中低温地热发电系统分析及单螺杆膨胀机试验研究

【摘要】：面对环境和能源问题的日益突出，可再生能源的研究开发非常有必要。在可再生能源之中，地热能与其它能源相比，投资和运营成本低、利用系数高、几乎不受天气和气候的影响、发电稳定等优点，具有很高的应用开发性。而我国的地热资源特点，高温地热资源较少，中低温地热较多且分布广泛。为了充分利用中低温地热资源，可采用中小型的中低温有机朗肯循环地热发电系统。而单螺杆膨胀机具有小型化、良好的输出性能等优点，非常适合中小型的中低温地热发电系统，因此本文进行了中低温地热发电系统分析及单螺杆膨胀机实验研究工作。 本文主要的研究内容为： （1）基于本实验室最新研制的10kW单螺杆膨胀机，结合实验测试的数据和膨胀机的设计参数，利用AspenHysys软件对整个中低温有机朗肯循环地热发电系统进行了模拟计算。对于90~150℃的地热水资源，对于以R123、R245fa、R141b、R142b、R113为工质的地热发电系统，分析了系统热效率、效率、不可逆损失等方面。计算表明，R142b工质计算温度内具有较好的系统系能，但是R142b易燃，蒸发压力较高，安全性和机械密封等要求较高。综合从系统压力和热效率等方面考虑，R123比较适合作为中低温地热发电的工质。 （2）在压缩空气测试实验台基础上进行了深入的探讨和研究，改造优化原来的实验测试系统，原流程上增加了空气加热器等设备，设计和搭建单螺杆膨胀机加热压缩空气实验测试系统。利用60、80、100、120℃加热空气测试了膨胀机性能，对于不同温度下的膨胀机的膨胀比、温降、功率、气耗率、不可逆损失、效率等进行了研究分析。研究表明，同转速下，较高的温度下膨胀机输出功较高，气耗率较小，膨胀比较大，温降较大，效率较大，不可逆损失较小，具有较好的经济性能。 （3）在后期实验中，在加热压缩空气测试试验台基础上改进增加了膨胀机的润滑油路循环，测试了润滑油路循环下膨胀机的性能。通过对80℃有无润滑油循环下的测试结果比较，可知有润滑油循环下膨胀机具有较好的性能，系统的输出功较大，气耗率较低，膨胀比较大，不可逆损失较小，效率较高，系统的经济性较好。分析原因，有润滑油循环情况下较好性能，一方面是由于润滑油对膨胀机内部的密封和润滑性作用；另一方面由于潜在的润滑路的油泵影响了膨胀机的性能。 （4）通过对比120℃的数据和80℃有润滑油循环的数据，膨胀机在80℃有润滑油循环下膨胀机的一些性能，可以达到较高温度下膨胀机的测试性能。对于膨胀机的润滑油路循环的研究，对于膨胀机性能的提升有着重要的意义。 【关键词】：单螺杆膨胀机 地热发电 有机朗肯循环 加热压缩空气
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM616
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 物理量名称及符号表9-11
• 目录11-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 课题研究背景及意义13-16
• 1.1.1 能源与环境问题13-14
• 1.1.2 地热资源的分布特点14-15
• 1.1.3 课题研究意义15-16
• 1.2 国内外相关的研究发展与现状16-21
• 1.2.1 地热利用发电的发展与现状16-17
• 1.2.2 双工质有机朗肯循环发电系统相关研究发展17-19
• 1.2.3 螺杆膨胀机的相关研究工作19-21
• 1.3 课题研究主要内容和目标21-23
• 1.3.1 课题研究内容21
• 1.3.2 课题研究目标21-23
• 第2章 中低温有机朗肯循环地热发电系统的研究23-37
• 2.1 模拟软件介绍23
• 2.2 中低温有机朗肯地热发电系统的流程与热力学分析23-27
• 2.2.1 系统流程简介23-24
• 2.2.2 系统过程的热力分析24-26
• 2.2.4 系统过程的不可逆分析26-27
• 2.3 工质的选择与系统物性参数的确定27-31
• 2.3.1 工质的选取27-30
• 2.3.2 系统参数的确定30
• 2.3.3 物性计算方法的选取30-31
• 2.4 系统的模拟结果与分析31-34
• 2.5 本章小结34-37
• 第3章 单螺杆膨胀机加热空气实验台的搭建37-49
• 3.1 实验系统的概述37-38
• 3.2 实验系统设备介绍38-45
• 3.2.1 单螺杆膨胀机样机38-39
• 3.2.2 空气压缩与加热系统39-41
• 3.2.3 润滑油循环系统41
• 3.2.4 数据测量及采集系统41-44
• 3.2.5 测功系统44
• 3.2.6 其它相关设备44-45
• 3.3 实验系统的搭建45-47
• 3.3.1 实验系统的基础平台45
• 3.3.2 膨胀机及测功系统的安装45-46
• 3.3.3 管路、加热器、仪表等的连接46
• 3.3.4 数据采集系统的连接46-47
• 3.3.5 实验系统的调试47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 单螺杆膨胀机加热压缩空气动力实验49-81
• 4.1 加热压缩空气实验概述49-50
• 4.1.1 加热空气实验研究49-50
• 4.1.2 润滑油路循环实验研究50
• 4.2 实验操作方法50-52
• 4.2.1 实验前准备工作50-51
• 4.2.2 实验中的注意事项51-52
• 4.2.3 实验后的工作52
• 4.3 实验数据处理依据52-54
• 4.4 膨胀机性能实验结果与分析54-77
• 4.4.1 温度 100℃下实验数据分析54-59
• 4.4.2 温度 60、120℃的实验数据对比分析59-65
• 4.4.3 不同测试温度膨胀机性能的分析65-70
• 4.4.4 温度 80℃下有无润滑油循环的数据对比分析70-77
• 4.5 实验测量误差分析77-79
• 4.6 本章小结79-81
• 结论81-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士期间所发表的论文87-89
• 致谢89

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