有机朗肯循环系统优化与轴流式汽轮机性能研究

发布时间：2017-08-25 13:31

  本文关键词：有机朗肯循环系统优化与轴流式汽轮机性能研究

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【摘要】：随着能源需求的增加和化石燃料储量的减少,合理利用各类可持续能源和工业余热等低品位废热越来越受到重视,有机朗肯循环(ORC)是一种回收低品位热能的有效方式。本文围绕ORC,主要研究内容包括：系统的参数分析与优化、系统关键设备轴流式汽轮机的热力设计与优化。基于热源与有机工质换热过程的能量方程,通过对换热过程冷侧和热侧温差的求导分析,得到窄点温差位置随系统参数的变化规律,建立起热源与有机工质的换热模型。模型显示,窄点温差位置可由热源入口温度和一个工质物性复合而成的特性温度确定。当热源温度大于工质特性温度,窄点温差位于有机工质蒸发器入口温度处；当热源温度小于工质特性温度,窄点温差位于工质蒸发温度处。依据建立的热源与有机工质换热模型,利用近似热力学公式和ORC基本模型,建立ORC系统的热力学理论分析模型。基于此理论模型,分析蒸发温度、冷凝温度、过热度和中间换热器以及热源温度对系统净功输出和系统效率的影响,并将理论分析结果和数值模拟结果对比验证理论模型的准确性。分析结果表明,窄点温差位置极大的影响系统性能的变化趋势。通过对建立的理论模型进行简化得到简化的理论模型,从简化模型推导得到最佳蒸发温度的计算公式,并通过与模拟结果对比验证公式准确性。根据前面对系统参数分析,利用数值模拟方法对热源温度、蒸发压力和冷凝温度进行多参数分析和优化。通过对ORC系统的分析表明,增加有机工质过热度不会提高系统净功输出和系统效率；增加中间换热器可以提高系统效率,但对系统净功输出的影响非常小；系统效率随热源温度的升高而提高,当热源低于工质特性温度,存在最佳蒸发温度使净功输出极大化,当热源温度高于工质特性温度,净功输出随热源温度升高而提高；存在最佳冷凝温度使系统净功输出和系统效率取极大值。根据有机工质的热物性,分析有机工质膨胀过程中马赫数、流通面积和近临界膨胀方面的膨胀特性。依据其特性选择AMDCKO损失预测模型,对有机工质轴流式汽轮机的叶片结构参数进行分析,得到需要优化的8个叶片结构参数：喷嘴相对节距、动叶相对节距、喷嘴气流冲角、动叶气流冲角、喷嘴叶片入口角、反动度、速比和径比。依据AMDCKO损失预测模型,对模型中相关图表进行合,选择级间效率为优化目标,利用遗传算法对轴流式汽轮机单级进行8参数化。随后,提供了使用真实工质物性和模型损失来确定膨胀过程中的喉部位置和当地音速的方法。本文最后,依据MATLAB平台,通过对前面的内容进行整理,编写了ORC所涉及过程的相关函数,所有函数共同组成了ORC工具箱。通过此工具箱,可以通过函数调用方式实现ORC系统设计和优化、轴流式汽轮机的热力设计和优化。
【关键词】：有机朗肯循环 参数优化 理论模型 最优蒸发温度 轴流式汽轮机
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK115;TK261
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 研究背景11-15
• 1.2 有机朗肯循环国内外研究进展15-20
• 1.2.1 有机朗肯循环研究综述16-17
• 1.2.2 有机朗肯循环研究17-19
• 1.2.3 膨胀机研究19-20
• 1.3 本文研究内容20-22
• 2 有机朗肯循环热力学模型与参数分析22-39
• 2.1 有机朗肯循环基本模型22-27
• 2.1.1 有机朗肯循环工质22-23
• 2.1.2 有机朗肯循环热力学模型23-27
• 2.2 有机朗肯循环理论模型27-31
• 2.2.1 蒸发器换热模型27-29
• 2.2.2 有机朗肯循环理论模型29-31
• 2.3 有机朗肯循环参数分析31-37
• 2.3.1 过热度的影响31-33
• 2.3.2 中间换热器的影响33-34
• 2.3.3 蒸发温度的影响34-35
• 2.3.4 冷凝温度的影响35-37
• 2.4 本章小结37-39
• 3 有机朗肯循环参数优化39-51
• 3.1 有机朗肯循环简化理论模型39-44
• 3.1.1 有机朗肯循环理论模型简化39-40
• 3.1.2 简化理论模型的参数优化40-41
• 3.1.3 简化理论模型准确性分析41-44
• 3.2 有机朗肯循环系统优化44-50
• 3.2.1 蒸发压力和冷凝温度45-48
• 3.2.2 热源温度48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 4 有机工质轴流式汽轮机性能分析51-73
• 4.1 轴流式汽轮机热力设计51-58
• 4.1.1 有机工质汽轮机的膨胀规律51-53
• 4.1.2 有机工质汽轮机的近临界膨胀过程53-54
• 4.1.3 损失预测模型54-58
• 4.2 轴流式汽轮机结构参数分析58-64
• 4.2.1 相对节距和气流出口角58-60
• 4.2.2 相对节距与气流冲角60-62
• 4.2.3 气流冲角62-63
• 4.2.4 叶栅径比63-64
• 4.3 轴流式汽轮机参数优化64-71
• 4.3.1 预测模型程序化64-68
• 4.3.2 模型多参数优化68-71
• 4.3.3 膨胀过程中实际音速的确定71
• 4.4 本章小结71-73
• 5 基于MATLAB的有机朗肯循环工具箱开发73-79
• 5.1 有机工质调用与REFPROP73
• 5.2 有机朗肯循环系统设计和优化函数73-75
• 5.2.1 有机朗肯循环系统设备函数编写73-74
• 5.2.2 有机朗肯循环系统设计与优化函数编写74-75
• 5.3 轴流式汽轮机设计和优化函数75-77
• 5.3.1 损失预测模型基本函数编写75-76
• 5.3.2 损失预测模型各项损失函数编写76-77
• 5.3.3 基于损失预测模型的轴流式汽轮机设计与优化函数编写77
• 5.4 本章小结77-79
• 总结与展望79-81
• 参考文献81-86
• 附录86-101
• 致谢101-102
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文102-103

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本文编号：737026