低温有机朗肯循环变工况运行研究

发布时间：2017-07-21 01:21

  本文关键词：低温有机朗肯循环变工况运行研究

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【摘要】：有机朗肯循环(ORC)是利用中低温热源的重要技术之一。当前,有机朗肯循环运行优化及机组集成技术有待发展和完善。本文针对低温有机朗肯循环过程集成关键技术和核心问题,在低温热源条件下开展变工况实验,获得有机朗肯循环系统输出特性和关键部件运行特性,提出ORC系统优化运行的指示性参数,集成适用于非稳定低温热源的有机朗肯循环样机。建立了完善的有机朗肯循环实验系统,采用三柱塞泵作为工质泵,涡旋膨胀机作为热工转换设备,R123作为工质。在140～160℃热源条件下,研究ORC变工况运行特性。三柱塞泵具有相对优异的实际运行效率,是文献报道水平的1.5～2.4倍；工质泵与膨胀机之间存在耦合关系；工质泵发生气蚀会造成工质流量显著偏离和剧烈波动；带有前置泵的有机朗肯循环系统能解决工质泵气蚀问题。对比恒定工质流量和恒定膨胀机转矩两种调节模式下系统瞬态特性发现,恒定膨胀机转矩调节模式下系统响应较为平稳,而恒定工质流量调节模式下系统响应更为迅速；恒定工质流量模式便于调节蒸发压力,而恒定膨胀机转矩模式便于调节膨胀机入口蒸汽过热度。稳态工况下获得最大膨胀机轴功为3.45kW,最大热效率6.29%。膨胀机入口蒸汽过热度影响膨胀机实际运行效率,存在最佳过热度(约20℃),对应着最大的膨胀机输出轴功,以及最大的系统热效率和(?)效率。开展基于单螺杆ORC系统运行特性实验,在160℃热源条件下获得最大膨胀机轴功5.09 kW,最大热效率为5.05%。相比涡旋膨胀机,单螺杆膨胀机具有单机功率较大、可在较低压力下运行等特点,更适用于低温热源。提出了两类无量纲积分温差作为有机朗肯循环系统运行优化的新指标参数。在不同热源温度下和ORC系统运行参数下,第一类无量纲积分温差与蒸发器比(?)损显著线性相关；存在最佳第二类无量纲积分温差区间(0.282±0.01),使得膨胀机有最大输出功,ORC系统有最大热效率和最大(?)效率。设计并搭建了10 kW级的有机朗肯循环集成样机。该样机采用了单螺杆膨胀机,并集成了远程监测和控制系统。用R245fa作为循环工质,在80～120℃C热源条件下开展实验,获得时均膨胀机轴功和系统热效率分别为7.764 kW、6.11%。在非稳定热源条件下,该集成机组运行稳定,为ORC发电系统应用推广提供重要数据支撑和运行实践。
【关键词】：低温热源 有机朗肯循环 实验研究 变工况运行 有机朗肯循环系统集成
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK115
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-25
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.2 有机朗肯循环研究现状15-21
• 1.2.1 有机朗肯循环热力学研究15-17
• 1.2.2 有机朗肯循环实验研究17-20
• 1.2.3 ORC集成样机研究20-21
• 1.3 当前研究存在的问题21-23
• 1.4 本课题研究内容23-25
• 第2章 低温有机朗肯循环实验系统25-44
• 2.1 引言25
• 2.2 有机朗肯循环工作原理25-27
• 2.3 实验系统27-33
• 2.4 有机朗肯循环回路主要部件33-38
• 2.4.1 工质泵33-35
• 2.4.2 膨胀机35-37
• 2.4.3 换热器37-38
• 2.5 实验操作38-41
• 2.5.1 前期准备和调试38-39
• 2.5.2 实验操作步骤39-41
• 2.6 数据处理41-43
• 2.7 本章小结43-44
• 第3章 有机朗肯循环工质泵运行特性实验44-64
• 3.1 引言44
• 3.2 三柱塞泵运行特性实验44-50
• 3.2.1 实验方法及实验工况44-45
• 3.2.2 三柱塞泵流量特性45-49
• 3.2.3 三柱塞泵实际运行效率49-50
• 3.3 流量偏离工况下ORC运行特性实验50-56
• 3.3.1 流量偏离工况下膨胀机运行特性50-53
• 3.3.2 流量偏离工况下ORC系统运行特性53-54
• 3.3.3 热源温度对ORC系统性能影响54-56
• 3.4 带增压泵的ORC系统工质泵运行特性56-62
• 3.4.1 带有前置泵的ORC工作原理56-57
• 3.4.2 带有前置泵的ORC实验系统改造57-59
• 3.4.3 实验方法及实验工况59
• 3.4.4 结果与讨论59-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第4章 有机朗肯循环变工况运行特性实验64-84
• 4.1 引言64
• 4.2 ORC系统变工况运行动态特性64-69
• 4.2.1 恒流量模式下膨胀机的动态响应特性64-67
• 4.2.2 恒转矩模式下膨胀机的动态响应特性67-69
• 4.3 ORC系统变工运行稳态特性69-73
• 4.3.1 ORC系统输出性能69-71
• 4.3.2 热源温度对膨胀机性能影响分析71-73
• 4.4 膨胀机入口过热度影响分析73-79
• 4.4.1 实验方法和实验工况74-75
• 4.4.2 过热度对膨胀机性能影响75-77
• 4.4.3 过热度对ORC系统性能影响77-79
• 4.5 基于单螺杆膨胀机的ORC运行特性实验79-82
• 4.5.1 单螺杆膨胀机ORC系统改造79-80
• 4.5.2 单螺杆膨胀机ORC运行实验80-82
• 4.6 本章小结82-84
• 第5章 蒸发器积分温差影响分析84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 换热器积分温差定义84-88
• 5.3 积分温差与蒸发器(?)损的关系88-92
• 5.4 第二类无量纲积分温差与ORC性能关系92-98
• 5.4.1 第二类无量纲积分温差与ORC系统输出性能92-97
• 5.4.2 第二类无量纲积分温差与ORC系统(?)损分布97-98
• 5.5 本章小结98-100
• 第6章 有机朗肯循环样机集成及运行实验100-116
• 6.1 引言100
• 6.2 ORC样机设计和搭建100-106
• 6.2.1 样机总体设计100-101
• 6.2.2 ORC样机集成101-104
• 6.2.3 运行监测与控制系统104-106
• 6.3 实验方法和实验工况106-107
• 6.4 非稳定热源下ORC样机的瞬态特性107-109
• 6.5 非稳定热源下ORC样机稳态特性109-115
• 6.5.1 单螺杆膨胀机输出性能109-110
• 6.5.2 ORC样机系统性能110-115
• 6.6 本章小结115-116
• 第7章 结论与展望116-120
• 7.1 本论文主要研究结果和结论116-118
• 7.2 本论文研究意义及创新点118
• 7.3 未来工作展望118-120
• 参考文献120-132
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果132-134
• 攻读博士学位期间参加的科研工作134-135
• 致谢135-136
• 作者简介136

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