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有机朗肯循环可燃性混合工质的燃爆特性研究

吴明强  
【摘要】:内燃机作为石油的主要消耗设备,其热效率只有40%左右,大部分的能量都以热量的形式散失在环境中。如果能回收其中热量,那么可以大大提高内燃机的有热效率。研究表明有机朗肯循环是余热回收的有效方式。内燃机排气温度较高,且随内燃机工况变化,传统的有机工质(分解温度低和变工况响应差)不能与内燃机的排气余热互相匹配。研究发现烷烃工质分解温度高,且余热回收效率高,但是可燃有爆炸的风险;二氧化碳工质虽然在相同条件下,余热回收效率差,但是二氧化碳工质在ORC系统中响应速度快,可以很好地适应内燃机变工况,而且二氧化碳小型化优势明显。基于以上高温工质的研究,我们提出环保、高效的烷烃-二氧化碳混合工质。针对此类工质,目前对于该工质的可燃性的研究非常少。从有机朗肯循环的安全性角度出发,很有必要从试验和理论上研究烷烃-二氧化碳混合工质的安全性。本文首先基于美国ASTM E681标准设计和搭建了用于测量混合工质的可燃极限的试验台架。针对之前玻璃管式试验台架淬熄作用大的问题,本试验测量装置采用12 L的烧瓶。该试验台主要分为两大部分——爆炸系统和配气系统,配气系统是试验装置最重要的部分,因为它决定了试验测量的准确性。为了提高配气过程的准确性,提出了一种全新的配气策略。通过新设计的试验台架,测量了五种烷烃-二氧化碳混合工质的可燃极限以及烷烃工质在不同温度下的可燃极限。理论方面,主要利用临界火焰温度理论建立了预测烷烃-二氧化碳混合工质可燃区域的高精度模型。本模型主要围绕理论模型中吸热量计算不准确的问题展开研究,发现临界火焰温度随二氧化碳的加入线性变化。在以前模型中大部分选择使用恒定的临界火焰温度来预测可燃上限,这势必会导致预测模型不准确。改进模型把线性变化的温度关系耦合到临界火焰温度模型,计算表明改进模型的预测精度提高了四倍,其平均相对偏差为2.7%。具体到有机朗肯循环的实际运行中的泄漏情况,其运行温度高,泄漏工质的温度也较高,所以很有必要研究烷烃-二氧化碳混合工质在高温下的可燃区域。本文提出了预测纯烷烃工质在不同温度下的可燃极限模型,与经验公式比较,可燃上限的预测精度提了一倍。并且探讨了可燃极限模型的适用范围,研究表明可燃下限预测模型适用的温度范围广。结合温度模型和混合工质可燃区域模型,可以预测混合工质在不同温度下的可燃极限区域。


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