干热岩综合利用系统耦合机理研究

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本文遵循能量梯级利用思想提出了应用于干热岩地热资源的能量综合利用系统,即全流—有机朗肯联合循环系统(Full-flow screw spray system coupled with organic Rankine cycle system, FFORC)和闪蒸—有机朗肯联合循环系统(Single flash system coupled with organic Rankine cycle system, SFORC)。根据地热水出口温度和供热温度的相对大小,FFORC系统可采取电-电-热、电-热和热-电三种运行策略,SFORC系统可采取电-热-电和电-电-热两种运行策略。使用热力学第一定律和第二定律建立了系统的物理模型,并从能效性(净输出功和?效率)、经济性(单位输出功所需换热面积和透平尺寸因子)和适应性(热电比)对系统进行评价。
  在已知地热水出口温度的条件下,分析得出了FFORC系统和SFORC系统不同运行策略所覆盖的供热温度范围。筛选出R245fa、R236fa、R123、R245ca、正戊烷、R134a、R227ea、R21和R114共9种纯工质作为候选工质,计算得出了在ORC子系统所有热源进出口温度范围内以净输出功、?效率、单位净输出功所需换热面积(The ratio of heat transfer area to unit net output work, APR)和透平尺寸因子(Turbine size factor, SF)为优化目标的最佳工质选择方案。
  分析了FFORC系统和SFORC系统不同运行策略下控制变量对系统运行的影响,并对其进行优化,比较了在相同供热温度下不同运行策略的最佳性能。结果发现,FFORC系统电-电-热策略具有更高的净输出功、?效率以及更低的APR值;电-热策略的热电比最高;热-电策略供热温度最高,热电比调节范围最大,对需求侧的适应性更高。SFORC系统的电-电-热策略供热温度范围更大,APR值更低,热电比更高;电-热-电策略净输出功率更大,SF值更低,且热电比可调节范围更大。
  分析了地热水出口温度和干度对系统最佳性能的影响规律,并对比了FFORC系统和SFORC系统的性能表现。地热水出口温度上升使系统供热温度范围增大,净输出功和?效率增大,APR和SF值降低。地热水出口干度上升对系统净输出功、APR和SF的影响与地热温度相同。干度增加使FFORC系统的最大?效率增大,然而使SFORC系统的最大?效率降低。FFORC系统相比SFORC系统具有更高的?效率和更低的SF值。但在净输出功和APR方面,SFORC系统优于FFORC系统。从供热温度来看,FFORC系统在较低的供热温度范围内具有更优的综合性能,而SFORC系统在较高的供热温度范围内综合性能更优。
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