低溫?zé)崮苡袡C(jī)物發(fā)電系統(tǒng)熱力研究

劉振興

摘 要：本文以有機(jī)物朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，闡述了工質(zhì)的性質(zhì)，主要圍繞工作壓力、飽和蒸汽密度和環(huán)保元素等方面展開論述。通過對工質(zhì)熱力性質(zhì)的研究，闡釋了有機(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)地構(gòu)建機(jī)制。

關(guān)鍵詞：熱能有機(jī)物；發(fā)電系統(tǒng)；工質(zhì)；熱力

1 引言

ORC即有機(jī)物朗肯循環(huán)，是一種閉式朗肯循環(huán)，工質(zhì)為低沸點(diǎn)有機(jī)物，如氟利昂等。該類低沸點(diǎn)有機(jī)物能在較低的溫度環(huán)境下高效地利用熱能。因此，該循環(huán)系統(tǒng)具有蒸發(fā)溫度低、熱效率高、冷凝溫度低及設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是一種高效的低溫?zé)崮苡袡C(jī)物發(fā)電系統(tǒng)。對于該ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來說，工質(zhì)的選擇十分重要，只有滿足了其熱力性質(zhì)，才能保證系統(tǒng)良好地運(yùn)行。此外，在構(gòu)建ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的過程中，要科學(xué)地處理和計(jì)算各個參數(shù)。

2 ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)物工質(zhì)分析

2.1 有機(jī)物工質(zhì)性質(zhì)分析

有機(jī)物工質(zhì)是一種節(jié)能型、高效型的媒介，具有鮮明的壓力特征和屬性特點(diǎn)。特別是壓力承受度，其作為主要的壓力特征，是判斷工質(zhì)指標(biāo)的重要依據(jù)。

（1）壓力特征，特別是工質(zhì)的選擇。科學(xué)的工質(zhì)是ORC循環(huán)系統(tǒng)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，必須重視工質(zhì)的選擇，在選擇工質(zhì)之前，要對備選工質(zhì)的壓力承受度進(jìn)行準(zhǔn)確的評估。由于ORC循環(huán)系統(tǒng)是一種低溫型的熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)，在選取100℃以下的熱能時(shí)，水不適合作為工質(zhì)，會造成發(fā)電系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)。若用水作為工質(zhì)，發(fā)電系統(tǒng)需要有更高的密封工藝。因此，無論是從熱能率上，還是從發(fā)電系統(tǒng)的工藝要求方面，選用水作為工質(zhì)是不科學(xué)的。發(fā)電系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)的選擇要以系統(tǒng)功率為基礎(chǔ)。如果工質(zhì)的工作壓力超過發(fā)電系統(tǒng)的功率需求，就會降低系統(tǒng)的熱能利用率，增加系統(tǒng)管道壁的厚度，從而增加系統(tǒng)的成本造價(jià)，也使得管道的熱能損耗大大增加。這與ORC循環(huán)系統(tǒng)的高效性原則相違背。同時(shí)，當(dāng)工質(zhì)的工作壓力過高時(shí)，就會造成發(fā)電系統(tǒng)的很多設(shè)備處于超負(fù)荷的工作狀態(tài)，例如轉(zhuǎn)換器，當(dāng)其處于超負(fù)荷工作狀態(tài)時(shí)，會大大增加自損能量的消耗，從而降低系統(tǒng)地整體工作效率。因此，在構(gòu)建ORC循環(huán)系統(tǒng)的過程中，要根據(jù)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)需要，合理地選擇與工作壓力相應(yīng)的工質(zhì)。

（2）工質(zhì)的干濕。有機(jī)工質(zhì)的干濕程度，通過飽和蒸汽度表示。采用飽和蒸汽線的斜率表示工質(zhì)的干濕，可以提高控制的有效性。飽和蒸汽線是指在S-T下，T隨S變化的曲線。根據(jù)曲線的變化程度，就可以直觀地表現(xiàn)出工質(zhì)的干濕程度。當(dāng)該曲線的曲率接近零時(shí)，表明工質(zhì)為絕熱工質(zhì)；當(dāng)曲線的曲率低于零時(shí)，則表明工質(zhì)為濕工質(zhì)；反過來，曲線曲率大于零時(shí)，工質(zhì)為干工質(zhì)。ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)更適合采用干工質(zhì)。當(dāng)ORC發(fā)電系統(tǒng)熱能較小時(shí)，容易導(dǎo)致機(jī)輪發(fā)生膨脹，進(jìn)而損害工質(zhì)。此外，機(jī)輪若長期工作在濕工質(zhì)環(huán)境下，會縮短使用壽命，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。而干工質(zhì)與濕工質(zhì)不同，其在人能的影響下能夠有效控制膨脹范圍，避免出現(xiàn)膨脹幅度過大的現(xiàn)象，進(jìn)而也避免了干工質(zhì)超出過熱區(qū)的問題。將水或含氫鍵的有機(jī)物摻入干工質(zhì)中，可以大大增加工質(zhì)的工作壓力，從而使系統(tǒng)地功率增大。

2.2 有機(jī)物工質(zhì)的環(huán)保性能

ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)作為低溫型熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)，在性能上要注重突出高效節(jié)能的特點(diǎn)，尤其是環(huán)保性能。干工質(zhì)在工作的過程中，會破壞臭氧層，造成溫室效應(yīng)。因此，要嚴(yán)格控制工質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)。與此同時(shí)，要密切關(guān)注工質(zhì)的熱穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 ORC循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建

在構(gòu)建ORC循環(huán)系統(tǒng)的過程中，首先要明確系統(tǒng)地工作原理，特別是循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)模型的構(gòu)建。發(fā)電系統(tǒng)模型的構(gòu)建是ORC循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.1 ORC循環(huán)系統(tǒng)地?zé)崃υ?/p>

工質(zhì)是循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介，其主要在膨脹條件下通過平移做功，并在冷凝器中釋放熱能。工質(zhì)的運(yùn)動能力由泵提供，低溫?zé)崮苡晒べ|(zhì)吸收。在做功的過程中，工質(zhì)經(jīng)歷了加熱、沸騰的循環(huán)過程。由此看來，ORC循環(huán)系統(tǒng)能夠回收利用系統(tǒng)地余熱，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。

3.2 ORC循環(huán)系統(tǒng)的功率

系統(tǒng)內(nèi)耗和透平做功決定ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。工質(zhì)對熱能的吸收量直接影響著系統(tǒng)地?zé)崮苻D(zhuǎn)化率。泵是系統(tǒng)內(nèi)耗最大的設(shè)備，因此，在構(gòu)建循環(huán)系統(tǒng)的過程中要加強(qiáng)對泵的控制。

3.3 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算

重要的參數(shù)包括機(jī)輪的膨脹比值、泵的控制參數(shù)以及管道的散熱控制等。機(jī)輪的膨脹比值主要根據(jù)機(jī)輪的進(jìn)出口壓力比值進(jìn)行計(jì)算。通過反復(fù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工質(zhì)的蒸汽溫度應(yīng)該控制在80℃左右，工質(zhì)的透平工作效率應(yīng)該控制在0.8左右。泵是循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)耗的主要部分，因此，其參數(shù)的控制也非常重要。泵的控制參數(shù)的計(jì)算以變頻方式為主。管道的散熱控制要根據(jù)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，把握好管道的厚度，從而優(yōu)化系統(tǒng)的成本控制。

4 結(jié)語

對于ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來說，工質(zhì)的性能十分重要。工質(zhì)在循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中占有關(guān)鍵的地位，其實(shí)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介，有機(jī)物工質(zhì)的性質(zhì)不同會產(chǎn)生不同的熱能。ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用不同的有機(jī)物工質(zhì)模式，可以使能量多級利用，能夠回收利用系統(tǒng)的余熱，具有高效節(jié)能的特點(diǎn)。

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