低溫?zé)崮馨l(fā)電ORC技術(shù)-昆明理工大學(xué)王輝濤課件

有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)

中的幾個(gè)問(wèn)題探討匯報(bào)人：

教授

Contents研究背景1中低溫?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)原理2循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究3有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化5有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6有機(jī)朗肯循環(huán)樣機(jī)的研制7膨脹設(shè)備的選擇4

節(jié)能減排是緩解能源及環(huán)境危機(jī)的重要舉措，余熱回收、太陽(yáng)能及生物質(zhì)能的高效利用是節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。而利用300℃以下數(shù)量巨大的中低溫余熱、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能發(fā)電則是重點(diǎn)與難點(diǎn)。研究中低溫?zé)崮芨咝Оl(fā)電技術(shù)，意義重大。研究背景Contents研究背景1中低溫?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)原理2循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究3有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化5有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6有機(jī)朗肯循環(huán)樣機(jī)的研制7膨脹設(shè)備的選擇4有機(jī)工質(zhì)蒸汽發(fā)生器工質(zhì)加壓泵(一)單級(jí)ORC循環(huán)有機(jī)朗肯循環(huán)原理低溫余熱發(fā)電ORC系統(tǒng)原理圖無(wú)排汽回?zé)岽胧┑腛RC循環(huán)

帶排汽回?zé)岽胧┑腛RC循環(huán)

有機(jī)朗肯循環(huán)原理需注意回?zé)崞鞯淖枇?duì)透平性能的影響

有機(jī)朗肯循環(huán)的冷端可采用風(fēng)冷、水冷或蒸發(fā)式冷凝方式。為了提高有機(jī)朗肯循環(huán)的性能:對(duì)于室外空溫度低于0℃的寒冷地區(qū)，需采用風(fēng)冷方式；對(duì)于室外空氣的干球與濕球溫度相差較大的地區(qū)，宜采用水冷方式；對(duì)于室外空氣的干球與濕球溫度相差較大且干旱缺水地區(qū)，可采用異形高效傳熱管的蒸發(fā)式冷卻方式。水冷冷端風(fēng)冷冷端蒸發(fā)式冷凝冷端有機(jī)朗肯循環(huán)原理有機(jī)朗肯循環(huán)原理

以聚焦太陽(yáng)能發(fā)電兩級(jí)復(fù)疊ORC系統(tǒng)為例，在使用TherminolVP-I導(dǎo)熱油作中間流體的情況下，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表：工質(zhì)匹配導(dǎo)熱油溫?zé)嵝虱h(huán)己烷/丁烷293℃31.3%甲苯/丁烷293℃32.5%甲苯/丁烷390℃36.0%

當(dāng)熱源溫度在200℃以上時(shí)，采用多級(jí)復(fù)疊機(jī)朗肯循環(huán)能獲得較高的效率：在多級(jí)復(fù)疊機(jī)朗肯循環(huán)的頂循環(huán)使用沸點(diǎn)高的有機(jī)工質(zhì)，在多級(jí)復(fù)疊機(jī)朗肯循環(huán)的底循環(huán)使用沸點(diǎn)低的有機(jī)工質(zhì)。此外還可利用頂循環(huán)透平排氣進(jìn)行制冷及制熱，在一套裝置里實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)供，實(shí)現(xiàn)中低溫?zé)崮艿奶菁?jí)利用。（一）工質(zhì)選擇的注意事項(xiàng)環(huán)保性能盡量選用沒(méi)有破壞和溫室效應(yīng)低的工質(zhì)，如HFC類(lèi)、HC類(lèi)、FC類(lèi)碳?xì)浠衔镂锘蚱潲u代烴?；瘜W(xué)穩(wěn)定性。循環(huán)熱力參數(shù)應(yīng)控制在工質(zhì)不發(fā)生熱分解之范圍。工質(zhì)的安全性。包括毒性、易燃易爆性、對(duì)設(shè)備管道的腐蝕性等。但要辯證對(duì)待工質(zhì)的可燃性。合適的臨界參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)及凝固溫度。熱源溫度較高時(shí)，盡量選臨界溫度較高的工質(zhì)。滿(mǎn)足：pe,max<=2.0MPa,pc,min>=0.005MPa

循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究液態(tài)及氣態(tài)密度較大。降低輸送泵功，減少管道及設(shè)備尺寸。汽化潛熱較大。HV較大，循環(huán)效率較高，對(duì)于有機(jī)工質(zhì)來(lái)說(shuō)，HV較大的流體接近于等熵流體。循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究此外，應(yīng)：（1）加大對(duì)一些較穩(wěn)定的自然工質(zhì)ORC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。如CO2、甲烷、NH3，尤其是NH3、甲烷，其傳熱較好、ORC系統(tǒng)的壓力不高，在熱源溫度較高時(shí)，可以采用較大的過(guò)熱度，獲得較高的效率。（2）加大對(duì)混合工質(zhì)ORC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。尤其是加大環(huán)保型非共沸工質(zhì)、CO2+環(huán)保型有機(jī)工質(zhì)非共沸混合體系的熱物性研究。（3）加大對(duì)防工質(zhì)泄漏技術(shù)措施的研究，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮事故及正常維修情況下工質(zhì)的回收措施，研究一些性能優(yōu)越過(guò)渡工質(zhì)（如HCFC123)的收集及無(wú)害化利用、處理技術(shù)。

經(jīng)研究表明，選用恰當(dāng)?shù)慕M元，當(dāng)混合體系的組元數(shù)超過(guò)3時(shí)，在泡露點(diǎn)間的汽液兩相區(qū)，混合工質(zhì)的比焓與溫度間趨于線(xiàn)性依變關(guān)系，便能最大限度減少溫差傳熱不可逆損失。因此，使用熱力性能優(yōu)良的混合工質(zhì)是改善ORC系統(tǒng)的重要措施。尤其是在采用風(fēng)冷冷端、或冷卻介質(zhì)進(jìn)出口溫差較大的情況下，使用非共沸混合工質(zhì)可在保證所需傳熱溫差的條件下，減少溫差傳熱不可逆損失，使系統(tǒng)獲得較高的效率。

（二）混合工質(zhì)熱力性質(zhì)的計(jì)算方法循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究

多元混合工質(zhì)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于工質(zhì)物性的預(yù)測(cè)計(jì)算。因許多有機(jī)工質(zhì)都是非極性物質(zhì)，本項(xiàng)目研究選用通用性很好、國(guó)際上研究比較成熟、形式簡(jiǎn)單的立方形狀態(tài)方程PR（PENG-ROBINSON)方程,其余熱力學(xué)導(dǎo)出參數(shù)(焓、熵、自由能、逸度),均采用余函數(shù)方程進(jìn)行計(jì)算,對(duì)于混合工質(zhì)采用VanderWaals混合規(guī)則，這樣便于程序設(shè)計(jì)和ORC系統(tǒng)性能的仿真研究。

循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究VanderWaals混合規(guī)則導(dǎo)出參數(shù)(其中自由能、比熵、比焓采用余函數(shù)方程計(jì)算）1).逸度系數(shù)Peng-Robinson狀態(tài)方程2).比自由能3).比熵4).比焓5).理想氣體基準(zhǔn)參數(shù)循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究混合工質(zhì)的汽液相平衡歸一化方程，

混合規(guī)則中的二元相互作用系數(shù)kij反映了混合物中兩種分子間的相互作用及非理想作用的特性，是混合工質(zhì)熱力性質(zhì)計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)，其準(zhǔn)確度直接影響到物性計(jì)算結(jié)果的精度。一般kij需由混合工質(zhì)的大量pVTx實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)函數(shù)和最優(yōu)化算法得出，這妨礙了對(duì)眾多混合工質(zhì)的研究，降低了熱力學(xué)的預(yù)測(cè)能力。為此，對(duì)二元體系我們采用kij的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)多元體系采用kij差值關(guān)聯(lián)模型。二元混合工質(zhì)相互作用系數(shù)kij經(jīng)驗(yàn)公式多元(n>=3)體系kij差值關(guān)聯(lián)模型

i、j以正常沸點(diǎn)從低到高為排序依據(jù)；nF為氟原子的個(gè)數(shù)。

對(duì)國(guó)際上已公布pVTx實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的混合體系汽液相平衡（VLE）的計(jì)算結(jié)果表明，該預(yù)測(cè)方法具體較高的精度，從而提高了PR方程的推算能力，確保了ORC循環(huán)性能預(yù)測(cè)的可靠性。循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究（一）螺桿式膨脹機(jī)（Screwexpander)膨脹設(shè)備的選擇開(kāi)啟式膨脹機(jī)外形半封閉式膨脹機(jī)外形陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子膨脹設(shè)備的選擇螺桿壓縮機(jī)與膨脹機(jī)的區(qū)別與聯(lián)系膨脹設(shè)備的選擇螺桿膨脹機(jī)工作示意圖技術(shù)成熟度高。其結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)完全一致，只是旋轉(zhuǎn)方向不同。屬于容積式膨脹機(jī)械（活塞、渦旋、螺桿），不需要噴嘴、動(dòng)葉，機(jī)組動(dòng)力性能受氣動(dòng)特性影響較小，機(jī)內(nèi)流速低，無(wú)余速損失，設(shè)計(jì)制造比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低、低溫下的效率可能比透平機(jī)高，螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)在工作介質(zhì)壓力大幅波動(dòng)時(shí),內(nèi)效率幾乎不改變。但當(dāng)進(jìn)口工質(zhì)品質(zhì)較高、流量較大時(shí)，膨脹效率低于葉片式透平，一般效率在70%以?xún)?nèi)。轉(zhuǎn)速較低，可以與普通2極（3000rpm)-4極（1500rpm)發(fā)電機(jī)直聯(lián)，傳動(dòng)效率較高。因氣體流速低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低，膨脹機(jī)入口可為濕蒸汽、甚至液態(tài)工質(zhì)，避免了排氣過(guò)熱，適應(yīng)工況（參數(shù)及負(fù)荷）變化能力較強(qiáng)。膨脹設(shè)備的選擇1螺桿膨脹機(jī)膨脹設(shè)備的選擇ExpanderoutletExpanderGeneratorOilseparatorOilHeaterExpanderinletOilpumpHotworkingfluidCooledworkingfluid噴油潤(rùn)滑

（密封）螺桿膨脹機(jī)（二）向心透平（Radialinflowturbine)膨脹設(shè)備的選擇導(dǎo)葉噴嘴轉(zhuǎn)子(動(dòng)葉）膨脹設(shè)備的選擇多級(jí)向心透平透平-電機(jī)膨脹設(shè)備的選擇（4）向心透平主要在功率較小的范圍內(nèi)適用，<=1000kW。（5）當(dāng)透平比轉(zhuǎn)速<0.13時(shí)，透平應(yīng)設(shè)計(jì)成向心的。

（6）為了避免噴嘴超音速產(chǎn)生的損失，一般應(yīng)將單級(jí)壓比控制在<4-6。（7）向心透平可以獲得較高的輪周效率，一般>86%;日本曾報(bào)告過(guò)的90％。（8）但是小功率的向心透平的軸效率大多較低，因此功率一般應(yīng)>=25kW。高壓比、小流量的向心透平一般在70％--75%的水平。（三）軸流透平（Axial-flowturbine)膨脹設(shè)備的選擇一般當(dāng)容量>=500kW時(shí)，采用軸流透平較有利。在大容量下，軸流透平的效率比其余類(lèi)型膨脹機(jī)的高。為了避免噴嘴超音速產(chǎn)生的損失，一般應(yīng)將單級(jí)壓比控制在<4-6。當(dāng)軸流透平內(nèi)工質(zhì)的體積膨脹比小于50時(shí)，采用單級(jí)便能獲得80%以上的等熵效率，當(dāng)膨脹比大于50時(shí)，采用多級(jí)軸流透平。膨脹設(shè)備的選擇（四）渦旋式膨脹機(jī)（ScrollExpander)膨脹設(shè)備的選擇軸功范圍：1-10kW膨脹設(shè)備的選擇膨脹設(shè)備選擇圖Contents研究背景1中低溫?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)原理2循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究3有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化5有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6有機(jī)朗肯循環(huán)樣機(jī)的研制7膨脹設(shè)備的選擇4

國(guó)際對(duì)水的沸騰及凝結(jié)相變傳熱的研究較為成熟，但對(duì)數(shù)量眾多的有機(jī)工質(zhì)的相變換熱研究相對(duì)較少，因?yàn)槲覀兇罱擞袡C(jī)工質(zhì)的管內(nèi)流動(dòng)沸騰（凝結(jié)）換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，完成了R245fa、R134a、R123的相變換熱實(shí)驗(yàn)研究。（一）傳熱機(jī)理研究有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化有機(jī)工質(zhì)傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)布置

蒸發(fā)溫度為50℃時(shí)管內(nèi)平均換熱系數(shù)隨含汽率及質(zhì)量流速的變化蒸發(fā)溫度為60℃時(shí)管內(nèi)平均換熱系數(shù)隨含汽率及質(zhì)量流速的變化實(shí)測(cè)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)與CHEN公式計(jì)算值間的誤差實(shí)測(cè)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)與Liu–Winterton公式計(jì)算值間的誤差實(shí)測(cè)流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)與Shah公式計(jì)算值間的誤差有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化

有機(jī)流體的傳熱都比水差很多，尤其是在使用非共沸混合工質(zhì)時(shí)，必須考慮有機(jī)工質(zhì)的強(qiáng)化傳熱措施。為了確保透平進(jìn)氣為干飽和蒸汽，我們常采用管殼式蒸汽發(fā)生器，導(dǎo)熱油（或其他熱流體）走管內(nèi)，殼程為有機(jī)工質(zhì)。

為了強(qiáng)化有機(jī)工質(zhì)在殼程的池沸騰傳熱，開(kāi)發(fā)了三維肋片GY管，肋管外表呈龍鱗形狀，如圖。（二）強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研發(fā)有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化三維肋片GY管

對(duì)比在常壓下光滑管及GY強(qiáng)化加熱管管外R123的池沸騰，可以發(fā)現(xiàn)GY管能極大地加強(qiáng)管外R123的沸騰過(guò)程。據(jù)初步分析其強(qiáng)化主要機(jī)理有三點(diǎn)：（1）在外肋片與壁面的23°夾角空間中的液體會(huì)形成薄液膜沸騰，液膜表面對(duì)氣泡生長(zhǎng)、脫離產(chǎn)生抑制作用，使泡底微膜的導(dǎo)熱和蒸發(fā)得到加強(qiáng)，沸騰得以強(qiáng)化；（2）根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，由于管外壁凹穴前后的速度場(chǎng)與溫度梯度場(chǎng)之間夾角小、協(xié)同程度會(huì)更好，使管外沸騰換熱得到強(qiáng)化；有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化（3）龍鱗狀的三維外肋管表面，增加了沸騰換熱面積，眾多微小凹穴和肋脊表面，使得汽化核心點(diǎn)相應(yīng)增多，液膜沸騰時(shí)壁表面產(chǎn)生氣泡數(shù)目會(huì)增加。隨著熱流密度的增大，氣泡長(zhǎng)大脫離壁面會(huì)加快，液體回流沖刷壁面也加快，強(qiáng)化了液體與壁面間的對(duì)流換熱。大量氣泡上升途中會(huì)加劇對(duì)液體的擾動(dòng)流動(dòng)，強(qiáng)化沸騰換熱。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在相同熱流密度下，GY強(qiáng)化管與光管外的池沸騰相比，強(qiáng)化倍率為光管的3.65倍左右。GY管是一種具有優(yōu)良管外沸騰換熱性能的強(qiáng)化管，很適合用做低溫?zé)崮馨l(fā)電ORC蒸汽發(fā)生器的傳熱管件。水平光滑管沸騰換熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系GY管沸騰換熱系數(shù)與熱流密度的關(guān)系有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化（三）高效直接接觸式蒸汽發(fā)生器的研制

為了進(jìn)一步提高換熱設(shè)備的性能和緊湊程度、降低設(shè)備造價(jià)，在采用高沸點(diǎn)流體作中間傳熱流體的情況下，利用高沸點(diǎn)中間導(dǎo)熱流體與有機(jī)工質(zhì)間沸點(diǎn)差別較大的特性，采用導(dǎo)熱流體-有機(jī)工質(zhì)直接接觸式強(qiáng)化換熱措施，可望得到較好的結(jié)果。

通過(guò)對(duì)直接接觸式蒸汽發(fā)生器性能的測(cè)試，結(jié)合分散相液滴群在連續(xù)相中的氣泡動(dòng)力學(xué)研究，初步得出直接接觸式蒸汽發(fā)生器容積換熱系數(shù)比同工況下的管殼式換熱器高50%-70%。目前，正在進(jìn)行直接接觸式換熱器的參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，爭(zhēng)取試制出能用于樣機(jī)的直接接觸式高效蒸汽發(fā)生器。有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化直接接觸式強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)臺(tái)Contents研究背景1中低溫?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)原理2循環(huán)工質(zhì)的選擇及物性研究3有機(jī)工質(zhì)的傳熱及其強(qiáng)化5有機(jī)朗肯循環(huán)熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法6有機(jī)朗肯循環(huán)樣機(jī)的研制7膨脹設(shè)備的選擇4系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

單目標(biāo)優(yōu)化法系統(tǒng)輸出功率

單位換熱面積輸出功率

蒸汽發(fā)生器緊湊性指標(biāo)

蒸汽發(fā)生器單位容積輸出功率

多目標(biāo)優(yōu)化法單位換熱面積輸出功率蒸汽發(fā)生器單位容積輸出功率+經(jīng)濟(jì)優(yōu)化法

年度化總成本最小優(yōu)化法

單位成本凈利潤(rùn)最大優(yōu)化法

年度化凈利潤(rùn)最大優(yōu)化法熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（一）單目標(biāo)優(yōu)化法

1）目標(biāo)函數(shù)：

系統(tǒng)輸出功率或總?損評(píng)價(jià)指標(biāo)

單位換熱面積輸出功率評(píng)價(jià)指標(biāo)

蒸汽發(fā)生器緊湊性評(píng)價(jià)指標(biāo)

蒸汽發(fā)生器單位容積輸出功率評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法2）約束條件：為了滿(mǎn)足理論及技術(shù)上的可行性，同時(shí)使獨(dú)立變量在優(yōu)化過(guò)程中的取值都在可行域內(nèi)，熱力系統(tǒng)的某些熱工參數(shù)、流動(dòng)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)必須滿(mǎn)足一定的約束條件。熱工參數(shù)的熱力學(xué)約束條件:結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件:流動(dòng)參數(shù)約束條件:a.蒸汽發(fā)生器的預(yù)熱段管內(nèi)工質(zhì)流速：b.蒸汽發(fā)生器的蒸發(fā)段管內(nèi)工質(zhì)流速：

c.蒸汽發(fā)生器的過(guò)熱段管內(nèi)工質(zhì)流速：

熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法循環(huán)效率及單位換熱面積輸出功率隨蒸發(fā)溫度的變化凈輸出功率及最終排煙溫度隨蒸發(fā)溫度的變化總換熱面積及余熱鍋爐夾點(diǎn)溫差隨蒸發(fā)溫度的變化循環(huán)效率及單位換熱面積輸出功率隨凝結(jié)溫度的變化熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法總換熱面積及余熱鍋爐夾點(diǎn)傳熱溫差隨透平進(jìn)汽溫度的變化循環(huán)效率及單位換熱面積輸出功率隨循環(huán)工質(zhì)/煙氣流量比的變化規(guī)律循環(huán)效率及單位換熱面積輸出功率隨換熱器效能的變化規(guī)律總換熱面積及余熱鍋爐體積隨回?zé)崞餍艿淖兓?guī)律熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法循環(huán)效率及凈輸出功率隨凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度的變化總換熱面積及單位換熱面積凈輸出功率隨凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度的變化規(guī)律蒸汽發(fā)