中低温热源有机物工质发电系统分析

论文摘要

传统方式的以水为工质的朗肯循环回收利用系统,由于循环效率低,系统复杂,其经济效益非常有限。若使用有机工质朗肯循环(Organic Ranking Cycle,简称ORC),利用低沸点有机工质回收中低温热源的热能,将低品位能源(废热)转换为高品位能源(电能),既实现能源的回收利用,又在相同输出条件下,减少二氧化碳等污染物的排放,有利于环境保护。由于ORC系统蒸发和冷凝温度较低、热效率相对较高及设备简单,被认为是一种有效的低品位余热发电技术。有机工质朗肯循环发电系统可利用的低品位能主要有工业余热、太阳能、地热、生物质能、海洋温差能和LNG冷能等,本课题以实现能源的低消耗、低排放、高效率为研究目的,对有机物工质的中低温热源发电系统进行了分析,主要做了以下几方面的工作:首先,在已有的大量研究工作的基础上,分析了有机物朗肯循环发电系统的结构和运行原理、主要特征和技术关键点。其次,对常用低沸点环保工质进行了优化分析,并选择三种相对环保型的有机物作为工质,利用NIST软件在Matlab界面下编程对稳态工况的ORC系统进行了热力计算,分析了ORC发电系统的影响因素。再次,以提高系统循环热效率和做功能力为目的,对改进后的ORC动力循环,回热式和抽汽回热式ORC系统的性能进行了研究。最后,利用热水模拟低品位热源,对采用涡旋式膨胀机的有机物朗肯循环发电系统进行了实验研究。对实验数据进行了分析与总结,研究结果表明涡旋式膨胀机在中小型低品位热能的ORC系统中具有较大的优势,而有机物朗肯循环系统的设计,需要将有机物工质的流量、蒸发压力,与余热流相匹配,从而使得系统的输出功率最大。本文所做的工作为进一步研究有机物朗肯循环发电系统提供了基础的实验数据和理论指导,对中低温热源回收利用技术的推广和推进节能减排事业具有一定的理论价值和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 国内外现状和发展
• 1.2.1 工业余热发电
• 1.2.2 太阳能发电
• 1.2.3 地热能发电
• 1.2.4 生物质能发电
• 1.2.5 海洋温差能
• 1.2.6 LNG 冷能发电
• 1.3 本文的主要研究内容和目标
• 1.4 本章小结
• 第二章 ORC 发电系统组成及工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 ORC 系统结构及运行原理
• 2.3 ORC 系统主要特征
• 2.4 ORC 系统主要技术关键点
• 2.4.1 有机工质的选择
• 2.4.2 透平膨胀机的特点及选型
• 2.4.3 换热器的优化
• 2.4.4 系统热经济性评价
• 2.5 本章小节
• 第三章 ORC 系统热力循环计算及分析
• 3.1 引言
• 3.2 稳态热力循环机理分析
• 3.2.1 工质泵部分
• 3.2.2 蒸发器部分
• 3.2.3 透平部分
• 3.2.4 冷凝器部分
• 3.2.5 储液器部分
• 3.2.6 系统性能分析
• 3.3 ORC 系统热力计算结果与分析
• 3.3.1 热力循环计算初参数
• 3.3.2 工质蒸发温度对系统性能的影响
• 3.3.3 过热度对系统性能的影响
• 3.3.4 透平膨胀比对系统性能的影响
• 3.3.5 过冷度对系统性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 回热式 ORC 系统热力性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 回热式ORC 系统模型
• 4.2.1 回热式ORC 系统
• 4.2.2 抽汽回热式ORC 系统
• 4.3 热力特性计算结果与分析
• 4.3.1 回热循环计算初参数
• 4.3.2 工质蒸发温度对系统性能的影响
• 4.3.3 冷凝压力对系统性能的影响
• 4.3.4 过热度的影响
• 4.3.5 其他影响因素
• 4.4 本章小结
• 第五章 ORC 发电系统实验
• 5.1 引言
• 5.2 实验研究目的和内容
• 5.3 实验系统及装置说明
• 5.3.1 实验系统介绍
• 5.3.2 涡旋膨胀机
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 ORC 系统实验结果
• 5.4.2 涡旋膨胀机性能
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所获专利