低温地热发电循环理论优化与有机工质朗肯循环性能实验研究

【摘要】：我国地热资源丰富，但以100oC以下的低温热水型资源为主；传统的地热发电技术下，对这些资源作发电利用的经济性不足，大量资源因而未能得以开发利用。近年来，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)技术、有机工质跨临界循环(Organic Trans-critical Cycle, OTC)技术、Kalina循环技术等新型中低温动力循环技术的发展，连同各国政府对可再生能源发电的鼓励政策，使得资源的经济发电温度得以降低，低温地热资源的发电潜力和经济性前景开始受到关注。开展基于ORC、OTC、Kalina循环、着眼于改善系统技术经济性的低温地热发电技术优化研究，具有促进低温地热资源发电利用，从而节约化石能源、减小与化石燃料燃烧相应的温室气体CO2和大气污染物排放的重要意义。 本课题以改善80-100oC热水型地热资源发电利用的技术经济性为研究目标，开展了系统技术经济性优化目标函数研究，系统技术经济性影响因素和影响规律研究，ORC、OTC、Kalina循环技术优化和对比评价研究，系统关键部件性能和系统性能实验优化研究。 以整个地热电站发电成本最低为根本的技术经济性优化目标，通过计算与分析，揭示了系统比净功最大化与整个地热电站发电成本最低之间的一致性，由此确立了以系统比净功最大化为低温地热发电系统的技术经济性目标函数。 以系统比净功最大化为优化目标函数，建立了基于窄点分析的系统性能分析方法和系统仿真优化方法等理论研究手段，开展了理论优化研究。结果表明，指定冷热源条件下，影响ORC、OTC与Kalina循环系统比净功的主要因素为工质、循环参数、系统部件效率等；指定部件效率下，3类循环系统均存在最优工质和最优循环参数分别使得各个循环系统的比净功最大。得到了本文冷热源条件和指定部件效率下3类循环系统各自的最优工质和相应的最优循环参数、最大比净功；其中ORC系统、OTC系统的最优工质分别为非共沸混合工质MA6、MB8和MM、MH，Kalina循环系统工质NH3/H2O的最优浓度为98/2mol%。基于3类循环系统各自的最大比净功，综合考虑实际系统的部件效率范围以及OTC和Kalina循环系统分别存在压力高和系统与过程复杂、工质有毒可燃等不利于技术经济性的因素，得出在本课题冷热源条件下，非共沸混合工质ORC系统的技术经济性为最优的对比评价结论。 对课题组原有的基于涡旋式膨胀机的ORC系统性能实验装置，进行了着眼于膨胀机性能研究和拓展实验工况适用范围、提高测量可靠性的相关改进。基于改进后的实验装置，开展了系统关键部件—膨胀机的性能影响规律实验研究，结果表明，膨胀机转速、工质膨胀比-膨胀机内容积比间的匹配关系、工质在高低压膨胀腔间的泄漏，是影响涡旋式膨胀机定熵效率的主要因素；存在最优的膨胀比与膨胀机转速，使得膨胀机定熵效率最高；对于特定的膨胀机，最优转速、最优膨胀比值基本不随工质、工况而变，其中最优膨胀比与膨胀机的内容积比基本一致。以R245fa为工质，实验确定了本实验台所用膨胀机的定熵效率随工质膨胀比和转速变化的曲线，膨胀机定熵效率最大值约为82%，所对应的膨胀机转速和工质膨胀比分别为800rpm和2左右(该膨胀机的内容积比为1.99)。 注意到以同一实验装置开展不同工质的系统性能对比实验研究时，存在两种不公平因素：(1)工质与实验系统的匹配度因工质而异；(2)系统部件效率对不同工质系统性能的影响存在差异。如果直接以实验结果评价不同工质的系统性能将有失客观性，并影响工质实验优选质量。对此，本文开展了工质实验性能客观对比评价方法的研究，提出了对换热器热流密度和工质泵效率进行校正的改进型对比评价方法。以该方法为指导，对理论ORC系统性能较优的纯工质R245fa、R123、R227ea和R134a，非共沸混合工质MA6、MA3、MD1、MC1和MB8，进行了ORC系统性能实验对比评价研究。结果表明：在ORC系统性能影响规律方面，比净功值受冷、热源条件的影响较大；指定的冷、热源条件下，存在一个最优蒸发温度，使得系统比净功最大；随着冷凝温度的降低，循环的最优蒸发温度值下降，反之亦然。在工质性能对比方面，在热源水进口温度为90oC条件下，当冷凝温度为30oC时，非共沸混合工质MB8、MA3给出的系统比净功最大，分别为10.58kJ/kg、10.79kJ/kg，相应的最优蒸发温度分别为59.2oC、62oC；当冷凝温度为45oC时，非共沸混合工质MC1、MB8给出的系统比净功最大，分别为5.96kJ/kg、5.82kJ/kg，相应的最优蒸发温度分别为71.2oC、71oC。 【关键词】：低温地热发电 循环 工质 循环参数 优化 对比评价 有机朗肯循环 系统性能实验研究
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM616;TK529
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 课题背景11-13
• 1.2 低温地热发电系统研究的意义13-15
• 1.3 低温发电研究任务15
• 1.4 中低温发电系统的研究现状15-25
• 1.4.1 循环研究方面15-23
• 1.4.2 工质研究方面23
• 1.4.3 评价指标方面23-24
• 1.4.4 低温发电研究现状小结24-25
• 1.5 本文主要研究内容25-27
• 第二章 低温地热发电经济性目标函数27-41
• 2.1 系统经济性优化目标函数的提出27-35
• 2.1.1 ηI或ηII作为经济性评价指标的讨论27
• 2.1.2 APR、CR 或 SIC 作为经济性评价指标的讨论27-34
• 2.1.3 LEC 作为经济性评价指标的讨论34-35
• 2.2 (P _(output),net/m _(brine))作为全电站技术经济性优化目标函数的确立35-40
• 2.3 小结40-41
• 第三章 低温地热发电系统循环优化41-83
• 3.1 ORC 与 OTC 的优化研究41-70
• 3.1.1 ORC 与 OTC 系统简介41-42
• 3.1.2 ORC 与 OTC 系统性能分析方法42-44
• 3.1.3 带换热器设计的发电系统仿真模型的建立44-55
• 3.1.4 工质、循环参数对 (P_(output),net/m_(brine))的影响规律55-67
• 3.1.5 工质的选择67-70
• 3.2 ORC 与 OTC 系统技术经济性对比评价研究70-75
• 3.2.1 ORC 与 OTC 系统工质及循环参数的优化71-73
• 3.2.2 ORC 与 OTC 系统性能的对比评价73-75
• 3.3 Kalina 循环优化研究75-80
• 3.3.1 Kalina 循环系统介绍75-76
• 3.3.2 Kalina 循环系统模型76-77
• 3.3.3 计算结果的可靠性验证77-78
• 3.3.4 Kalina 循环系统性能影响因素分析78-80
• 3.4 Kalina 循环与 ORC 系统性能的对比评价80-81
• 3.5 小结81-83
• 第四章 低温地热发电实验系统的改进83-100
• 4.1 实验台的改进方案83-95
• 4.1.1 原有实验系统83-84
• 4.1.2 原有实验系统存在的问题84-88
• 4.1.3 实验台的改进措施88-95
• 4.2 实验台改进后性能分析95-99
• 4.2.1 实验测量参数与测量手段95-96
• 4.2.2 实验误差分析96-97
• 4.2.3 实验操作步骤97-98
• 4.2.4 实验结果分析98-99
• 4.3 小结99-100
• 第五章 涡旋膨胀机性能实验研究100-109
• 5.1 涡旋膨胀机实验性能评价指标100-101
• 5.2 涡旋膨胀机性能实验研究101-108
• 5.2.1 实验目的101
• 5.2.2 实验方式101
• 5.2.3 实验结果分析101-108
• 5.3 小结108-109
• 第六章 低温地热 ORC 发电系统实验研究109-127
• 6.1 实验方案109-110
• 6.2 ORC 系统工质循环性能对比评价方法讨论110-114
• 6.2.1 现行对比评价方法110
• 6.2.2 实验环节存在的不公平因素110-112
• 6.2.3 改进的实验结果对比评价方法112-114
• 6.2.4 改进措施的可行性114
• 6.3 低温地热 ORC 发电系统性能实验114-118
• 6.3.1 实验目的114
• 6.3.2 实验方式114-115
• 6.3.3 实验结果分析115-118
• 6.4 工质实验性能研究118-125
• 6.4.1 实验目的118
• 6.4.2 实验方式118-120
• 6.4.3 基于公平评价方法的实验结果分析120-125
• 6.5 小结125-127
• 第七章 结论与建议127-130
• 7.1 结论127-128
• 7.2 创新点128
• 7.3 建议128-130
• 参考文献130-142
• 符号表142-145
• 发表论文和参加科研情况说明145-149
• 致谢149-150

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