低温热能发电ORC技术课件.ppt

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1、有机朗肯循环技术,中的几个问题探讨,汇报人：,王辉涛,教授,昆明理工大学冶金节能减排教育部工程研究中心,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,节能减排,是缓解能源及环境危,机的重要举措，,余热回收、太阳能,及,生物质能,的高效利用是节能减排,的重要环节。而利用,300,以下,数量,巨大的中低温余热、太阳能和生物,质能发电则是重点与难点。研究,中,低温热能高效发电技术,，意义重大,。,研究背景,中低温

2、热能发电,的两种主要热力循环,?,水蒸汽朗肯循环,?,有机朗肯循环,(,O,rganic,R,ankine,C,ycles,),ORC,系统,的主要优点：,?,构成简单,;,?,具有较高的效率,;,?,缩小透平尺寸,;,?,简化蒸汽发生器的结构；,?,装机容量可大可小，在几,kW-1,万,kW,范围内均具较高效率,;,?,在寒冷地区的冬季，能最大限度利用冷、热端的温差高效运行,;,?,能使系统中各点的压力均高于或与外界大气压接近，防止空气漏人,;,?,能实现全自动无人值守运行。,研究背景,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,

3、?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,有机工质,蒸汽发生器,工质加压泵,(,一,),单级,ORC,循环,有机朗肯循环原理,低温余热发电,ORC,系统原理图,HRSG,conderser,pump,turbine,waste heat inlet,cooling fluid inlet,cooling fluid outlet,waste heat outlet,motor,3,2,1,4,S,T,4,3,2,1,waste heat,cooling fluid,无排汽回热,措施的,ORC,循环,1,2,

4、2,3,3,4,5,6,6,waste heat inlet,waste heat outlet,pump,conderser,cooling fluid inlet,cooling fluid outlet,turbine,HRSG,internal heat exchanger,motor,cooling fluid,waste heat,1,2,4,5,T,S,3,6,带排汽回热,措施的,ORC,循环,有机朗肯循环原理,需注意回热器,的阻力对透平,性能的影响,有机朗肯循环的冷端可采用,风冷,、,水冷,或,蒸发式冷凝,方式。为了提高有,机朗肯循环的性能,:,?,对于室外空温度低于0的寒冷地

5、区，需采用,风冷,方式；,?,对于室外空气的干球与湿球温度相差较大的地区，宜采用,水冷,方式；,?,对于室外空气的干球与湿球温度相差较大且干旱缺水地区，可采用,异形高效,传热管的蒸发式冷却,方式。,from turbine outlet,(or internal heat exchanger),cooling tower,water circulation pump,water-cooled condenser,receiver,air-cooled condenser,(or internal heat exchanger),from turbine outlet,ventilator,ve

6、ntilator,receiver,水冷冷端,风冷冷端,蒸发式冷凝冷端,有机朗肯循环原理,from turbine outlet,(or internal heat exchanger),cooling tower,water circulation pump,water-cooled condenser,receiver,air-cooled condenser,(or internal heat exchanger),from turbine outlet,ventilator,ventilator,receiver,当热源温度在,200,以上时，,采用,多级复叠机朗肯循环,能获得,较高的

7、效率：,在多级复叠机朗肯循环的顶循环,使用,沸点高,的有机工质，,在多级复叠机朗肯循环的底循环,使用,沸点低,的有机工质。,此外还,可利用,顶循环透平排气进行制冷及,制热,，在一套装置里实现,冷热电联,供,，实现中低温热能的,梯级利用,。,双级,ORC,冷热电联供,有机朗肯循环原理,（二）多级,ORC,及冷热电联供系统,有机朗肯循环原理,以,聚焦太阳能发电两级复,叠,ORC,系统,为例，在使用,Therminol VP-I,导热油,作中间,流体的情况下，其计算结果见,下表：,工质匹配,导热油温,热效率,环己烷,/,丁,烷,293,31.3%,甲苯,/,丁烷,293,32.5%,甲苯,/,丁烷,

8、390,36.0%,当热源温度在,200,以上时，,采用,多级复叠机朗肯循环,能获得,较高的效率：,在多级复叠机朗肯循环的顶循环,使用,沸点高,的有机工质，,在多级复叠机朗肯循环的底循环,使用,沸点低,的有机工质。,此外还,可利用,顶循环透平排气进行制冷及,制热,，在一套装置里实现,冷热电联,供,，实现中低温热能的,梯级利用,。,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,（一）工质选择的注意事项,?,环

9、保性能,尽量选用没有破坏和温室效应低的工质，如,HFC,类、,HC,类、,FC,类碳氢化合物物或其卤代烃,。,?,化学稳定性。,循环热力参数应控制在工质不发生热分解之,范围。,?,工质的安全性。,包括毒性、易燃易爆性、对设备管道,的腐蚀性等。,但要辩证对待工质的可燃性。,?,合适的临界参数、标准沸点及凝固温度。,热源温度较高时，,尽量选临界温度较高的工质。,满足：,pe,max=0.005MPa,循环工质的选择及物性研究,?,液态及气态密度较大。,降低输送泵功，减少管道及设备,尺寸。,?,汽化潜热较大。,H,V,较大，循环效率较高，对于有机工质,来说，,H,V,较大的流体接近于等熵流体。,?,

10、液态定压比热尽量低。,C,pl,越低，饱和液线越接近垂直，,工质的吸热过程也接近等熵线，循环也越接近卡诺循环，,易取得较高效率,。,循环工质的选择及物性研究,?,工质的换热及流动性能。,一般尽量选用对流换热系数高、,粘度较低、流动阻力小的循环工质,。,?,价格、成本要求,。,循环工质应廉价、易购买。换热,设备及管路系统的设计要尽量减少工质的充灌量。,?,工质的选择应在对系统性能进行全面分析与优化的原,则下进行，且不同的评价指标所优选的工质会有不同。,一般，在热源温度较低时，尽量选择干流体或等熵流体，,且以饱和蒸汽进膨胀机，此时单位热源质量流量输出功,率最大。,循环工质的选择及物性研究,此外，应

11、：,（,1,）加大对一些较稳定的自然工质,ORC,系统的开发。,如,CO,2,、甲烷、,NH,3,，尤其是,NH,3,、甲烷，其传热较好、,ORC,系统的压力不高，在热源温度较高时，可以采用较,大的过热度，获得较高的效率。,（,2,）加大对混合工质,ORC,系统的开发。,尤其是加大环保型,非共沸工质、,CO,2,+,环保型有机工质非共沸混合体系的热物性,研究。,（,3,）加大对防工质泄漏技术措施的研究，系统设计应考虑,事故及正常维修情况下工质的回收措施，研究一些性能优越,过渡工质（如,HCFC123),的收集及无害化利用、处理技术。,经研究表明，选用恰当的组元，当混合体系的组,元数超过,3,时

12、，在泡露点间的汽液两相区，混合工质的,比焓与温度间趋于,线性,依变关系，便能最大限度减少,温差传热不可逆损失。因此，使用热力性能优良的,混,合工质,是改善,ORC,系统的重要措施。尤其是在采用风冷,冷端、或冷却介质进出口温差较大的情况下，使用,非,共沸混合工质,可在保证所需传热温差的条件下，减少,温差传热不可逆损失，使系统获得较高的效率。,（二）混合工质热力性质的计算方法,循环工质的选择及物性研究,多元混合工质研究的,重点和难点,在于工质物性,的预测计算。因许多有机工质都是非极性物质，本,项目研究选用通用性很好、国际上研究比较成熟、,形式简单的立方形状态方程,PR,（,PENG-ROBINSO

13、N),方,程,其余热力学导出参数,(,焓、熵、自由能、逸度,),均采用,余函数方程,进行计算,对于混合工质采用,Vander Waals,混合规则，这样便于程序设计和,ORC,系统性能的仿真研究。,循环工质的选择及物性研究,Vander Waals,混合规则,ij,j,i,j,i,m,x,x,?,?,?,?,i,i,i,m,b,x,b,?,?,j,i,ij,ij,a,a,k,),1,(,?,?,?,B,Z,B,Z,b,b,x,B,A,B,Z,Z,b,b,m,i,m,j,ij,j,m,i,i,),2,1,(,),2,1,(,ln,2,2,2,),ln(,),1,(,ln,?,?,?,?,?,?,

14、?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,导出参数,(,其中自由能、比熵、比焓采用余函数方程计算）,1).,逸度系数,Peng-Robinson,状态方程,),(,),(,m,m,m,m,m,m,m,m,m,M,b,V,b,b,V,V,b,V,T,R,P,?,?,?,?,?,?,?,2).,比自由能,m,m,mr,a,a,a,?,?,*,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,B,Z,B,Z,B,A,B,Z,T,R,M,),2,1,(,),2,1,(,ln,2,2,),ln(,3).,比熵,T,a,s,s,s,r,m,m,m,mr,

15、?,?,?,?,?,?,*,B,Z,B,Z,TB,R,P,B,Z,R,M,m,M,),2,1,(,),2,1,(,ln,2,2,),ln(,?,?,?,?,?,?,?,?,?,4).,比焓,),1,(,Z,T,R,S,T,a,h,M,r,m,r,m,r,m,?,?,?,?,?,5).,理想气体,基准参数,),(,*,i,i,i,P,T,s,x,?,?,),(,*,P,T,s,m,0,0,),(,*,ln,),(,0,0,0,P,Px,R,T,dT,C,s,P,T,s,i,M,T,T,P,T,P,i,i,i,i,?,?,?,?,dT,C,h,h,T,T,Pi,T,P,i,i,?,?,?,0,0,

16、0,0,),(,*,循环工质的选择及物性研究,1,1,?,?,?,n,i,i,y,混合工质的汽液相平衡,v,i,i,l,i,i,y,x,?,?,?,),1,(,n,i,?,?,归一化方程，,1,1,?,?,?,n,i,i,x,混合规则中的二元相互作用系数,k,ij,反映了混合物中两种分子间的相互作用及非理想,作用的特性，是混合工质热力性质计算的关键参数，其准确度直接影响到物性计算结果,的精度。一般,k,ij,需由混合工质的大量,pVTx,实验数据采用适当的目标函数和最优化算法得,出，这妨碍了对众多混合工质的研究，降低了热力学的预测能力。为此，对,二元,体系我,们采用,k,ij,的,经验公式,，

17、对,多元,体系采用,k,ij,差值关联模型。,二元混合工质相互作用系数,k,ij,经验公式,2,2,1,cj,ci,Z,Z,cj,ci,cj,ci,ij,T,T,T,T,k,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,多元,(n=3),体系,k,ij,差值关联模型,j),i,(,?,?,?,?,j,i,ji,ij,k,k,k,k,i,F,i,i,n,k,?,?,/,031,.,0,30,.,0,1,.,0,?,?,i,、,j,以正常沸点从低到高为排序依据；,n,F,为氟原子的个数。,对国际上已公布,pVTx,实验数据的混合体系汽液相平衡（,VLE,）的计算结果表明，该,预测方法具体较高

18、的精度，从而,提高了,PR,方程的推算能力,，确保了,ORC,循环性能预测的,可靠性。,循环工质的选择及物性研究,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,（一）螺杆式膨胀机（,Screw expander),膨胀设备的选择,开启式膨胀机外形,半封闭式膨胀机外形,阴阳转子,膨胀设备的选择,螺杆压缩机与膨胀机的区别与联系,膨胀设备的选择,螺杆压缩机工作示意图,膨胀设备的选择,螺杆膨胀机工作示意图,?,技术

19、成熟度高。,其结构与螺杆压缩机完全一致，只是旋,转方向不同。,?,属于容积式膨胀机械（活塞、涡旋、螺杆），,不需要喷嘴、,动叶，机组动力性能受气动特性影响较小，机内流速低，无,余速损失，设计制造比较简单、造价低、低温下的效率可能,比透平机高，螺杆膨胀动力机在工作介质压力大幅波动时,内效率几乎不改变。但当进口工质品质较高、流量较大时，,膨胀效率低于叶片式透平，一般效率在,70%,以内。,?,转速较低，,可以与普通,2,极（,3000rpm)-4,极（,1500rpm),发电,机直联，传动效率较高。,?,因气体流速低，转子转速低，,膨胀机入口可为湿蒸汽、甚,至液态工质，避免了排气过热，适应工况（参

20、数及负荷）变,化能力较强。,膨胀设备的选择,1,螺杆膨胀机,?,螺杆直径,50-630mm,，,单台机组的容量在,10-1500kW,（国内,有,1000kW,的水蒸气螺杆膨胀机应用），比较适合于十千瓦、,百千瓦级的小型,ORC,系统。,?,膨胀机进出口压差控制,=1.5-2MPa,、温度在,250C,以内，,内容积比控制在,5,以内。当工质的体积膨胀比大于,5,时，,应用双级螺杆膨胀或其他类型的膨胀机。,?,螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不,高，机组寿命长，维修费用低，安全可靠性高。,?,螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖,动风机、水泵或压缩机，当带动发电机发电时能

21、承受较,大的冲击负荷。,?,靠间隙密封,可在工作腔喷油，密封性能好。在采,用易燃易爆工质时，系统内压力应高于外界环境压力。,膨胀设备的选择,膨胀设备的选择,Expander outlet,Expander,Generator,Oil,separator,Oil Heater,E,x,p,a,n,d,e,r,i,n,l,e,t,Oil pump,Hot working fluid,Cooled working fluid,喷油润滑,（密封）螺杆膨胀机,（二）向心透平（,Radial inflow turbine),膨胀设备的选择,导叶喷嘴,转子,(,动叶）,IMPELLER,WHEEL AS,T

22、URBINE,ROTOR,PIPE,DIFFUSER,AS,TURBINE,NOZZLE,膨胀设备的选择,多级向心透平,透平,-,电机,单级向心透平与单级轴流透平相比：,(1),级的余速损失和叶轮中的流动损失比较小，可以获得,较高的轮周效率；在小流量情况下表现更加明显，几乎所有,小流量的透平都采用向心式；,(2),向心透平对它的动叶的气动性能要求较低，即使叶片,几何形状加工不精确或者表面不光滑，透平的效率也不会受,太大的影响；,(3),向心透平易利用可调的导叶来实现透平的流量调节，,具有较宽的运行范围。,膨胀设备的选择,膨胀设备的选择,（,4,）向心透平主要在功率较小的范围内适用，,=1000

23、kW,。,（,5,）当透平比转速,0.13,时，透平应设计成向心的。,（,6,）为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将单级压,比控制在,4-6,。,（,7,）向心透平可以获得较高的轮周效率，一般,86%;,日本,曾报告过的,90,。,（,8,）但是小功率的向心透平的轴效率大多较低，因此功,率一般应,=25kW,。高压比、小流量的向心透平一般在,70,-75%,的水平。,（三）轴流透平（,Axial-,flow turbine),膨胀设备的选择,?,一般当容量,=500kW,时，采用轴流透平较有利。,?,在大容量下，轴流透平的效率比其余类型膨胀机的高。,?,为了避免喷嘴超音速产生的损失，一般应将

24、单级压比控制,在,4-6,。,?,当轴流透平内工质的体积膨胀比小于,50,时，采用单级便能,获得,80%,以上的等熵效率，当膨胀比大于,50,时，采用多级轴,流透平。,膨胀设备的选择,（四）涡旋式膨胀机（,Scroll Expander),膨胀设备的选择,轴功范围：,1-10kW,膨胀设备的选择,膨胀设备选择图,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,国际对水的沸腾及凝结相变传热的研究较为成熟，但对数

25、量众多的,有机工,质的相变换热研究相对较少,，因为我们搭建了,有机工质的管内流动沸腾（凝结）,换热实验台,，完成了,R245fa,、,R134a,、,R123,的相变换热实验研究。,（一）传热机理研究,500,(6-1)x400=2000,500,fluid inlet,fluid outlet,hot water inlet,hot water outlet,sealing,thermocouple,sheath thermocouple,insulation layer,water temperature sensor,temperature sensor,inner tube outer

26、 wall,inner tube,outer tube,fluid temperature sensor,有机工质的传热及其强化,有机工质传热实验台,试验段测点布置,蒸发温度为50时管内平均换热系数,随含汽率及质量流速的变化,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,3400,3600,3800,4000,4200,4400,4600,4800,5000,5200,5400,5600,5800,6000,6200,6400,6600,h,i,e,x,p,(,w,m,-,2,k,-,1,),G,=393.2(kg,m,-2,s,-1,),G,=589.8(kg,m,

27、-2,s,-1,),G,=786.3(kg,m,-2,s,-1,),x,i,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,3000,3200,3400,3600,3800,4000,4200,4400,4600,4800,5000,5200,5400,5600,5800,6000,G,=393.2(kg,m,-2,s,-1,),G,=589.8(kg,m,-2,s,-1,),G,=786.3(kg,m,-2,s,-1,),G,=786.3(kg,m,-2,s,-1,),x,i,h,i,e,x,p,(,w,m,-,2,k,-,1,),蒸发温度为60时管内平均换热系数随含汽,率及质量流速的变化,

28、2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,h,i,exp,(w,m,-2,k,-1,),h,i,c,a,l,(,w,m,-,2,k,-,1,),-20%,+20%,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,-10%,+10%,h,i,exp,(w,m,-2,k,-1,),h,i,c,a,l,(,w,m,-,2,k,-,1,),实测流动沸腾换热系数与,CHEN,公

29、式计算值间的误差,实测流动沸腾换热系数与,Liu,Winterton,公式计算值间的误差,2000,3000,4000,5000,6000,7000,2000,4000,6000,8000,10000,12000,14000,16000,18000,20000,22000,h,i,exp,(w,m,-2,k,-1,),h,i,c,a,l,(,w,m,-,2,k,-,1,),-20%,+20%,实测流动沸腾换热系数与,Shah,公,式计算值间的误差,有机工质的传热及其强化,有机流体的传热都比水差很多，尤其是在使用非共沸混合工质,时，必须考虑有机工质的强化传热措施。,为了确保透平进气为干饱和蒸汽，

30、我们常采用,管壳式,蒸汽发生,器，导热油（或其他热流体）走管内，壳程为有机工质。,为了强化有机工质在壳程的池沸腾传热，开发了,三维肋片,GY,管，,肋管外表呈龙鳞形状，如图。,（二）强化传热技术的研发,有机工质的传热及其强化,三维肋片,GY,管,对比在常压下光滑管及,GY,强化,加热管管外,R123,的,池沸腾,，可以发现,GY,管能极大地加强管外,R123,的沸腾,过程,。据初步分析其强化主要机理有,三点：,（,1,）在外肋片与壁面的,23,夹角空间中的,液体会形成,薄液膜沸腾,，液膜表面对气泡生,长、脱离产生抑制作用，使泡底微膜的导热,和蒸发得到加强，沸腾得以强化；,（,2,）根据场协同理

31、论，由于管外壁凹穴前后的,速度场,与,温度梯度场,之间夹角小、协同,程度会更好，使管外沸腾换热得到强化；,有机工质的传热及其强化,（,3,）龙鳞状的三维外肋管表面，,增加了沸腾换热面积,，众多微小凹穴和肋脊表面，,使得,汽化核心,点相应增多，液膜沸腾时壁表面产生气泡数目会增加。随着热流密度的,增大，气泡长大脱离壁面会加快，液体回流冲刷壁面也加快，强化了液体与壁面间的,对流换热。大量气泡上升途中会加剧对液体的扰动流动，强化沸腾换热。,经实验测试，在相同热流密度下，,GY,强化管与光管外的池,沸腾相比，强化倍率为光管的,3.65,倍,左右。,GY,管是一种具有优,良管外沸腾换热性能的强化管，很适合

32、用做低温热能发电,ORC,蒸汽发生器的传热管件。,水平光滑管沸腾换热系数,与热流密度的关系,GY,管沸腾换热系数与热,流密度的关系,有机工质的传热及其强化,（三）高效直接接触式蒸汽发生器的研制,为了进一步提高换热设备的性能和紧凑程度、降低设备造价，在采用高沸点流体作,中间传热流体的情况下，,利用高沸点中间导热流体与有机工质间沸点差别较大的特性,，,采用导热流体,-,有机工质,直接接触式强化换热,措施，可望得到较好的结果。,通过对直接接触式蒸汽发生器性能的测试，结合分散相液滴群在连续相中的气泡动力学研究，,初步得出直接接触式蒸汽发生器容积换热系数比同工况下的管壳式换热器高,50%-70%,。目前

33、，正在,进行,直接接触式换热器的参数优化试验,，争取试制出能用于样机的直接接触式高效蒸汽发生器。,有机工质的传热及其强化,直接接触式强化传热试验台,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,系统优化设计方法,?,单目标优化法,?,系统输出功率,?,单位换热面积输出功率,?,蒸汽发生器紧凑性指标,?,蒸汽发生器单位容积输出功率,?,多目标优化法,?,单位换热面积输出功率,?,蒸汽发生器单位容积输出功率,+

34、,?,经济优化法,?,年度化总成本最小优化法,?,单位成本净利润最大优化法,?,年度化净利润最大优化法,热力系统优化设计方法,（一）单目标优化法,1,）,目标函数,：,?,系统输出功率或总,?,损评价指标,DRAFT,CLWF,cond,INT,TURB,p,HRSG,T,HRSG,sys,I,I,I,I,I,I,I,I,I,EXIT,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,wfan,ctfan,clpump,P,T,sy,s,W,W,W,W,W,W,?,?,?,?,?,?,单位换热面积输出功率评价指标,T,sys,A,W,PA,?,?,蒸汽发生器紧凑性评价指标,V,A,CI,?,?,蒸汽发生

35、器单位容积输出功率评价指标,V,W,PV,sys,?,热力系统优化设计方法,2,）,约束条件,：,为了满足理论及技术上的可行性，同时使独立变量在优化过程中的,取值都在可行域内，热力系统的某些热工参数、流动参数及结构参数必,须满足一定的约束条件。,热工参数的热力学约束条件,:,17,cond,evap,c,T,T,T,T,?,?,?,evap,7,11,T,T,T,?,?,evap,13,T,T,?,cond,T,T,?,9,0,1,int,?,?,?,evap,p,p,?,m,ax,结构参数约束条件,:,mm,7,.,12,2,o,f,f,?,?,?,d,d,h,mm,38,o,?,d,W,m

36、,?,6,f,o,f,2,2,.,1,h,d,s,?,?,200,f,?,n,H,m,?,6,流动参数约束条件,:,a.,蒸汽发生器的预热段管内工质流速：,(m,/s),6,.,0,2,?,?,R,u,b.,蒸汽发生器的蒸发段管内工质流速：,(m,/s),35,.,0,5,.,4,?,?,R,u,c.,蒸汽发生器的过热段管内工质流速：,(m,/s),8,40,?,?,R,u,热力系统优化设计方法,100,110,120,130,140,600,650,700,750,800,850,900,W,net,exit temperature,Evaporation temperature(,),W,

37、s,y,s,(,k,W,),130,132,134,136,E,x,i,t,w,a,s,t,e,t,e,m,p,e,r,a,t,u,r,e,(,),100,110,120,130,140,0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,specific power,exergy efficiency,Evaporation temperature(,),S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),10,12,14,E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),循环效率及单位换热面积输出功率,随蒸发温度的变化

38、,净输出功率及最终排烟温度,随蒸发温度的变化,100,110,120,130,140,4400,4420,4440,4460,4480,4500,4520,4540,4560,4580,4600,pinch point temperature difference,total heat transfer area,Evaporation temperature(,),T,o,t,a,l,h,e,a,t,t,r,a,n,s,f,e,r,a,r,e,a,(,m,2,),60,62,64,66,68,P,i,n,c,h,p,o,i,n,t,t,e,m,p,e,r,a,t,u,r,e,d,i,f,f,

39、e,r,e,n,c,e,(,),总换热面积及余热锅炉夹点温差,随蒸发温度的变化,28,30,32,34,36,38,0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,specific power,exergy efficiency,Condensation temperature(,),S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),10,12,14,E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),循环效率及单位换热面积输出功率,随凝结温度的变化,热力系统优化设计方法,130,140,150,160,170,180

40、,190,0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,specific power,exergy efficiency,Turbine inlet temperature(,),S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),12,13,14,15,16,E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),总换热面积及余热锅炉夹点传热温差,随透平进汽温度的变化,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.13,0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,specific

41、power,exergy efficiency,Mass flow rate ratio,S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),6,8,10,12,14,16,18,E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),循环效率及单位换热面积输出功率,随循环工质,/,烟气流量比的变化规律,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,0.16,0.17,0.18,0.19,specific power,exergy efficiency,i,nt,S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r

42、,(,k,w,/,m,2,),12.8,13.0,13.2,13.4,13.6,13.8,14.0,E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,4200,4300,4400,4500,4600,4700,4800,4900,5000,5100,5200,5300,5400,total heat transfer area,volume of HRSG,i,nt,T,o,t,a,l,h,e,a,t,t,r,a,n,s,f,e,r,a,r,e,a,(,m,2,),70,75,80,85,

43、V,o,l,u,m,e,o,f,H,R,S,G,(,m,3,),循环效率及单位换热面积输出功率,随换热器效能的变化规律,总换热面积及余热锅炉体积,随回热器效能的变化规律,热力系统优化设计方法,14,16,18,20,22,24,12.0,12.2,12.4,12.6,12.8,13.0,13.2,13.4,13.6,13.8,14.0,exergy efficiency,exergy efficiency,t,15,(,),E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),800,820,840,860,880,W,s,y,s,(,k,w,),循环效率及净输出功率,随

44、凝汽器冷却水进口温度的变化,14,16,18,20,22,24,4000,4200,4400,4600,4800,5000,5200,5400,5600,total heat transfer area,specific power,t,15,(,),T,o,t,a,l,h,e,a,t,t,r,a,n,s,f,e,r,a,r,e,a,(,m,2,),0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,0.21,S,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),总换热面积及单位换热面积净输出功率随凝,汽器冷却水进口温度的变化规律,10,20,30,40,50

45、,70,80,90,100,110,120,specific power,volume of HRSG,econ,f,(,片,/m),V,o,l,u,m,e,o,f,H,R,S,G,(,m,3,),0.165,0.170,0.175,0.180,0.185,0.190,0.195,s,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),20,40,60,80,100,120,13.5,13.6,13.7,13.8,13.9,14.0,W,sys,exergy efficiency,econ,f,(,片,/m),E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,

46、y,(,%,),840,860,W,s,y,s,(,k,w,),蒸汽发生器及单位换热面积输出功率,随预热段翅片密度的变化,循环效率及输出功率,随蒸发段翅片密度的变化规律,热力系统优化设计方法,10,20,30,40,50,60,70,80,70,80,90,100,110,120,specific power,volume of HRSG,econ,f,(,片,/m),V,o,l,u,m,e,o,f,H,R,S,G,(,m,3,),0.165,0.170,0.175,0.180,0.185,0.190,0.195,s,p,e,c,i,f,i,c,p,o,w,e,r,(,k,w,/,m,2,),

47、余热锅炉体积及单位换热面积输出功率,随蒸发段翅片密度的变化,0.08,0.09,0.10,0.11,0.12,0.13,0.14,13.6,13.8,14.0,W,sys,exergy efficiency,evapS,f,(m),E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),830,840,850,860,870,880,W,s,y,s,(,k,w,),循环效率及输出功率,随蒸发段管节距的变化,2.0,2.2,2.4,2.6,2.8,3.0,3.2,3.4,3.6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,W,sys,exergy efficiency,w

48、,(m),E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),450,500,550,600,650,700,750,800,850,900,950,W,s,y,s,(,k,w,),4.5,5.0,5.5,6.0,9,10,11,12,13,14,W,sys,exergy efficiency,H,(m),E,x,e,r,g,y,e,f,f,i,c,i,e,n,c,y,(,%,),550,600,650,700,750,800,850,900,W,s,y,s,(,k,w,),循环效率及输出功率,随蒸汽发生器截面宽度的变化,循环效率及输出功率,随蒸汽发生器截面高度的变化,

49、热力系统优化设计方法,（二）多目标优化方法,通常热动系统的评价指标不至一个，需要涉及多个指标。比如同时要,求净输出功率大、热效率高、换热面积小、设备体积小、重量轻、造价低、,运行费用低等。,此时，,对热动系统的优化即是,求解多目标优化问题,。,min,W,W,sys,?,V,W,PV,f,sys,?,?,1,m,ax,A,W,PA,f,sys,?,?,2,max,s,t,线性加权评价函数：,采用方法来计算加权系数,:,1,1,2,2,VF,f,f,?,?,?,?,?,?,?,?,1,2,2,1,1,2,1,1,2,1,2,2,2,f,f,f,f,f,f,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,

50、2,1,1,1,2,2,1,1,2,1,2,2,2,f,f,f,f,f,f,?,?,?,?,?,?,评价函数：,热力系统优化设计方法,Contents,?,研究背景,1,?,中低温热能有机朗肯循环原理,2,?,循环工质的选择及物性研究,3,?,有机工质的传热及其强化,5,?,有机朗肯循环热力系统优化设计方法,6,?,有机朗肯循环样机的研制,7,?,膨胀设备的选择,4,在对循环工质优选热力学、流动与传热特性、系统优化设计等研究的基,础上，在几个国家基金的支持下，我们自行设计并试制了输出轴功率为,15kW,的,生物质燃烧热能发电,ORC,样机,和输出轴功率为,2kW,的,太阳能发电,ORC,样,机