低温热能发电ORC技术--昆明理工大学王辉涛

有机朗肯循环技术中的几个问题探讨,汇报人：王辉涛教授昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心,Contents,节能减排是缓解能源及环境危机的重要举措，余热回收、太阳能及生物质能的高效利用是节能减排的重要环节。而利用300以下数量巨大的中低温余热、太阳能和生物质能发电则是重点与难点。研究中低温热能高效发电技术，意义重大。,研究背景,中低温热能发电的两种主要热力循环水蒸汽朗肯循环有机朗肯循环(OrganicRankineCycles)ORC系统的主要优点：构成简单;具有较高的效率;缩小透平尺寸;简化蒸汽发生器的结构；装机容量可大可小，在几kW-1万kW范围内均具较高效率;在寒冷地区的冬季，能最大限度利用冷、热端的温差高效运行;能使系统中各点的压力均高于或与外界大气压接近，防止空气漏人;能实现全自动无人值守运行。,研究背景,Contents,有机工质蒸汽发生器,工质加压泵,(一)单级ORC循环,有机朗肯循环原理,低温余热发电ORC系统原理图,无排汽回热措施的ORC循环,带排汽回热措施的ORC循环,有机朗肯循环原理,需注意回热器的阻力对透平性能的影响,有机朗肯循环的冷端可采用风冷、水冷或蒸发式冷凝方式。为了提高有机朗肯循环的性能:对于室外空温度低于0的寒冷地区，需采用风冷方式；对于室外空气的干球与湿球温度相差较大的地区，宜采用水冷方式；对于室外空气的干球与湿球温度相差较大且干旱缺水地区，可采用异形高效传热管的蒸发式冷却方式。,水冷冷端,风冷冷端,蒸发式冷凝冷端,有机朗肯循环原理,当热源温度在200以上时，采用多级复叠机朗肯循环能获得较高的效率：在多级复叠机朗肯循环的顶循环使用沸点高的有机工质，在多级复叠机朗肯循环的底循环使用沸点低的有机工质。此外还可利用顶循环透平排气进行制冷及制热，在一套装置里实现冷热电联供，实现中低温热能的梯级利用。,双级ORC冷热电联供,有机朗肯循环原理,（二）多级ORC及冷热电联供系统,有机朗肯循环原理,以聚焦太阳能发电两级复叠ORC系统为例，在使用TherminolVP-I导热油作中间流体的情况下，其计算结果见下表：,当热源温度在200以上时，采用多级复叠机朗肯循环能获得较高的效率：在多级复叠机朗肯循环的顶循环使用沸点高的有机工质，在多级复叠机朗肯循环的底循环使用沸点低的有机工质。此外还可利用顶循环透平排气进行制冷及制热，在一套装置里实现冷热电联供，实现中低温热能的梯级利用。,Contents,（一）工质选择的注意事项,环保性能尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如HFC类、HC类、FC类碳氢化合物物或其卤代烃。,化学稳定性。循环热力参数应控制在工质不发生热分解之范围。,工质的安全性。包括毒性、易燃易爆性、对设备管道的腐蚀性等。但要辩证对待工质的可燃性。,合适的临界参数、标准沸点及凝固温度。热源温度较高时，尽量选临界温度较高的工质。满足：pe,max=0.005MPa,循环工质的选择及物性研究,液态及气态密度较大。降低输送泵功，减少管道及设备尺寸。,汽化潜热较大。HV较大，循环效率较高，对于有机工质来说，HV较大的流体接近于等熵流体。,液态定压比热尽量低。Cpl越低，饱和液线越接近垂直，工质的吸热过程也接近等熵线，循环也越接近卡诺循环，易取得较高效率。,循环工质的选择及物性研究,工质的换热及流动性能。一般尽量选用对流换热系数高、粘度较低、流动阻力小的循环工质。,价格、成本要求。循环工质应廉价、易购买。换热设备及管路系统的设计要尽量减少工质的充灌量。,工质的选择应在对系统性能进行全面分析与优化的原则下进行，且不同的评价指标所优选的工质会有不同。一般，在热源温度较低时，尽量选择干流体或等熵流体，且以饱和蒸汽进膨胀机，此时单位热源质量流量输出功率最大。,循环工质的选择及物性研究,此外，应：,（1）加大对一些较稳定的自然工质ORC系统的开发。如CO2、甲烷、NH3，尤其是NH3、甲烷，其传热较好、ORC系统的压力不高，在热源温度较高时，可以采用较大的过热度，获得较高的效率。,（2）加大对混合工质ORC系统的开发。尤其是加大环保型非共沸工质、CO2+环保型有机工质非共沸混合体系的热物性研究。,（3）加大对防工质泄漏技术措施的研究，系统设计应考虑事故及正常维修情况下工质的回收措施，研究一些性能优越过渡工质（如HCFC123)的收集及无害化利用、处理技术。,经研究表明，选用恰当的组元，当混合体系的组元数超过3时，在泡露点间的汽液两相区，混合工质的比焓与温度间趋于线性依变关系，便能最大限度减少温差传热不可逆损失。因此，使用热力性能优良的混合工质是改善ORC系统的重要措施。尤其是在采用风冷冷端、或冷却介质进出口温差较大的情况下，使用非共沸混合工质可在保证所需传热温差的条件下，减少温差传热不可逆损失，使系统获得较高的效率。,（二）混合工质热力性质的计算方法,循环工质的选择及物性研究,多元混合工质研究的重点和难点在于工质物性的预测计算。因许多有机工质都是非极性物质，本项目研究选用通用性很好、国际上研究比较成熟、形式简单的立方形状态方程PR（PENG-ROBINSON)方程,其余热力学导出参数(焓、熵、自由能、逸度),均采用余函数方程进行计算,对于混合工质采用VanderWaals混合规则，这样便于程序设计和ORC系统性能的仿真研究。,循环工质的选择及物性研究,VanderWaals混合规则,导出参数(其中自由能、比熵、比焓采用余函数方程计算）,1).逸度系数,Peng-Robinson状态方程,2).比自由能,3).比熵,4).比焓,5).理想气体基准参数,循环工质的选择及物性研究,混合工质的汽液相平衡,归一化方程，,混合规则中的二元相互作用系数kij反映了混合物中两种分子间的相互作用及非理想作用的特性，是混合工质热力性质计算的关键参数，其准确度直接影响到物性计算结果的精度。一般kij需由混合工质的大量pVTx实验数据采用适当的目标函数和最优化算法得出，这妨碍了对众多混合工质的研究，降低了热力学的预测能力。为此，对二元体系我们采用kij的经验公式，对多元体系采用kij差值关联模型。,二元混合工质相互作用系数kij经验公式,多元(n=3)体系kij差值关联模型,i、j以正常沸点从低到高为排序依据；nF为氟原子的个数。,对国际上已公布pVTx实验数据的混合体系汽液相平衡（VLE）的计算结果表明，该预测方法具体较高的精度，从而提高了PR方程的推算能力，确保了ORC循环性能预测的可靠性。,循环工质的选择及物性研究,Contents,（一）螺杆式膨胀机（Screwexpander),膨胀设备的选择,开启式膨胀机外形,半封闭式膨胀机外形,阴阳转子,膨胀设备的选择,螺杆压缩机与膨胀机的区别与联系,膨胀设备的选择,螺杆压缩机工作示意图,膨胀设备的选择,螺杆膨胀机工作示意图,技术成熟度高。其结构与螺杆压缩机完全一致，只是旋转方向不同。,属于容积式膨胀机械（活塞、涡旋、螺杆），不需要喷嘴、动叶，机组动力性能受气动特性影响较小，机内流速低，无余速损失，设计制造比较简单、造价低、低温下的效率可能比透平机高，螺杆膨胀动力机在工作介质压力大幅波动时,内效率几乎不改变。但当进口工质品质较高、流量较大时，膨胀效率低于叶片式透平，一般效率在70%以内。,转速较低，可以与普通2极（3000rpm)-4极（1500rpm)发电机直联，传动效率较高。,因气体流速低，转子转速低，膨胀机入口可为湿蒸汽、甚至液态工质，避免了排气过热，适应工况（参数及负荷）变化能力较强。,膨胀设备的选择,1螺杆膨胀机,螺杆直径50-630mm，单台机组的容量在10-1500kW（国内有1000kW的水蒸气螺杆膨胀机应用），比较适合于十千瓦、百千瓦级的小型ORC系统。,膨胀机进出口压差控制=500kW时，采用轴流透平较有利。在大容量下，轴流透平的效率比其余类型膨胀机的高。为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压比控制在4-6。当轴流透平内工质的体积膨胀比小于50时，采用单级便能获得80%以上的等熵效率，当膨胀比大于50时，采用多级轴流透平。,膨胀设备的选择,（四）涡旋式膨胀机（ScrollExpander),膨胀设备的选择,轴功范围：1-10kW,膨胀设备的选择,膨胀设备选择图,Contents,国际对水的沸腾及凝结相变传热的研究较为成熟，但对数量众多的有机工质的相变换热研究相对较少，因为我们搭建了有机工质的管内流动沸腾（凝结）换热实验台，完成了R245fa、R134a、R123的相变换热实验研究。,（一）传热机理研究,有机工质的传热及其强化,有机工质传热实验台,试验段测点布置,蒸发温度为50时管内平均换热系数随含汽率及质量流速的变化,蒸发温度为60时管内平均换热系数随含汽率及质量流速的变化,实测流动沸腾换热系数与CHEN公式计算值间的误差,实测流动沸腾换热系数与LiuWinterton公式计算值间的误差,实测流动沸腾换热系数与Shah公式计算值间的误差,有机工质的传热及其强化,有机流体的传热都比水差很多，尤其是在使用非共沸混合工质时，必须考虑有机工质的强化传热措施。为了确保透平进气为干饱和蒸汽，我们常采用管壳式蒸汽发生器，导热油（或其他热流体）走管内，壳程为有机工质。为了强化有机工质在壳程的池沸腾传热，开发了三维肋片GY管，肋管外表呈龙鳞形状，如图。,（二）强化传热技术的研发,有机工质的传热及其强化,三维肋片GY管,对比在常压下光滑管及GY强化加热管管外R123的池沸腾，可以发现GY管能极大地加强管外R123的沸腾过程。据初步分析其强化主要机理有三点：,（1）在外肋片与壁面的23夹角空间中的液体会形成薄液膜沸腾，液膜表面对气泡生长、脱离产生抑制作用，使泡底微膜的导热和蒸发得到加强，沸腾得以强化；,（2）根据场协同理论，由于管外壁凹穴前后的速度场与温度梯度场之间夹角小、协同程度会更好，使管外沸腾换热得到强化；,有机工质的传热及其强化,（3）龙鳞状的三维外肋管表面，增加了沸腾换热面积，众多微小凹穴和肋脊表面，使得汽化核心点相应增多，液膜沸腾时壁表面产生气泡数目会增加。随着热流密度的增大，气泡长大脱离壁面会加快，液体回流冲刷壁面也加快，强化了液体与壁面间的对流换热。大量气泡上升途中会加剧对液体的扰动流动，强化沸腾换热。,经实验测试，在相同热流密度下，GY强化管与光管外的池沸腾相比，强化倍率为光管的3.65倍左右。GY管是一种具有优良管外沸腾换热性能的强化管，很适合用做低温热能发电ORC蒸汽发生器的传热管件。,水平光滑管沸腾换热系数与热流密度的关系,GY管沸腾换热系数与热流密度的关系,有机工质的传热及其强化,（三）高效直接接触式蒸汽发生器的研制,为了进一步提高换热设备的性能和紧凑程度、降低设备造价，在采用高沸点流体作中间传热流体的情况下，利用高沸点中间导热流体与有机工质间沸点差别较大的特性，采用导热流体-有机工质直接接触式强化换热措施，可望得到较好的结果。,通过对直接接触式蒸汽发生器性能的测试，结合分散相液滴群在连续相中的气泡动力学研究，初步得出直接接触式蒸汽发生器容积换热系数比同工况下的管壳式换热器高50%-70%。目前，正在进行直接接触式换热器的参数优化试验，争取试制出能用于样机的直接接触式高效蒸汽发生器。,有机工质的传热及其强化,直接接触式强化传热试验台,Contents,系统优化设计方法,单目标优化法,系统输出功率,单位换热面积输出功率,蒸汽发生器紧凑性指标,蒸汽发生器单位容积输出功率,多目标优化法,单位换热面积输出功率,蒸汽发生器单位容积输出功率,+,经济优化法,年度化总成本最小优化法,单位成本净利润最大优化法,年度化净利润最大优化法,热力系统优化设计方法,（一）单目标优化法,1）目标函数：,系统输出功率或总损评价指标,单位换热面积输出功率评价指标,蒸汽发生器紧凑性评价指标,蒸汽发生器单位容积输出功率评价指标,热力系统优化设计方法,2）约束条件：,为了满足理论及技术上的可行性，同时使独立变量在优化过程中的取值都在可行域内，热力系统的某些热工参数、流动参数及结构参数必须满足一定的约束条件。,热工参数的热力学约束条件:,结构参数约束条件:,流动参数约束条件:,a.蒸汽发生器的预热段管内工质流速：,b.蒸汽发生器的蒸发段管内工质流速：,c.蒸汽发生器的过热段管内工质流速：,热力系统优化设计方法,循环效率及单位换热面积输出功率随蒸发温度的变化,净输出功率及最终排烟温度随蒸发温度的变化,总换热面积及余热锅炉夹点温差随蒸发温度的变化,循环效率及单位换热面积输出功率随凝结温度的变化,热力系统优化设计方法,总换热面积及余热锅炉夹点传热温差随透平进汽温度的变化,循环效率及单位换热面积输出功率随循环工质/烟气流量比的变化规律,循环效率及单位换热面积输出功率随换热器效能的变化规律,总换热面积及余热锅炉体积随回热器效能的变化规律,热力系统优化设计方法,循环效率及净输出功率随凝汽器冷却水进口温度的变化,总换热面积及单位换热面积净输出功率随凝汽器冷却水进口温度的变化规律,蒸汽发生器及单位换热面积输出功率随预热段翅片密度的变化,循环效率及输出功率随蒸发段翅片密度的变化规律,热力系统优化设计方法,余热锅炉体积及单位换热面积输出功率随蒸发段翅片密度的变化,循环效率及输出功率随蒸发段管节距的变化,循环效率及输出功率随蒸汽发生器截面宽度的变化,循环效率及输出功率随蒸汽发生器截面高度的变化,热力系统优化设计方法,（二）多目标优化方法,通常热动系统的评价指标不至一个，需要涉及多个指标。比如同时要求净输出功率大、热效率高、换热面积小、设备体积