中低溫地?zé)釤犭婑詈侠孟到y(tǒng)優(yōu)化研究.pdf

1、我國擁有豐富的地?zé)崮苜Y源，但以低于100℃的中低溫?zé)崴唾Y源為主；能源的品位，決定了其利用方式以直接供熱為主。然而盡管資源溫度水平較低，在不少應(yīng)用中仍存在地?zé)崴M(jìn)口溫度明顯高于供熱溫度、以及地?zé)嵛菜欧?回灌溫度較高的問題，影響了資源的利用效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。針對這一問題，本文提出了一種新型利用技術(shù)系統(tǒng)-熱電耦合利用技術(shù)系統(tǒng)，其特征是在常規(guī)熱利用系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入一個背壓式發(fā)電子系統(tǒng)，以期減小大溫差傳熱造成的可用能損失，在基本不減少供熱量、

2、保證供熱需求的基礎(chǔ)上，產(chǎn)出一部分高品位能-電能；加入一個熱泵子系統(tǒng)，以期充分利用尾水所含熱能。新技術(shù)系統(tǒng)的可用能效率、熱效率、地?zé)崮芾寐拭黠@高于常規(guī)系統(tǒng)，適用于地?zé)豳Y源溫度明顯高于供熱需求溫度的應(yīng)用情形。
　　 建立了結(jié)合熱源和供熱參數(shù)、基于窄點(diǎn)分析的系統(tǒng)仿真模型，開展了以發(fā)電子系統(tǒng)凈輸出功率與熱泵子系統(tǒng)壓縮機(jī)輸入功率之比(PPR)最大為總優(yōu)化目標(biāo)、以發(fā)電子系統(tǒng)單位質(zhì)量流量地?zé)崴畠舭l(fā)電功率(Pnet/mhw)最大為發(fā)電子系統(tǒng)優(yōu)

3、化目標(biāo)，以發(fā)電子系統(tǒng)動力循環(huán)、工質(zhì)、循環(huán)參數(shù)為具體優(yōu)化變量的理論優(yōu)化研究。結(jié)果表明：有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)和跨臨界有機(jī)朗肯循環(huán)(Trans-critical Organic Rankine Cycle，跨臨界ORC)均可作為背壓式發(fā)電子系統(tǒng)的動力循環(huán)；工質(zhì)、循環(huán)參數(shù)的選擇，對基于兩類循環(huán)的熱電耦合技術(shù)系統(tǒng)的性能均有重要影響，指定工況下，兩類系統(tǒng)各有其最優(yōu)工質(zhì)、最優(yōu)循環(huán)參數(shù)；膨脹部件及工質(zhì)泵效率

4、值，對兩類熱電耦合系統(tǒng)的性能優(yōu)序具有重要影響。給出了在地?zé)崴M(jìn)口溫度為90℃、供熱水/回水溫度為45/35℃的典型工況下兩類系統(tǒng)的最優(yōu)工質(zhì)、最優(yōu)循環(huán)參數(shù)、和最優(yōu)性能。當(dāng)膨脹部件及工質(zhì)泵效率值分別取60％和70％時，ORC系統(tǒng)純質(zhì)C5F12、非共沸混合工質(zhì)R152a/245ca(70/30wt％)，跨臨界ORC系統(tǒng)純質(zhì)R125、非共沸混合工質(zhì)CO2/143a(20/80wt％)在其各自的最優(yōu)循環(huán)參數(shù)下，給出的理論P(yáng)PR值分別為20％、29

5、％，19％以及22％。發(fā)現(xiàn)當(dāng)膨脹部件效率及工質(zhì)泵效率值分別不大于60％和70％時，基于ORC的熱電耦合系統(tǒng)給出較基于跨臨界ORC的熱電耦合系統(tǒng)更高的PPRmax；而當(dāng)膨脹部件效率及工質(zhì)泵效率值同時分別高于60％和70％時，基于跨臨界ORC的熱電耦合系統(tǒng)給出較基于ORC的熱電耦合系統(tǒng)更高的PPRmax。
　　 設(shè)計、建立了中低溫地?zé)釤犭婑詈侠眉夹g(shù)實驗系統(tǒng)。通過改裝汽車空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)，研制得到了發(fā)電子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件-渦旋式膨脹機(jī)

6、，并獲得較高的定熵效率；采用兩臺渦旋式膨脹機(jī)并聯(lián)，很好地滿足了實驗裝置的容量要求；通過選配恰當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)/潤滑油濃度，保證了渦旋式膨脹機(jī)的平穩(wěn)、可靠運(yùn)行。以R245fa為發(fā)電子系統(tǒng)工質(zhì)，實驗考察了基于ORC和渦旋膨脹機(jī)的熱電耦合利用技術(shù)系統(tǒng)的性能隨蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，膨脹機(jī)定熵效率和最優(yōu)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，和熱電耦合系統(tǒng)在蒸發(fā)器進(jìn)口水溫87～90℃、冷凝溫度31～45℃的實驗工況范圍內(nèi)及發(fā)電機(jī)允許的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，膨脹機(jī)的定熵效

7、率、發(fā)電子系統(tǒng)P/mhw、和熱電耦合系統(tǒng)的PPRmax數(shù)值范圍。結(jié)果表明：膨脹比-渦旋膨脹機(jī)內(nèi)容積比的相對關(guān)系，轉(zhuǎn)速，是影響渦旋膨脹機(jī)定熵效率的兩個主要因素；相同蒸發(fā)溫度下，膨脹機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)速隨冷凝溫度升高而降低；給定蒸發(fā)器進(jìn)口水溫及冷凝溫度下，存在一個最優(yōu)蒸發(fā)溫度-膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速組合，使得發(fā)電子系統(tǒng)的P/mhw、熱電耦合系統(tǒng)的PPR最大；給定蒸發(fā)器進(jìn)口水溫，冷凝溫度的升高會導(dǎo)致最優(yōu)蒸發(fā)溫度升高和P/mhw、PPRmax值減小。實驗工況范圍內(nèi)及