中低溫地?zé)崮茈p吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】：化石能源的日益枯竭推動(dòng)了可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，其中以有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)（Organic Rankine Cycle, ORC）和Kalina循環(huán)系統(tǒng)為代表的雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。對(duì)于中低溫?zé)崮?，由于氨水工質(zhì)的變溫相變特性使得Kalina循環(huán)的性能優(yōu)于ORC循環(huán)。在中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中，Kalina發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)的排水溫度（高于80℃）較高，熱源未被充分利用。采用第二類(lèi)吸收式熱泵回收發(fā)電后地?zé)嵛菜臒崃?，可以降低地?zé)嵛菜呐欧艤囟炔⑾鄳?yīng)提高系統(tǒng)凈發(fā)電功率，故將Kalina循環(huán)與第二類(lèi)吸收式熱泵耦合形成雙吸收Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。 本文針對(duì)Kalina (KCS34和KCS11)、ORC等循環(huán)模式，在確立以系統(tǒng)的凈發(fā)電功率、熱效率和火用效率作為發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，以實(shí)現(xiàn)中低溫地?zé)豳Y源充分利用為目的。采用了參數(shù)優(yōu)化分析方法，對(duì)不同系統(tǒng)的循環(huán)形式與循環(huán)參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化，得出適用范圍內(nèi)的最佳性能參數(shù)，以提高系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。 此外，著眼于拓展中低溫地?zé)豳Y源的適用范圍，改進(jìn)中低溫發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)形式，并提出雙吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)。以單位地?zé)崴l(fā)電功率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用敏感性分析法和參數(shù)分析法分別對(duì)熱源溫度、冷源溫度、氨水濃度、流量、循環(huán)倍率等參數(shù)對(duì)吸收升溫性能的影響進(jìn)行了分析和研究。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建吸收升溫實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵部件性能和系統(tǒng)性能開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。其中，主要從系統(tǒng)的傳熱特性和吸收升溫性能，對(duì)不同工況下仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出的循環(huán)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。驗(yàn)證雙吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)的可行性，并為雙吸收Kalina循環(huán)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化分析基礎(chǔ)。主要結(jié)論： （1）在Kalina發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)中，氨水濃度和汽輪機(jī)入口壓力在一定冷、熱源條件下存在最佳匹配關(guān)系。循環(huán)系統(tǒng)凈發(fā)電功率與熱源溫度和冷源溫度有著密切的關(guān)系；冷凝溫度升高使得汽輪機(jī)出口壓力呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。當(dāng)冷卻水溫度較高時(shí)，Kalina循環(huán)中的低溫回?zé)崞髯饔貌⒉幻黠@。 （2）對(duì)于ORC發(fā)電循環(huán)，隨著熱源溫度的升高，工質(zhì)的最佳蒸發(fā)溫度逐步提高，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力也隨之升高。熱源溫度高于100℃時(shí)，KCS34循環(huán)發(fā)電性能優(yōu)于ORC循環(huán)，而KCS34循環(huán)的工作壓力是ORC循環(huán)的3.5倍左右。 （3）雙吸收Kalina發(fā)電循環(huán)凈發(fā)電功率比Kalina循環(huán)高8%。雙吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和凈發(fā)電功率都隨著發(fā)生壓力的變化而存在最優(yōu)值。當(dāng)熱源溫度為122℃，冷源溫度為25℃時(shí)，最佳濃度和汽輪機(jī)入口壓力分別為0.7和46bar。吸收升溫中的蒸發(fā)壓力在10~20bar范圍內(nèi)對(duì)雙吸收Kalina循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電性能影響較小。 （4）在吸收升溫裝置中，冷、熱源溫度的變化對(duì)于吸收升溫裝置的影響程度分別為10%、9.8%和6%。吸收器管內(nèi)流體的流態(tài)為湍流時(shí)，吸收器的吸收能力較好。根據(jù)吸收升溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，冷凝器火用損失最大，依次是蒸發(fā)器、吸收器，火用損失最小的是發(fā)生器。 （5）吸收升溫裝置中吸收器的傳熱系數(shù)要低于理論設(shè)計(jì)值，在260~340W/m2·K之間。吸收升溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，但溫升能力相差6℃左右，且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)高壓和低壓部分的壓差要比模擬結(jié)果小3bar左右。 【關(guān)鍵詞】：雙吸收Kalina循環(huán) 氨水混合工質(zhì) 熱力學(xué)優(yōu)化 敏感性分析 火用分析 有機(jī)朗肯循環(huán)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TK521
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)發(fā)展13-14
• 1.3 中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀14-20
• 1.3.1 Kalina 循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)14-15
• 1.3.2 Kalina 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)發(fā)展概況15-17
• 1.3.3 中低溫地?zé)岚l(fā)電循環(huán)系統(tǒng)比較17-19
• 1.3.4 Kalina 循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)方向19-20
• 1.4 采用氨水工質(zhì)的制冷/制熱系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀20-21
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容及方法21-23
• 第二章 Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)優(yōu)化23-41
• 2.1 Kalina 循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)介紹23-27
• 2.1.1 Kalina 循環(huán)原理23-24
• 2.1.2 Kalina 循環(huán)優(yōu)點(diǎn)24-27
• 2.2 Kalina 循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型27-31
• 2.2.1 基本控制方程27-29
• 2.2.2 循環(huán)參數(shù)29-30
• 2.2.3 仿真計(jì)算流程30-31
• 2.3 Kalina 循環(huán)系統(tǒng)性能分析31-40
• 2.3.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境工況對(duì)系統(tǒng)性能影響32-35
• 2.3.2 氨質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)性能影響35-36
• 2.3.3 汽輪機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能影響36-38
• 2.3.4 汽輪機(jī)出口干度對(duì)系統(tǒng)性能影響38-39
• 2.3.5 部件不可逆損失對(duì)系統(tǒng)性能影響39-40
• 2.4 本章小結(jié)40-41
• 第三章 地?zé)岚l(fā)電不同循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化及對(duì)比分析41-55
• 3.1 KCS34 與 ORC 循環(huán)性能對(duì)比分析41-47
• 3.1.1 ORC 系統(tǒng)原理41-42
• 3.1.2 ORC 系統(tǒng)仿真模型42
• 3.1.3 KCS34 與 ORC 系統(tǒng)性能的對(duì)比42-47
• 3.2 KCS34 與 KCS11 循環(huán)性能對(duì)比分析47-53
• 3.2.1 KCS11 系統(tǒng)原理47-48
• 3.2.2 KCS11 系統(tǒng)仿真模型48-49
• 3.2.3 KCS34 與 KCS11 系統(tǒng)性能的對(duì)比49-53
• 3.3 本章小結(jié)53-55
• 第四章 雙吸收Kalina循環(huán)熱力學(xué)性能優(yōu)化55-75
• 4.1 雙吸收 Kalina 循環(huán)55-58
• 4.2 雙吸收 Kalina 循環(huán)仿真模型58-60
• 4.3 雙吸收 Kalina 循環(huán)系統(tǒng)性能分析60-74
• 4.3.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境工況對(duì)系統(tǒng)性能影響62-65
• 4.3.2 氨質(zhì)量濃度對(duì)系統(tǒng)性能影響65-66
• 4.3.3 汽輪機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能影響66-67
• 4.3.4 蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)性能影響67-70
• 4.3.5 吸收器對(duì)升溫性能影響70-72
• 4.3.6 汽輪機(jī)出口干度對(duì)系統(tǒng)性能影響72-73
• 4.3.7 換熱面積對(duì)比與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)73-74
• 4.4 本章小結(jié)74-75
• 第五章 吸收升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建75-95
• 5.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算75-81
• 5.1.1 系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的確定76-77
• 5.1.2 換熱面積計(jì)算77-81
• 5.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建81-92
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)81-88
• 5.2.2 附屬設(shè)備與測(cè)試儀器88-92
• 5.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)92
• 5.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟92-94
• 5.5 本章小結(jié)94-95
• 第六章 吸收升溫系統(tǒng)熱力性能實(shí)驗(yàn)研究95-116
• 6.1 吸收升溫性能實(shí)驗(yàn)研究95-104
• 6.1.1 動(dòng)態(tài)環(huán)境工況對(duì)升溫性能影響95-99
• 6.1.2 氨水濃度對(duì)升溫性能影響99-100
• 6.1.3 影響因素規(guī)律與敏感性分析100-104
• 6.2 吸收器內(nèi)傳熱過(guò)程分析104-108
• 6.2.1 雷諾數(shù)影響分析104-106
• 6.2.2 傳熱系數(shù)影響分析106-108
• 6.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)火用損失分析108-110
• 6.4 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析110-115
• 6.4.1 吸收器溫升對(duì)比110-111
• 6.4.2 吸收器循環(huán)倍率對(duì)比111-112
• 6.4.3 吸收升溫系統(tǒng)壓力對(duì)比112-113
• 6.4.4 系統(tǒng)性能誤差分析113-115
• 6.5 本章小結(jié)115-116
• 第七章 結(jié)論和建議116-120
• 7.1 結(jié)論116-117
• 7.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)117-119
• 7.3 對(duì)后續(xù)工作的建議119-120
• 參考文獻(xiàn)120-128
• 符號(hào)表128-130
• 發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明130-132
• 致謝132-133

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