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低溫地熱發電循環理論優化與有機工質朗肯循環性能實驗研究

來源:0 2017/3/10 21:40:29

摘要:

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低溫地熱發電循環理論優化與有機工質朗肯循環性能實驗研究

我國地熱資源豐富,但以100oC以下的低溫熱水型資源為主;傳統的地熱發電技術下,對這些資源作發電利用的經濟性不足,大量資源因而未能得以開發利用。近年來,有機朗肯循環(OrganicRankineCycle,ORC)技術、有機工質跨臨界循環(OrganicTrans-criticalCycle,OTC)技術、Kalina循環技術等新型中低溫動力循環技術的發展,連同各國政府對可再生能源發電的鼓勵政策,使得資源的經濟發電溫度得以降低,低溫地熱資源的發電潛力和經濟性前景開始受到關注。開展基于ORCOTCKalina循環、著眼于改善系統技術經濟性的低溫地熱發電技術優化研究,具有促進低溫地熱資源發電利用,從而節約化石能源、減小與化石燃料燃燒相應的溫室氣體CO2和大氣污染物排放的重要意義。

  本課題以改善80-100oC熱水型地熱資源發電利用的技術經濟性為研究目標,開展了系統技術經濟性優化目標函數研究,系統技術經濟性影響因素和影響規律研究,ORCOTCKalina循環技術優化和對比評價研究,系統關鍵部件性能和系統性能實驗優化研究。

  以整個地熱電站發電成本最低為根本的技術經濟性優化目標,通過計算與分析,揭示了系統比凈功最大化與整個地熱電站發電成本最低之間的一致性,由此確立了以系統比凈功最大化為低溫地熱發電系統的技術經濟性目標函數。

  以系統比凈功最大化為優化目標函數,建立了基于窄點分析的系統性能分析方法和系統仿真優化方法等理論研究手段,開展了理論優化研究。結果表明,指定冷熱源條件下,影響ORCOTCKalina循環系統比凈功的主要因素為工質、循環參數、系統部件效率等;指定部件效率下,3類循環系統均存在最優工質和最優循環參數分別使得各個循環系統的比凈功最大。得到了本文冷熱源條件和指定部件效率下3類循環系統各自的最優工質和相應的最優循環參數、最大比凈功;其中ORC系統、OTC系統的最優工質分別為非共沸混合工質MA6MB8MMMHKalina循環系統工質NH3/H2O的最優濃度為98/2mol%。基于3類循環系統各自的最大比凈功,綜合考慮實際系統的部件效率范圍以及OTCKalina循環系統分別存在壓力高和系統與過程復雜、工質有毒可燃等不利于技術經濟性的因素,得出在本課題冷熱源條件下,非共沸混合工質ORC系統的技術經濟性為最優的對比評價結論。

  對課題組原有的基于渦旋式膨脹機的ORC系統性能實驗裝置,進行了著眼于膨脹機性能研究和拓展實驗工況適用范圍、提高測量可靠性的相關改進。基于改進后的實驗裝置,開展了系統關鍵部件—膨脹機的性能影響規律實驗研究,結果表明,膨脹機轉速、工質膨脹比-膨脹機內容積比間的匹配關系、工質在高低壓膨脹腔間的泄漏,是影響渦旋式膨脹機定熵效率的主要因素;存在最優的膨脹比與膨脹機轉速,使得膨脹機定熵效率最高;對于特定的膨脹機,最優轉速、最優膨脹比值基本不隨工質、工況而變,其中最優膨脹比與膨脹機的內容積比基本一致。以R245fa為工質,實驗確定了本實驗臺所用膨脹機的定熵效率隨工質膨脹比和轉速變化的曲線,膨脹機定熵效率最大值約為82%,所對應的膨脹機轉速和工質膨脹比分別為800rpm2左右(該膨脹機的內容積比為1.99)

  注意到以同一實驗裝置開展不同工質的系統性能對比實驗研究時,存在兩種不公平因素:(1)工質與實驗系統的匹配度因工質而異;(2)系統部件效率對不同工質系統性能的影響存在差異。如果直接以實驗結果評價不同工質的系統性能將有失客觀性,并影響工質實驗優選質量。對此,本文開展了工質實驗性能客觀對比評價方法的研究,提出了對換熱器熱流密度和工質泵效率進行校正的改進型對比評價方法。以該方法為指導,對理論ORC系統性能較優的純工質R245faR123R227eaR134a,非共沸混合工質MA6MA3MD1MC1MB8,進行了ORC系統性能實驗對比評價研究。結果表明:在ORC系統性能影響規律方面,比凈功值受冷、熱源條件的影響較大;指定的冷、熱源條件下,存在一個最優蒸發溫度,使得系統比凈功最大;隨著冷凝溫度的降低,循環的最優蒸發溫度值下降,反之亦然。在工質性能對比方面,在熱源水進口溫度為90oC條件下,當冷凝溫度為30oC時,非共沸混合工質MB8MA3給出的系統比凈功最大,分別為10.58kJ/kg10.79kJ/kg,相應的最優蒸發溫度分別為59.2oC62oC;當冷凝溫度為45oC時,非共沸混合工質MC1MB8給出的系統比凈功最大,分別為5.96kJ/kg5.82kJ/kg,相應的最優蒸發溫度分別為71.2oC71oC


者:張圣君

學科專業:動力工程及工程熱物理

授予學位:博士

學位授予單位:天津大學

導師姓名:王懷信

學位年度:2012

研究方向:

種:chi

分類號:TM616

關鍵詞:低溫地熱發電循環理論優化設計有機工質朗肯循環技術目標函數系統性能

機標分類號:

機標關鍵詞:低溫地熱地熱發電循環性能理論優化有機工質系統性能實驗渦旋式膨脹機技術經濟性非共沸混合工質循環系統熵效率對比評價

基金項目:



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