多级冷凝朗肯循环的压缩和膨胀布局优化

发布时间：2020-04-28 06:06

【摘要】：液化天然气(LNG)产业链中,LNG冷能利用方式以发电循环为主,有机朗肯循环(ORC)结构简单且技术成熟,因而被广泛应用,但发电性能上仍有较大的提升空间。为了提升循环性能,大多数研究从增加能量集成和降低不可逆损失的角度入手,忽略了压缩和膨胀布局的影响。因此,本文基于现存的多级冷凝朗肯循环提出了不同的压缩和膨胀布局,以确定其最佳布局为目的展开研究。首先针对两级冷凝朗肯循环(2C-ORC)提出了2种压缩布局和2种膨胀布局,组合得到4种不同构型的2C-ORC,以净输出功为目标函数分析了系统性能对泵和透平效率敏感性,并对透平实际效率进行预测,研究发现在恒定及非恒定透平效率下,4种循环中均存在最佳的两级冷凝温度使净输出功达到最大,并且压缩布局对循环性能没有显著影响(1%),而串联膨胀布局优于并联膨胀布局(非恒定透平效率下提升17.29%),通过纯工质优选发现,在恒定和非恒定的透平效率下的最佳纯工质分别为R245ca和R123,透平效率是否恒定对循环的最佳工质以及工质优劣顺序有显著的影响。然后,针对三级冷凝朗肯循环(3C-ORC)提出了3种压缩布局和和3种膨胀布局,并且构建了超结构和工质选择系数的模型,提出了同步优化法,可以一步得到最佳循环参数、最佳构型、最佳工质。通过验证发现,同步法结果精确可靠且耗时短。通过对循环布局的研究发现,采用同种工质时压缩布局对循环性能的影响不大(1%),而膨胀布局对循环性能的影响相对明显,最大相差约3.4%(恒定透平效率下)。通过纯工质优选过程发现,同种工质的最佳布局不受LNG气化压力的影响。不同工质的最佳压缩布局均为串联布局,最佳膨胀布局则有所不同,并依据不同应用场合,利用同步法确定了LNG不同气化压力下的最佳循环参数、构型和纯工质。最后,基于混合工质对2C-ORC和3C-ORC进行了压缩和膨胀布局优化。改进工质选择系数后,同步法同样适用于混合工质。研究发现,在不同LNG气化压力下,当以净输出功最大为目标时,采用串联压缩布局和串联膨胀布局的3C-ORC表现最好,当以总投资成本最小为目标时,推荐采用并联压缩布局和并联膨胀布局的2C-ORC。根据多目标评价和最佳设计参数的分析,在不同LNG气化压力下都推荐带有串联压缩布局和串联膨胀布局的2C-ORC。工质选择方面,无论是单目标还是多目标的情况,都推荐以C_2H_4或C_2H_6为主要成分的二元混合工质。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE646

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本文编号：2643152