低品位能源利用熱力學基礎及評價

劉朝 公茂瓊 李友榮 吳雙應 董學強

摘 要：我國具有豐富的低品位能源，如中低溫余熱能，利用有機朗肯循環(huán)（ORC）將這些低品位能源轉換為功，對提高我國的能源利用率和改善環(huán)境問題具有重要的意義。 研究工作進展順利，取得了如下成果： 提出了一種跨臨界和亞臨界有機朗肯循環(huán)耦合系統(tǒng)。對比單級跨臨界ORC系統(tǒng)，耦合系統(tǒng)具有較高的熱效率和較大的凈輸出功，中間耦合換熱器的節(jié)點溫差對系統(tǒng)熱效率和凈輸出功具有重要影響。增設預熱器后，雖然熱效率有所降低，但其凈輸出功增加較多。 以凈輸出功、熱效率和發(fā)電成本為性能指標對八種非共沸混合工質在不同成分配比下的系統(tǒng)性能進行了分析和對比。結果表明，混合工質濃度對系統(tǒng)熱效率、凈輸出功和發(fā)電成本具有重要影響，可能存在一個最佳濃度比使系統(tǒng)凈輸出功或熱效率最大。計算還發(fā)現(xiàn)，混合工質系統(tǒng)經濟性相對于純工質系統(tǒng)并沒有優(yōu)勢。 基于熱經濟學原理，建立了亞臨界ORC系統(tǒng)的多目標優(yōu)化模型，優(yōu)化了相關運行參數(shù)及工作流體的選擇；研究了在不同熱源溫度條件下的亞臨界ORC系統(tǒng)利用不同臨界溫度的有機工質時，系統(tǒng)凈功、火用效率及電能產出成本與煙氣出口溫度的對應關系。結果表明，采用不同的性能指標對有機朗肯循環(huán)優(yōu)化所得優(yōu)化結果不相同，對ORC系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化，可以較好地“協(xié)調”各性能指標間的關系，使所要求的各項指標均能達到較優(yōu)；存在最佳煙氣出口溫度使系統(tǒng)凈功最大和電能產出成本最低，但最佳煙氣出口溫度總是低于最低允許排煙溫度，而系統(tǒng)火用效率始終隨煙氣出口溫度增加而增大。 對熱源進行了分類。理論和數(shù)值模擬兩方面都表明：對于耦合第一類低品位熱源的ORC，以凈功為目標，要求工質具有較高的液體比熱和較低的蒸發(fā)潛熱；對于耦合第二類熱源的ORC，期望采用具有較低液體比熱和較高蒸發(fā)潛熱的工質，使系統(tǒng)熱效率（凈功）較高。 針對氫氟烴和烴等組成的二元共沸、非共沸混合工質的在不同冷源條件下的亞臨界ORC循環(huán)性能分析，得到某些組分下的混合物的循環(huán)性能。并闡明了二元混合物組元沸點差、配比、冷源溫升與ORC循環(huán)之間的匹配關系；設計并搭建了混合物的汽液相平衡實驗臺、高精度流體密度測量裝置，揭示了多元混合物系p-ρ-T-x 特性和相平衡特性，獲得了高精度物性數(shù)據(jù)及相關理論預測模型；初步開展了混合工質關鍵組元的高溫相平衡實驗研究，模擬結果與文獻實測數(shù)據(jù)有很好的一致性。

關鍵詞：低品位能量 熱力學 循環(huán) 工質 熱經濟學