工程熱物理進展結課論文講述

1、工程熱物理進展結課論文 題 目 太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng) 研究現狀與優(yōu)化建議 學 院 機電工程學院 學 號 ×××× 學生姓名 × × × 指導老師 × × × 撰寫日期：× × × 年 ×月 ×日摘 要 結合太陽能分散性強、品位低、適合得到中低溫熱能的特點，有機朗肯循環(huán)在中低溫領域熱力循環(huán)性能表現優(yōu)越，將0RC與太陽能集熱器相結合，提出太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)。研究工質對系統(tǒng)性能的影響，對系統(tǒng)性能進行優(yōu)化，是改善ORC系統(tǒng)性能的

2、關鍵。本文提出了優(yōu)化該系統(tǒng)的建議：選擇適合的工質、采用再熱型循環(huán)、采用抽汽回熱型循環(huán)。關鍵詞： 太陽能、有機朗肯循環(huán)、低溫熱發(fā)電、研究現狀、優(yōu)化建議The research situation and the optimal suggestions of low-temperature power generation based on solar organic rankine cycleAbstractCombined with the characteristics of solar energy is dispersion, low grade, suitable for low-te

3、mperature heat energy, and organic rankine cycles thermal cycle performance is superior in low temperature field. Combining ORC and solar collector, put forward the low-temperature power generation based on solar organic rankine cycle. Study the influence of the working medium for system performance

4、, optimize the system performance, are the key to improve the ORC system. This paper puts forward some Suggestions of optimize the system: choosing a suitable medium, using the reheating cycle, and using the regenerative extraction cycle.KeyWords: Solar energy；Organic rankine cycle；Low-temperature p

5、ower； Research situation；Optimal suggestions1 引言太陽能是可再生的綠色能源，具有普遍性、巨大性、無害性和長久性等優(yōu)點，屬于中低溫熱源，具有巨大的利用潛力，可謂“用之不竭”的能源。我國的太陽能資源很豐富，年總的輻射量超過1670kW·h/m21，西北部較荒涼地區(qū)儲量尤其豐富，絕大多數地區(qū)的年平均日輻射量在4kW·h/m2以上2。全國可利用太陽能的國土面積占2/3以上3,約有600萬平方公里，全年日照時數在2200到3300小時之間。白天，在標準的太陽光照條件下，即大氣質量AM是15、溫度是25的條件下，如假定輻射強度是1000 W

6、/m2，發(fā)電效率是10，則整個地球表面上每年可獲得的太陽能發(fā)電量為14×lO5kW·h，大約相當于當今世界能耗總量的100倍。我國的大部分地區(qū)位于北緯45°以南，太陽能資源十分豐富。全國2/3的國土面積年日照的時間在2300h以上，每平方米的太陽能年輻射總量為33408400MJ，陸地表面每年接收的太陽輻射能相當于17000億t標準煤，而且其分布極為廣泛。大力發(fā)展太陽能熱力發(fā)電可為國民經濟發(fā)展提供潔凈、安全、有效及可持續(xù)的能源供應。太陽能熱力發(fā)電與光伏發(fā)電技術相比，具有運行效率高、初投資及運行成本低的優(yōu)點4，目前，世界上已有十余座萬千瓦級中、高溫太陽能熱電站投人運

7、行。按照集熱器類型，太陽能熱力發(fā)電裝置可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)3類4。如美國與以色列聯合的LUZ公司于1980年開始研制的槽式線聚焦系統(tǒng)，其朗肯循環(huán)的工質為水，采用蒸汽輪機驅動發(fā)電機進行發(fā)電，已經實現了容量為1480 MW系列電力設備的產品化，該公司于19851991年先后在美國加洲南部的莫亞夫沙漠中建成9座大型商用槽式拋物面鏡線聚焦太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)，總容量為354 MW，年發(fā)電量為108億kW·h，系統(tǒng)效率為136，建造費用為3 0115 976美元/kW，發(fā)電成本為12263美分/kWh；又如美國于1982年4月在加洲南部Bar-stow附近的沙漠建成“太陽一號”示范

8、性塔式高溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)，也是采用蒸汽輪機發(fā)電模式，其發(fā)電容量為10 MW，該裝置可將系統(tǒng)的運行溫度提高至5651049，總的發(fā)電效率可達到2528；由于碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)還可將系統(tǒng)的運行溫度提高至7501382，可獲得更高的效率，美國正在大力研究這類的樣機。在這些中、高溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)中，一般都采用水作為循環(huán)工質，由于高溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)技術的要求較高、初投資也較大，近年來各國加大了對小型分散式低溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)。20世紀50年代的后期，以色列國家物理實驗室設計制造了用于有機朗肯循環(huán)的透平，用平板集熱器收集低于100的太陽熱水作驅動熱源，構成低溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)，

9、以色列ORMAT公司將該項技術商業(yè)化。低溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)由于其熱源溫度較低(在150之內)，如仍然使用水作為循環(huán)工質，則透平進口壓力太低，會導致發(fā)電效率很低、透平體積龐大等缺點引，因此其循環(huán)工質一般采用低沸點工質，尤其是有機工質。循環(huán)工質的選擇會大大影響低溫太陽能有機朗肯循環(huán)的性能，因此有必要對其進行研究。太陽能使用十分方便，不僅對環(huán)境和生態(tài)造成破壞，而且具有輻照低、能流密度低等特點，易于轉換為低溫熱源等優(yōu)點，與有機朗肯循環(huán)之間具有潛在的聯系。將太陽能與有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)有機結合起來，可以形成基于太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電系統(tǒng)。2 有機朗肯循環(huán)由于熱源的溫度低于371時，以水蒸汽為工質的

10、傳統(tǒng)朗肯循環(huán)效率較低，并且系統(tǒng)運行的經濟性下降5。在此背景下，利用有機工質進行朗肯循環(huán)引起了越來越多的關注，即有機朗肯循環(huán)(ORC)。自然界有機朗肯循環(huán)(ORC)是采用低沸點的有機物代替水作為循環(huán)工質的閉式朗肯循環(huán)。由于其可以有效地利用低品位熱能、設備相對簡單、適用性強，同時不產生有害氣體，對環(huán)境不產生污染6，因而其研究與應用越來越受到人們的重視和青睞。2.1有機朗肯循環(huán)基本情況有機朗肯循環(huán)與傳統(tǒng)朗肯循環(huán)的最大差異在于循環(huán)工質選擇的不同，即用有機物替代水做工質。使用的有機混合物主要種類有：制冷劑，碳氫化合物(丁烷、戊烷、己烷等等)，硅油，氟氯烴等等。這些有機物的特點是沸點均比水低，因而可以在傳

11、統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)溫度更低的工作熱源下工作,并且有機工質的熱物理性質與水有許多不同，因此有機朗肯循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)有很多不同點。第一代ORC商業(yè)應用出現于上世紀70年代末和80年代初，這些系統(tǒng)采用地熱和太陽能作為工作熱源。至今全球已經建立了超過200個ORC發(fā)電項目，發(fā)電總功率超過1 800MW，并且這個數字增長速度正在加快。這些電廠大部分用于CHP應用和地熱應用7。ORC系統(tǒng)的結構布局在一些結構上與蒸汽動力循環(huán)不同，即沒有蒸汽汽包連接鍋爐，一個單程換熱器被用于將工質蒸發(fā)的三個蒸發(fā)狀態(tài)(過冷，飽和，過熱)。循環(huán)改進方案也較少：再熱和膨脹機中間抽汽不適用于ORC循環(huán)。但是可以在工質泵出口和膨脹機出

12、口設置一個回熱器將工質進行預熱。如圖2-1所示8：圖2-1帶有回熱器(右)和不帶有回熱器(左)的ORC系統(tǒng)結構圖目前，有機朗肯循環(huán)可用于回收余熱、廢熱，并且是太陽能、地熱等新能源利用的一條有效途徑，各國學術界和工業(yè)界正積極投入力量進行相關研發(fā)工作。有機朗肯循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)可利用的低品位能包括以下幾種形式9：(1)工業(yè)余熱回收工業(yè)余熱可減少工業(yè)能耗和溫室氣體的排放。大多數工業(yè)過程或電廠排放大量的煙氣溫度一般不高于400。(2)地熱地熱發(fā)電利用地熱蒸汽或者熱水作為熱源，大部分的地熱水在飽和狀態(tài)附近，溫度在10022010，屬于中溫型地熱。(3)太陽能太陽能能量密度低，熱源溫度不高，需采用基于集熱技術

13、的有機朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)，經過集熱裝置后，溫度可以達到30011。第一章緒論(4)生物質能生物質能也是有機朗肯循環(huán)的重要驅動源之一。生物質能發(fā)電采用有機朗肯循環(huán)主要是由于在機組規(guī)模較小時，有機工質具有更高的膨脹機效率12。2.2有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)簡介圖2-2為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖13。低壓液態(tài)有機工質(點1)經過循環(huán)泵增壓后(點2)進入蒸發(fā)器吸收熱量轉變?yōu)楦邷馗邏赫魵?點3)；之后，高溫高壓有機工質蒸氣推動膨脹機做功，產生能量輸出；膨脹機出口的低壓過熱蒸氣(點4進入冷凝器，向低溫熱源放熱而被冷凝為液態(tài)，如此往復循環(huán)。圖2-2有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖近年來，許多科學家也致力于有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究，

14、John OEverett14提出了一種可再生的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，由于發(fā)電效率和蒸汽蒸發(fā)的平均溫度有關，蒸汽首先在預熱爐中加熱。然后，通過五個渦輪帶動軸產生扭矩，然后，一些蒸汽流入其他四個分流器后，回流到預熱器中，帶動發(fā)電機發(fā)電，其發(fā)電效率可以提高40。張穎，楊嘉祥15等自行設計組裝了以R11為工質的ORC熱力系統(tǒng)模型，并對模型進行了EHD強化冷凝換熱及發(fā)電的實驗研究。ASchuster,SKareilas，EKakaras和HSpliethoff等對有機朗肯循環(huán)的應用進行了經濟和能源方面的調查研究，對模型的效率、產水率和電力生產成本進行了分析16。楊智博等對現行的柴油機廢氣余熱利用設備進行比較，

15、選擇了R1l為工質，計算了柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的運行參數(比焓、熵、工質流量、雷諾數、蒸汽出口速度等)和各主要組件(汽輪發(fā)電機組、冷凝器、噴管)的結構參數，計算了系統(tǒng)發(fā)出的電量17。Lourdes GarciaRodriguez等人分析了基于有機朗肯循環(huán)的分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)18。Madhawa Hettiarachchi等提出了一種有效的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化設計準則，以總換熱面積與輸出凈功率的比值作為目標函數，采用陡峭下降法對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化19。Saleht20等使用BACKONE狀態(tài)方程得到31種用于ORC的有機工質物性，在一定的條件下，得到了不同類型的熱效率。據統(tǒng)計表明，現有

16、2000多套ORC裝置在全世界運行，并且目前已經生產山單機容量為14000kW的ORC發(fā)電機組。有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電技術的研究在當今世界有著重要的意義。3 太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)研究現狀 太陽能朗肯循環(huán)與其他使用有機工質的朗肯循環(huán)(主要指地熱，工業(yè)余熱利用)相似，根據循環(huán)的最高溫度不同，大致可以劃分為低溫、中溫和高溫三種類型。但是對于確切的溫度劃分，不同的學者之間存在爭論。表3-1給出了幾種不同的劃分范圍。表3-1對太陽能朗肯循環(huán)的不同溫度劃分()21提出學者及年份：(A)Muffler和Cataldi(1977)(B)Hochstein(1990)(C)Benderitter和C

17、orrny(1990)(D)Haenel(1988) 結合太陽能分散性強、品位低、適合得到中低溫熱能的特點，有機朗肯循環(huán)(0RC)在中低溫領域熱力循環(huán)性能表現優(yōu)越，將0RC與太陽能集熱器相結合，提出太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)。3.1系統(tǒng)基本原理 太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能平板集熱器、膨脹機、冷凝器、儲液罐、工質泵等部分。系統(tǒng)原理如圖3-1所示22。圖3-1太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)原理圖 太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)基本原理：有機工質液體經平板集熱器與太陽能進行換熱，產生飽和蒸汽或過熱蒸汽流出集熱器，然后進入膨脹機做功，將熱能轉化為機械能，再由發(fā)電機轉化為電

18、能，膨脹出口的乏汽進入冷凝器冷凝后變成飽和液體進入儲液罐，經工質泵加壓進入平板集熱器，完成一次循環(huán)。循環(huán)流程圖如圖3-2所示22。圖3-2工質循環(huán)流程圖12過程：飽和蒸汽驅動膨脹機進而帶動發(fā)電機發(fā)電，氣態(tài)工質在此膨脹工程中因焓降較大、散熱量小，可簡化為絕熱膨脹過程；12'為可逆的理想等熵膨脹；23過程：低壓氣態(tài)工質在冷凝器中冷凝為液體，對外放熱，可簡化為定壓冷卻過程；34過程：有機工質經過泵增壓，進入平板集熱器。此時工質溫度與環(huán)境溫度相近，泵向周圍的散熱可忽略不計，可簡化為絕熱壓縮過程；34'為理想可逆的等熵壓縮；41過程：工質在集熱器中加熱，該過程理想為定壓吸熱過程。3.2系

19、統(tǒng)優(yōu)點太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)采用低沸點有機工質，通過換熱器間壁換熱汽化，產生高溫高壓蒸汽，推動動力機械做功，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。其優(yōu)點是發(fā)電量可以隨充入的循環(huán)工質種類和流量等進行調節(jié)，并且單機發(fā)電量小，整體設備尺寸小，結構簡單，成本較低。3.3系統(tǒng)研究現狀近年來，國內外許多學者對有機朗肯循環(huán)工質選擇和系統(tǒng)參數優(yōu)化上進行了諸多深入研究。例如：Andersen W C等通過實驗研究揭示了有機物工質的化學穩(wěn)定性及其對ORC經濟性的影響。T.C.Hung23選用苯、甲苯、對二甲苯、Rll3、R123五種工質進行有機朗肯循環(huán)性能分析，表明對于300左右的高溫熱源，對二甲苯的循環(huán)不可逆損失最小，

20、而對于200左右的低溫熱源，R123和R113的循環(huán)性能更優(yōu)。魏東紅24等從熱力學第二定律角度分析了以單種工質R245fa下各部件的性能，研究了環(huán)境溫度改變對余熱驅動的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。羅琪25等研究了低溫余熱驅動的抽汽回熱式有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的性能，通過改變系統(tǒng)的熱力參數如透平的進口壓力和溫度，將抽汽回熱式有機朗肯循環(huán)和簡單的有機工質朗肯循環(huán)進行了熱力特性分析和對比，指出抽汽回熱式有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)產生的不可逆損失更少，熱效率更高。這些對于研究基于太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)有一定的借鑒作用。綜合看來，太陽能有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電系統(tǒng)的性能受循環(huán)工質物性、狀態(tài)參數及換熱設備的結

21、構參數等很多因素影響，研究工質對系統(tǒng)性能的影響，對系統(tǒng)性能進行優(yōu)化，是改善ORC系統(tǒng)性能的關鍵。4 太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化建議4.1選擇適合的工質循環(huán)工質的特性是影響有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的重要因素之一。魏東紅等 人從熱力學第二定律角度分析了采用單種工質R245fa循環(huán)時系統(tǒng)各部件的性能；Schuster等對有機朗肯循環(huán)的應用進行了經濟和能源方面的調查研究；Lourdes等人分析基于有機朗肯循環(huán)的分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)；王輝濤等根據PR狀態(tài)方程計算和分析了采用11種低沸點有機流體工質的低溫太陽能發(fā)電朗肯循環(huán)的熱力性能；Saleh等人提出，在太陽能集熱有機朗肯循環(huán)中，R236ea、R2

22、45ca、R245fa、R600、R600、R601a、RE134和RE245都是值得考慮的有機工質26。隨著人們對于環(huán)保要求越來越高，工質的可用范圍也不斷更新。因此，選擇合適的有機工質對提高系統(tǒng)性能和能量利用效率具有非常重要的意義。4.2采用再熱型循環(huán)采用再熱型循環(huán)，雖然成本有略微增加，但系統(tǒng)的熱效率會有相對的提高。膨脹機乏汽不是同基本0RC系統(tǒng)那樣直接冷凝，而是先對工質泵流出的低溫飽和液或過冷液進行預加熱，然后才送入到冷凝器冷凝。Costante27指出，熱交換器對于采用分子量較大工質的0RC系統(tǒng)而言，是提高循環(huán)效率的關鍵設備；PedroJMago28認為再熱式0RC系統(tǒng)提高了熱效率，降低

23、了系統(tǒng)的不可逆損失和蒸發(fā)吸熱量。再熱型太陽能ORC系統(tǒng)原理如圖4-1所示。圖4-1再熱型原理圖4.3采用抽汽回熱型循環(huán) 抽汽回熱式通常分為一級抽汽和分級抽汽，在一種或者兩種蒸汽壓力下抽出部分已做過功的蒸汽，加熱冷凝后的液態(tài)工質，熱效率和效率均得到提高。Mago29利用拓撲學的方法分析了采用R113工質的普通ORC和回熱循環(huán)的效率，也同樣得出再熱循環(huán)系統(tǒng)具有更高的熱效率和或效率，并進一步指出回熱循環(huán)提高了工質進入蒸發(fā)器時的溫度，使蒸發(fā)器的損失減少了37；MortazaYari30分析了4種0RC系統(tǒng)，分別是基本式、帶IHE的再熱式、回熱式、帶IHE的回熱式0RC系統(tǒng)，循環(huán)效率均得到不同程度的提高

24、。抽汽回熱型太陽能ORC系統(tǒng)原理如圖4-2所示。圖4-2抽汽回熱型原理圖5 結論太陽能是可再生的綠色能源，具有普遍性、巨大性、無害性和長久性等優(yōu)點，屬于中低溫熱源，與有機朗肯循環(huán)之間具有潛在的聯系。大力發(fā)展太陽能熱力發(fā)電可為國民經濟發(fā)展提供潔凈、安全、有效及可持續(xù)的能源供應。自然界有機朗肯循環(huán)是采用低沸點的有機物代替水作為循環(huán)工質的閉式朗肯循環(huán)。由于其可以有效地利用低品位熱能、設備相對簡單、適用性強，同時不產生有害氣體，對環(huán)境不產生污染，因而其研究與應用越來越受到人們的重視和青睞。有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電技術的研究在當今世界有著重要的意義。結合太陽能分散性強、品位低、適合得到中低溫熱能的特點，有

25、機朗肯循環(huán)在中低溫領域熱力循環(huán)性能表現優(yōu)越，將0RC與太陽能集熱器相結合，提出太陽能的有機朗肯循環(huán)低溫發(fā)電系統(tǒng)。此系統(tǒng)發(fā)電量可以隨充入的循環(huán)工質種類和流量等進行調節(jié)，并且單機發(fā)電量小，整體設備尺寸小，結構簡單，成本較低。然而太陽能有機朗肯循環(huán)低溫熱發(fā)電系統(tǒng)的性能受循環(huán)工質物性、狀態(tài)參數及換熱設備的結構參數等很多因素影響，研究工質對系統(tǒng)性能的影響，對系統(tǒng)性能進行優(yōu)化，是改善ORC系統(tǒng)性能的關鍵。本文提出了優(yōu)化該系統(tǒng)的建議：選擇適合的工質、采用再熱型循環(huán)、采用抽汽回熱型循環(huán)。參考文獻1 潘垣，辜承林，周理兵.太陽能熱氣流發(fā)電及其對我國能源與環(huán)境的深遠影響J世界科技研究與發(fā)展，2003，25(4)：

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