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中低温地热热电耦合利用系统优化研究

郭涛  
【摘要】:我国拥有丰富的地热能资源,但以低于100oC的中低温热水型资源为主;能源的品位,决定了其利用方式以直接供热为主。然而尽管资源温度水平较低,在不少应用中仍存在地热水进口温度明显高于供热温度、以及地热尾水排放/回灌温度较高的问题,影响了资源的利用效率和系统经济性。针对这一问题,本文提出了一种新型利用技术系统—热电耦合利用技术系统,其特征是在常规热利用系统基础上,加入一个背压式发电子系统,以期减小大温差传热造成的可用能损失,在基本不减少供热量、保证供热需求的基础上,产出一部分高品位能—电能;加入一个热泵子系统,以期充分利用尾水所含热能。新技术系统的可用能效率、热效率、地热能利用率明显高于常规系统,适用于地热资源温度明显高于供热需求温度的应用情形。 建立了结合热源和供热参数、基于窄点分析的系统仿真模型,开展了以发电子系统净输出功率与热泵子系统压缩机输入功率之比(PPR)最大为总优化目标、以发电子系统单位质量流量地热水净发电功率( P(?)n et/ m(?) hw)最大为发电子系统优化目标,以发电子系统动力循环、工质、循环参数为具体优化变量的理论优化研究。结果表明:有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)和跨临界有机朗肯循环(Trans-critical Organic Rankine Cycle,跨临界ORC)均可作为背压式发电子系统的动力循环;工质、循环参数的选择,对基于两类循环的热电耦合技术系统的性能均有重要影响,指定工况下,两类系统各有其最优工质、最优循环参数;膨胀部件及工质泵效率值,对两类热电耦合系统的性能优序具有重要影响。给出了在地热水进口温度为90oC、供热水/回水温度为45/35oC的典型工况下两类系统的最优工质、最优循环参数、和最优性能。当膨胀部件及工质泵效率值分别取60%和70%时,ORC系统纯质C5F12、非共沸混合工质R152a/245ca(70/30wt%),跨临界ORC系统纯质R125、非共沸混合工质CO_2/143a(20/80wt%)在其各自的最优循环参数下,给出的理论PPR值分别为20%、29%,19%以及22%。发现当膨胀部件效率及工质泵效率值分别不大于60%和70%时,基于ORC的热电耦合系统给出较基于跨临界ORC的热电耦合系统更高的PPR_(max);而当膨胀部件效率及工质泵效率值同时分别高于60%和70%时,基于跨临界ORC的热电耦合系统给出较基于ORC的热电耦合系统更高的PPR_(max)。 设计、建立了中低温地热热电耦合利用技术实验系统。通过改装汽车空调涡旋式压缩机,研制得到了发电子系统的关键部件—涡旋式膨胀机,并获得较高的定熵效率;采用两台涡旋式膨胀机并联,很好地满足了实验装置的容量要求;通过选配恰当的工质/润滑油浓度,保证了涡旋式膨胀机的平稳、可靠运行。以R245fa为发电子系统工质,实验考察了基于ORC和涡旋膨胀机的热电耦合利用技术系统的性能随蒸发温度、冷凝温度、膨胀机转速的变化规律,膨胀机定熵效率和最优转速变化规律,和热电耦合系统在蒸发器进口水温87~90oC、冷凝温度31~45oC的实验工况范围内及发电机允许的转速范围内,膨胀机的定熵效率、发电子系统P(?) / m(?) hw、和热电耦合系统的PPR_(max)数值范围。结果表明:膨胀比-涡旋膨胀机内容积比的相对关系,转速,是影响涡旋膨胀机定熵效率的两个主要因素;相同蒸发温度下,膨胀机最优转速随冷凝温度升高而降低;给定蒸发器进口水温及冷凝温度下,存在一个最优蒸发温度-膨胀机转速组合,使得发电子系统的P(?) / m(?) hw、热电耦合系统的PPR最大;给定蒸发器进口水温,冷凝温度的升高会导致最优蒸发温度升高和P(?) / m(?) hw、PPR_(max)值减小。实验工况范围内及发电机允许的转速范围内,膨胀机的定熵效率值在43.5~57.9%范围,热电耦合系统的PPR值在15.2~13.0%范围。


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