千瓦级ORC系统多工况特性实验及仿真研究

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有机朗肯循环系统(ORC)可以回收利用中低温余热实现节能减排。在非设计工况下,ORC系统运行特征受到多种循环参数的影响。循环参数根据约束条件可以分为两类,一类为外部参数其由自身条件所决定,如环境温度、工质质量流量等,另一类为内部参数其响应于多种条件的选择,如蒸发压力、膨胀机压降等。在实际运行过程中,由于外部参数常因外界因素而改变,如热源温度由于余热资源的浮动性而发生波动,因此有必要评估这些参数对系统性能的影响。本文通过改造现有有机朗肯循环实验台,选择导热油锅炉作为热源,研究了热源温度以及冷却水流量两种外部参数对系统性能的影响规律。在ORC实验台中,以R123为有机工质,分别改变热源温度以及冷却水流量进行多变量实验研究。结果显示如下,热源温度对蒸发器出口温度具有显著影响,而冷凝器进出口温度更受冷却水流量的影响。蒸发压力随热源温度升高而增大,冷凝压力随冷却水流量增加而降低。因此,热源温度的升高、冷却水流量的增加均有利于提高系统性能。在工质质量流量为0.025kg/s情况下,当冷却水流量增加20.9%时,热效率提高了18.8%;当热源温度增加33.3%时,热效率了提高39.2%。随着冷却水流量的变化,系统最大热效率为8.27%、最大发电效率为2.46%。随着热源温度的变化,系统最大热效率为8.21%、最大发电效率为2.48%。为研究ORC系统在非设计工况下的运行情况,本文在热力学分析的基础上对ORC系统各设备建立数学模型。为得到正确的模拟结果首先需确保模型能准确无误地反映实际运行工况。验证模型有效性时,通过在模型中输入与实验相同的工况参数输出模拟结果,并与实验结果进行比对。由模拟量与实测值的对比分析可知,最大相对误差不超过15%。由于膨胀后的低压乏气仍具有可观的热能,为提高系统利用效率,本文利用冷凝器排热作为建筑供热的热源,并基于TRNSYS平台搭建ORC供热系统。以拉萨市某住宅为例进行供热仿真,系统运行过程中通过温差控制器调节室内温度。在供暖季中,住宅温度最高为24℃,最低为18.11℃,达到供暖标准,说明此系统能够满足供热需求。采暖供回水温度平均为50.39℃/45.45℃,蓄热水箱平均温度为52.24℃足以提供生活热水。在一百二十天运行过程中,循环净功、热效率变化范围分别为1.83k~2.49k W、8.4%~9.97%,平均值为1.96k W以及8.80%,系统总发电量为5633.8k W·h。
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