 清洁环保发电项目，不仅不会对环境产生任何破坏和污染，反而有助于降低和 减少余热直接排向空中所引起的对环境的污染。 1 3 课题研究内容 本课题以工程热力学基本理论为基础，对有机朗肯循环低温热能发电系统进 行了研究。主要内容如下： 1 比较有机郎肯循环和卡诺循环、水蒸气循环的优缺点，推导出适用于小 型o r c 系统的热效率计算公式，该公式区别于传统郎肯循环热效率理论计算公 式。 2 通过推导的理论计算公式，在给定相同的外界条件下，比较r 1 3 4 a 、 r 1 2 3 、r 2 4 5 f a 和r 2 2 7 e a 四种有机工质的余热回收发电效率，选定经济性工质。 并用热力学软件c y c l e p a d 对以r 1 3 4 a 为工质的热力学过程进行模拟。 3 用c f d 对汽轮机进行模拟，通过比较模拟数据与理论计算数据，得出 结论：c f d 模拟可用于余热回收发电系统的分析。 4 根据设计运行参数，搭建实验台，进一步研究和分析系统运行性能和热 效率的影响冈素。 第二章低温热能o r c 发电系统 第二章低温热能o r e 发电系统 2 1 有机朗肯循环热力系统 有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 是相对于传统水蒸气动力循 环系统而言的。前者是利用低沸点、高分子量的有机物作为循环工质进行余热 回收，操作温度一般为7 0 9 0 l 盟1 。o r c 系统通常由蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、汽 轮机( t u r b i n e ) 、冷凝器( c o n d e n s e r ) 和工质泵( p u m p ) 四部分构成，有再热 循环的o r c 系统还需要加一个预热器。有机郎肯循环通常采用低沸点有机工 质，如r 1 2 3 、r 2 4 5 f a 、r 2 9 0 、r 1 3 4 a 等，利用余热与低沸点有机工质换热，使 工质蒸发，发生具有较高压力的蒸汽推动汽轮机发电。图2 1 为有机朗肯循环 示意图。水蒸气动力循环系统主要由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵四个装置 组成，循环工质为水，操作温度为5 0 4 0 0 。图2 2 为水蒸气动力循环系统图。 图2 1 有机朗肯循环示意图图2 - 2 水蒸气动力循环系统图 2 1 1 有机朗肯循环与水蒸气循环 有机朗肯循环在低温余热发电系统中相比水蒸气循环有若干优势心纠引： 1 低的沸点及高的蒸气压力使有机工质比水蒸气作为循环工质的朗肯循环 具有较高的热效率，而且对较低温度热源的利用有更高的效率。 2 与水蒸气不同，有机工质在膨胀做功过程中，从高压到低压始终保持干 燥状态，这就消除了液化成小水滴的可能性，同时减少高速小水滴冲击汽轮机 7 天津工业人学硕上学位论文 叶片时产牛腐蚀损坏的可能性。所以，有机t 质优越的热力性能使得它更有利 于保护汽轮机的内部结构，延长汽轮机的使用寿命。 3 与水蒸气( 附表1 ) 相比，有机工质密度大、比容小，在低叶片速度时， 能获得有利的空气动力配合，在低频时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿 轮箱。 4 标况下，水的凝固点是o ，而有机工质的凝固点相对低得多。在寒冷 的条件下，有机工质依然能够冷凝放热，不会结冰。相比水蒸气系统的装置， o r c 系统不需要添加防冻设施。 5 由于有机工质蒸汽密度大( 见表2 1 ) ，因此所需汽轮机的尺寸( 特别是 减小汽轮机末级叶片的高度) 、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直径均较 小。 表2 1 水蒸汽和三种有机工质的压力、密度比较表 工质水蒸声 r 1 2 3r 1 3 4 a 0 时，工质被称为干性工质( d 拶) ；当d s d r 0 时，工质为绝热工质 ( i s e n t r o p i c ) ；当峦刀 r 2 1 r 2 4 5 f a 。见图3 2 ，工质膨胀比对系统热效 率的影响。 图3 2t 质膨胀比对系统热效率的影响 第j 章o r c 发电系统工质优化选择 4 热力学性质 小型o r c 系统要求工质的热力学条件：较低的临界温度和压力，较小的比 热容，低粘度和表面张力，高汽化潜热，高热传导率，热稳定性好。 5 物理化学性质 小型o r c 系统要求工质的物理化学性质：导热系数、放热系数高；密度、 黏度小；相容性好。 6 环境参数 小型o r c 系统要求工质还应满足诸多环境参数，例如：无毒、不燃、不爆 炸、对环境友好，主要考虑o d p ( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ) 和g w p ( g l o b a l w a n n i n gp o t e n t i a l ) 。表3 2 给出了几种常见工质的环境参数n 卜3 引。 表3 2 常见丁质的主要环境参数 工质大气中寿命安全等级 o d pg w p ( 1 0 0 年内) 淘汰年限 r 1 l4 5a 1l3 3 6 02 0 1 0 r 2 21 2 0a l0 0 3 41 7 l o2 0 4 0 r 1 1 38 5 a l0 9 0 5 3 3 0 2 0 l o r 1 2 31 3b 10 0 1 25 32 0 4 0 r 1 3 4 a1 4 0a 1o1 3 2 0 r 2 4 5 f a7 6b l01 0 2 0 r 4 0 7 c a lo 1 5 3 0 ( 注：对于发展中国家，关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书最新规定：c f c 物 质，如r i l 和r 1 1 3 ，2 0 1 0 年全部停止使用；h c f c 物质，如r 2 2 和r 1 2 3 ，2 0 1 6 年开始受限， 2 0 4 0 年全部停止使用) 对于低温热能o r c 系统而言，热源的温度一般都在lo o 以下。所以选定的工 质的临界温度和沸点不应太高，从表3 1 和3 2 中可以看出，r 6 0 1 和r 6 0 1 a 的临界 温度和临界沸点相对太高，不适合选用。r 1 1 、r 2 2 和r 1 1 3 由于对环境有破坏作 用，所以可以不考虑。只有r 1 2 3 、r 1 3 4 a 、i 匕4 5 f a 和r 2 2 7 e a 的温度范围离低温热 源的温度较为接近，同时沸点温度比较低，适合做o r c 系统的循环工质。 3 2 通过计算各种工质的热效率选定工质 在满足以上各种基本的热物性条件下，我们还应考虑工质的热效率，这也 是选择o r c 系统最重要的因素。循环过程的热效率决定了一个工质的可利用 性。下面对r 1 3 4 a 、r 1 2 3 、r 2 4 5 f a 和r 2 2 7 e a 的热效率分别进行计算。 在计算之前，要统一给定各t 质的初始条件，使计算结果具有可比性。计 2 1 天津工业人学硕上学位论史 算中规定：质量流量为0 5 k g s ，温度为1 0 0 * c 的水均匀流过蒸发器，与t 质换 热后的温度变成8 0 。c ，每种工质蒸发温度为9 5 ；冷凝器中，冷却水的初始温 度为1 5 。c ，质量流量为0 5 k g s ；每种工质选定工质流量为0 1 k g s ( 根据实验台 需要选择工质流量) 。 3 2 1 热效率计算步骤 在计算热效率之前，首先要确定图3 3 中各点的实际参数。工质的热力学 参数可以由制冷工质软件或者公式求得。计算方法如下： 状态点l ：根据只、互可以查得日、s 的值； 状态点2 ：s 2 - 7 - s i ，根据只、墨可以查得h 2 、瓦的值； 状态点3 ：只= 罡，查b 下的饱和液体可以得到正、h 3 、s 3 的值； 状态点4 ：只= 弓，墨= s 3 ，根据只、墨可以查得风的值。 图3 - 3 低温热能0 r c 系统温熵图 1 0 0 * ci 对，水的焓值为2 6 8 8 k d k g ，8 0 c 时，水的焓值为2 6 5 0 k j k g ，2 0 。c 时水的焓值为2 5 3 7 7 材k g 。热流体在蒸发器中的换热量为： 瓯眠。唧= 朋w a t e r 仇一魄) = o 5 x ( 2 6 8 8 2 6 5 0 ) = 1 9 k j ，再根据q 。帅唧= q w ，唧， 在附表中可查得各种工质在状态l 点的温度和压力。 3 2 2 计算r 1 3 4 a 为工质时系统效率 对r 1 3 4 a ( 参考附录2 ) 进行计算：由于状态点l 的温度和压力已经确定， 所以其他状态点的参数按照上述步骤查表求得。 汽轮机效率及汽轮机做功为 第i 章o r c 发电系统工质优化选择 9 = _ 三 = 一= y w o ” 啊一如。4 4 4 9 4 6 0 9 2 表3 3r 1 3 4 a 为循环工质时4 个状态点参数 状态点工质状态温度( )压力( 肝a )烩( 垤)璃ok j f 堍k ) l 气态 9 53 24 4 4 91 7 0 2 气态 6 82 0 1 34 2 9 21 7 0 3 液态 4 01 9 8 22 5 6 11 1 9 4 液态4 4 3 2 0 3 2 5 9 51 1 9 形= m ( 啊一) = o 1 ( 4 4 4 9 4 2 9 2 ) = 1 5 7 k j 工质在冷凝器中放热量为 ，删= 聊盯皈一吃) = o 1 ( 4 2 9 2 - 2 5 6 1 ) = 1 7 3 1 k j ，删= 朋删眠一岛) = ，别= m 盯化一坞) 得：唿= 2 5 7 2 3 2 ，查表得，冷却水的出口温度为3 9 8 0 c 。 泵的效率和泵消耗的功为： 刁。：坠丛：堡燮：9 5 叩 厅一7 , 2 5 9 5 2 5 6 1 = m ( 一吃) = o 1 ( 2 5 9 5 2 5 6 1 ) = 0 3 4 k d 工质在蒸发器中吸热变成高压高温饱和蒸汽( 过热气体) ，其中换热量为： 唧= 聊盯( 魄一缟) = o 1 ( 4 4 4 9 - 2 5 6 0 = 1 8 8 8 k j 该系统的净功为： 嘞。一鲁= 1 5 7 x 8 1 9 - 罴o 9 3 材 循环的热效率可以表示为： ，7 。= ，形 n e l = 矾2 q w ，抑2 矾 形r , 一卫 ：竺二兰兰二型：塑“9 2 ，。唧 啊一呜 1 8 8 8 3 2 3 计算r 1 2 3 为工质时系统效率 对r 1 2 3 进行计算( 参考附录3 ) ：由于状态点l 的温度和压力已经确定， 天津工业大学硕士学位论文 所以其他状态点的参数按照上述步骤查表求得。汽轮机效率及汽轮机做功为 轨：丝：3 0 0 0 8 - 2 9 8 5 4 ：7 9 8 “ 拓一，。 3 0 0 0 8 2 9 8 1 5 彬= 聊( 一吃) = 0 i ( 3 0 0 0 8 2 9 8 5 4 ) = 0 1 5 4 材 表3 4r 1 2 3 为循环工质时4 个状态点参数 状态点工质状态温度( )压力( m p a ) 焓( k j k g )熵l ? 魄k 、) l 气态 9 5 0 93 0 0 0 81 3 1 1 5 2 气态 6 80 3 5 72 9 8 5 4 1 3 1 1 5 3 液态 4 00 3 5 72 4 0 6 51 1 3 8 l 4 液态 4 00 92 4 0 8 l1 1 3 7 4 工质在冷凝器中放热量为 q 盯。训= m w ，魄一缟) = o 1 ( 2 9 8 5 4 - 2 4 0 6 5 ) = 5 7 8 9 k j q w 咖，删= 历一，删魄- i , , ) - - ，删= 所盯魄一呜) 得：魂= 2 5 4 9 2 8 ，查表得，冷却水的出口温度为2 6 io c 。 泵的效率和泵消耗的功为： 刁p2 吃。一缟 2 4 0 8 0 2 4 0 6 5 一= 钆一魄 2 4 0 8 1 2 4 0 6 5 = 9 5 = m ( 啊一呜) = o i ( 2 4 0 8 1 2 4 0 6 5 ) = 0 0 1 6 k j ，唧= m 盯瓴- h 3 - - o 1 ( 3 0 0 0 8 - 2 4 0 6 5 ) = 5 9 4 3 0 = 彬矾一w 刁。p = 0 1 5 4 x7 9 8 - 0 9 5 0 1 _ _ _ _ 6 6 = 0 1 0 6 材 仇：景：譬：鲨掣一0 1 0 6 8 第j 章o r c 发电系统工质优化选择 3 2 4 计算r 2 4 5 f a 为工质时系统效率 表3 5r 2 4 5 f a 为循环工质时4 个状态点参数 状态点 工质状态 温度( )压力( m p a ) 焓 k g )熵