本文關(guān)鍵詞：低溫有機朗肯循環(huán)變工況運行研究

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【摘要】：有機朗肯循環(huán)(ORC)是利用中低溫熱源的重要技術(shù)之一。當前,有機朗肯循環(huán)運行優(yōu)化及機組集成技術(shù)有待發(fā)展和完善。本文針對低溫有機朗肯循環(huán)過程集成關(guān)鍵技術(shù)和核心問題,在低溫熱源條件下開展變工況實驗,獲得有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)輸出特性和關(guān)鍵部件運行特性,提出ORC系統(tǒng)優(yōu)化運行的指示性參數(shù),集成適用于非穩(wěn)定低溫熱源的有機朗肯循環(huán)樣機。建立了完善的有機朗肯循環(huán)實驗系統(tǒng),采用三柱塞泵作為工質(zhì)泵,渦旋膨脹機作為熱工轉(zhuǎn)換設備,R123作為工質(zhì)。在140～160℃熱源條件下,研究ORC變工況運行特性。三柱塞泵具有相對優(yōu)異的實際運行效率,是文獻報道水平的1.5～2.4倍；工質(zhì)泵與膨脹機之間存在耦合關(guān)系；工質(zhì)泵發(fā)生氣蝕會造成工質(zhì)流量顯著偏離和劇烈波動；帶有前置泵的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)能解決工質(zhì)泵氣蝕問題。對比恒定工質(zhì)流量和恒定膨脹機轉(zhuǎn)矩兩種調(diào)節(jié)模式下系統(tǒng)瞬態(tài)特性發(fā)現(xiàn),恒定膨脹機轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模式下系統(tǒng)響應較為平穩(wěn),而恒定工質(zhì)流量調(diào)節(jié)模式下系統(tǒng)響應更為迅速；恒定工質(zhì)流量模式便于調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力,而恒定膨脹機轉(zhuǎn)矩模式便于調(diào)節(jié)膨脹機入口蒸汽過熱度。穩(wěn)態(tài)工況下獲得最大膨脹機軸功為3.45kW,最大熱效率6.29%。膨脹機入口蒸汽過熱度影響膨脹機實際運行效率,存在最佳過熱度(約20℃),對應著最大的膨脹機輸出軸功,以及最大的系統(tǒng)熱效率和(?)效率。開展基于單螺桿ORC系統(tǒng)運行特性實驗,在160℃熱源條件下獲得最大膨脹機軸功5.09 kW,最大熱效率為5.05%。相比渦旋膨脹機,單螺桿膨脹機具有單機功率較大、可在較低壓力下運行等特點,更適用于低溫熱源。提出了兩類無量綱積分溫差作為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)運行優(yōu)化的新指標參數(shù)。在不同熱源溫度下和ORC系統(tǒng)運行參數(shù)下,第一類無量綱積分溫差與蒸發(fā)器比(?)損顯著線性相關(guān)；存在最佳第二類無量綱積分溫差區(qū)間(0.282±0.01),使得膨脹機有最大輸出功,ORC系統(tǒng)有最大熱效率和最大(?)效率。設計并搭建了10 kW級的有機朗肯循環(huán)集成樣機。該樣機采用了單螺桿膨脹機,并集成了遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)。用R245fa作為循環(huán)工質(zhì),在80～120℃C熱源條件下開展實驗,獲得時均膨脹機軸功和系統(tǒng)熱效率分別為7.764 kW、6.11%。在非穩(wěn)定熱源條件下,該集成機組運行穩(wěn)定,為ORC發(fā)電系統(tǒng)應用推廣提供重要數(shù)據(jù)支撐和運行實踐。
【關(guān)鍵詞】：低溫熱源 有機朗肯循環(huán) 實驗研究 變工況運行 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)集成
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK115
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-25
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 有機朗肯循環(huán)研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 有機朗肯循環(huán)熱力學研究15-17
• 1.2.2 有機朗肯循環(huán)實驗研究17-20
• 1.2.3 ORC集成樣機研究20-21
• 1.3 當前研究存在的問題21-23
• 1.4 本課題研究內(nèi)容23-25
• 第2章 低溫有機朗肯循環(huán)實驗系統(tǒng)25-44
• 2.1 引言25
• 2.2 有機朗肯循環(huán)工作原理25-27
• 2.3 實驗系統(tǒng)27-33
• 2.4 有機朗肯循環(huán)回路主要部件33-38
• 2.4.1 工質(zhì)泵33-35
• 2.4.2 膨脹機35-37
• 2.4.3 換熱器37-38
• 2.5 實驗操作38-41
• 2.5.1 前期準備和調(diào)試38-39
• 2.5.2 實驗操作步驟39-41
• 2.6 數(shù)據(jù)處理41-43
• 2.7 本章小結(jié)43-44
• 第3章 有機朗肯循環(huán)工質(zhì)泵運行特性實驗44-64
• 3.1 引言44
• 3.2 三柱塞泵運行特性實驗44-50
• 3.2.1 實驗方法及實驗工況44-45
• 3.2.2 三柱塞泵流量特性45-49
• 3.2.3 三柱塞泵實際運行效率49-50
• 3.3 流量偏離工況下ORC運行特性實驗50-56
• 3.3.1 流量偏離工況下膨脹機運行特性50-53
• 3.3.2 流量偏離工況下ORC系統(tǒng)運行特性53-54
• 3.3.3 熱源溫度對ORC系統(tǒng)性能影響54-56
• 3.4 帶增壓泵的ORC系統(tǒng)工質(zhì)泵運行特性56-62
• 3.4.1 帶有前置泵的ORC工作原理56-57
• 3.4.2 帶有前置泵的ORC實驗系統(tǒng)改造57-59
• 3.4.3 實驗方法及實驗工況59
• 3.4.4 結(jié)果與討論59-62
• 3.5 本章小結(jié)62-64
• 第4章 有機朗肯循環(huán)變工況運行特性實驗64-84
• 4.1 引言64
• 4.2 ORC系統(tǒng)變工況運行動態(tài)特性64-69
• 4.2.1 恒流量模式下膨脹機的動態(tài)響應特性64-67
• 4.2.2 恒轉(zhuǎn)矩模式下膨脹機的動態(tài)響應特性67-69
• 4.3 ORC系統(tǒng)變工運行穩(wěn)態(tài)特性69-73
• 4.3.1 ORC系統(tǒng)輸出性能69-71
• 4.3.2 熱源溫度對膨脹機性能影響分析71-73
• 4.4 膨脹機入口過熱度影響分析73-79
• 4.4.1 實驗方法和實驗工況74-75
• 4.4.2 過熱度對膨脹機性能影響75-77
• 4.4.3 過熱度對ORC系統(tǒng)性能影響77-79
• 4.5 基于單螺桿膨脹機的ORC運行特性實驗79-82
• 4.5.1 單螺桿膨脹機ORC系統(tǒng)改造79-80
• 4.5.2 單螺桿膨脹機ORC運行實驗80-82
• 4.6 本章小結(jié)82-84
• 第5章 蒸發(fā)器積分溫差影響分析84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 換熱器積分溫差定義84-88
• 5.3 積分溫差與蒸發(fā)器(?)損的關(guān)系88-92
• 5.4 第二類無量綱積分溫差與ORC性能關(guān)系92-98
• 5.4.1 第二類無量綱積分溫差與ORC系統(tǒng)輸出性能92-97
• 5.4.2 第二類無量綱積分溫差與ORC系統(tǒng)(?)損分布97-98
• 5.5 本章小結(jié)98-100
• 第6章 有機朗肯循環(huán)樣機集成及運行實驗100-116
• 6.1 引言100
• 6.2 ORC樣機設計和搭建100-106
• 6.2.1 樣機總體設計100-101
• 6.2.2 ORC樣機集成101-104
• 6.2.3 運行監(jiān)測與控制系統(tǒng)104-106
• 6.3 實驗方法和實驗工況106-107
• 6.4 非穩(wěn)定熱源下ORC樣機的瞬態(tài)特性107-109
• 6.5 非穩(wěn)定熱源下ORC樣機穩(wěn)態(tài)特性109-115
• 6.5.1 單螺桿膨脹機輸出性能109-110
• 6.5.2 ORC樣機系統(tǒng)性能110-115
• 6.6 本章小結(jié)115-116
• 第7章 結(jié)論與展望116-120
• 7.1 本論文主要研究結(jié)果和結(jié)論116-118
• 7.2 本論文研究意義及創(chuàng)新點118
• 7.3 未來工作展望118-120
• 參考文獻120-132
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果132-134
• 攻讀博士學位期間參加的科研工作134-135
• 致謝135-136
• 作者簡介136

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本文編號：570879