有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化與軸流式汽輪機性能研究.pdf

1、隨著能源需求的增加和化石燃料儲量的減少，合理利用各類可持續(xù)能源和工業(yè)余熱等低品位廢熱越來越受到重視，有機朗肯循環(huán)(ORC)是一種回收低品位熱能的有效方式。本文圍繞ORC，主要研究內容包括:系統(tǒng)的參數(shù)分析與優(yōu)化、系統(tǒng)關鍵設備軸流式汽輪機的熱力設計與優(yōu)化。
　　基于熱源與有機工質換熱過程的能量方程，通過對換熱過程冷側和熱側溫差的求導分析，得到窄點溫差位置隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，建立起熱源與有機工質的換熱模型。模型顯示，窄點溫差位置可由熱

2、源入口溫度和一個工質物性復合而成的特性溫度確定。當熱源溫度大于工質特性溫度，窄點溫差位于有機工質蒸發(fā)器入口溫度處;當熱源溫度小于工質特性溫度，窄點溫差位于工質蒸發(fā)溫度處。
　　依據(jù)建立的熱源與有機工質換熱模型，利用近似熱力學公式和ORC基本模型，建立ORC系統(tǒng)的熱力學理論分析模型。基于此理論模型，分析蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度和中間換熱器以及熱源溫度對系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率的影響，并將理論分析結果和數(shù)值模擬結果對比驗證理論模型的準

3、確性。分析結果表明，窄點溫差位置極大的影響系統(tǒng)性能的變化趨勢。通過對建立的理論模型進行簡化得到簡化的理論模型，從簡化模型推導得到最佳蒸發(fā)溫度的計算公式，并通過與模擬結果對比驗證公式準確性。根據(jù)前面對系統(tǒng)參數(shù)分析，利用數(shù)值模擬方法對熱源溫度、蒸發(fā)壓力和冷凝溫度進行多參數(shù)分析和優(yōu)化。通過對ORC系統(tǒng)的分析表明，增加有機工質過熱度不會提高系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率;增加中間換熱器可以提高系統(tǒng)效率，但對系統(tǒng)凈功輸出的影響非常小;系統(tǒng)效率隨熱源溫度的

4、升高而提高，當熱源低于工質特性溫度，存在最佳蒸發(fā)溫度使凈功輸出極大化，當熱源溫度高于工質特性溫度，凈功輸出隨熱源溫度升高而提高;存在最佳冷凝溫度使系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率取極大值。
　　根據(jù)有機工質的熱物性，分析有機工質膨脹過程中馬赫數(shù)、流通面積和近臨界膨脹方面的膨脹特性。依據(jù)其特性選擇AMDCKO損失預測模型，對有機工質軸流式汽輪機的葉片結構參數(shù)進行分析，得到需要優(yōu)化的8個葉片結構參數(shù):噴嘴相對節(jié)距、動葉相對節(jié)距、噴嘴氣流沖角、動

5、葉氣流沖角、噴嘴葉片入口角、反動度、速比和徑比。依據(jù)AMDCKO損失預測模型，對模型中相關圖表進行合，選擇級間效率為優(yōu)化目標，利用遺傳算法對軸流式汽輪機單級進行8參數(shù)化。隨后，提供了使用真實工質物性和模型損失來確定膨脹過程中的喉部位置和當?shù)匾羲俚姆椒ā?br>　　本文最后，依據(jù)MATLAB平臺，通過對前面的內容進行整理，編寫了ORC所涉及過程的相關函數(shù)，所有函數(shù)共同組成了ORC工具箱。通過此工具箱，可以通過函數(shù)調用方式實現(xiàn)ORC系統(tǒng)設計