3.1　基本ORC循環(huán)

3.1.1　蒸發(fā)壓力對(duì)基本循環(huán)性能的影響研究

在基本有機(jī)朗肯循環(huán)中，設(shè)置固定蒸發(fā)溫度見(jiàn)表3-1，通過(guò)變化蒸發(fā)壓力來(lái)獲得不同的運(yùn)行參數(shù)，蒸發(fā)壓力變化范圍見(jiàn)表3-2，對(duì)選取的5種工質(zhì)在設(shè)計(jì)變化參數(shù)下的工作性能進(jìn)行考察，其中各工質(zhì)基本循環(huán)熱效率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3-1。

由圖3-1可看出，基本有機(jī)朗肯循環(huán)中，5種工質(zhì)的循環(huán)熱效率隨蒸發(fā)壓力變化規(guī)律大體一致。壓比為5時(shí)，5種工質(zhì)均出現(xiàn)最優(yōu)蒸發(fā)壓力值，各工質(zhì)在該壓力下獲得各自蒸發(fā)溫度下的最優(yōu)效率。隨著汽輪機(jī)壓比提高，5種工質(zhì)最優(yōu)蒸發(fā)壓力的優(yōu)勢(shì)逐漸減小，其中MDM與D兩種硅氧烷的熱效率隨著蒸發(fā)壓力提高而下降。

5種工質(zhì)在壓比為5、8、10時(shí)獲得的最大循環(huán)熱效率與最小循環(huán)熱效率見(jiàn)表3-3。由表3-3中數(shù)據(jù)可看出，隨著壓比增加，各工質(zhì)基本循環(huán)熱效率均提高，因此各工質(zhì)的最優(yōu)循環(huán)熱效率均在壓比為10時(shí)獲得。

R245 fa最優(yōu)蒸發(fā)壓力為1.5MPa，最大循環(huán)效率為12.1%；正戊烷最優(yōu)蒸發(fā)壓力為1.4MPa，最大循環(huán)效率為11.9%；甲苯最優(yōu)蒸發(fā)壓力1.8MPa，最大循環(huán)效率為11.4%；MDM與D4最優(yōu)蒸發(fā)壓力均為1 MPa，最大循環(huán)效率分別為6.4%和6.2%。 5種工質(zhì)中，RR245 fa的熱效率比其他4種工質(zhì)熱效率都高，由此可看出，對(duì)比其他工作溫度稍高的工質(zhì)，R245 fa在150℃下循環(huán)性能較有優(yōu)勢(shì)。

蒸發(fā)壓力改變時(shí)，5種工質(zhì)系統(tǒng)總吸熱量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3-2。由該圖可知，基本有機(jī)朗肯循環(huán)中，選取的5種工質(zhì)系統(tǒng)的總吸熱量均隨著蒸發(fā)壓力的升高逐漸下降。從下降趨勢(shì)可知，MDM與D4的下降速率比其他3種工質(zhì)下降速率快，蒸發(fā)壓力每提高0.1MPa，MDM與D4系統(tǒng)總吸熱量下降大約2%，隨著蒸發(fā)壓力提高，系統(tǒng)總吸熱量下降速率減緩，最終保持在1.5%左右。同樣由圖3-2可看出，R245 fa、正戊烷與甲苯系統(tǒng)總吸熱量下降速率相近，最初蒸發(fā)壓力每提高0.1 M Pa系統(tǒng)總吸熱量下降1.5%，該下降速率逐漸減小，最終保持在蒸發(fā)壓力每提高0.1MPa，系統(tǒng)總吸熱量下降0.4%。由于蒸發(fā)溫度固定，蒸發(fā)壓力的提高表明汽輪機(jī)入口蒸汽過(guò)熱度的降低，由5種工質(zhì)系統(tǒng)總吸熱量下降速率的不同，可推測(cè)MDM與D4兩種工質(zhì)在過(guò)熱升溫過(guò)程中需要的熱量較大，比其他3種工質(zhì)大得多，這表明在設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，為了避免系統(tǒng)過(guò)熱器過(guò)大，要避免將這兩種工質(zhì)過(guò)熱度設(shè)置得過(guò)高。

5種工質(zhì)系統(tǒng)吸熱量的最大值與最小值以及對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力見(jiàn)表3-4。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著壓比提高，各工質(zhì)的系統(tǒng)總吸熱量逐漸減小，各工質(zhì)的最小系統(tǒng)總吸熱量均在壓比為10，蒸發(fā)壓力最大時(shí)獲得。其中，D4系統(tǒng)總吸熱量最大，最小值為2793 k W；R245 fa系統(tǒng)總吸熱量總是最小，其最小值為1499 k W 。

設(shè)置汽輪機(jī)輸出功率200kW，5種工質(zhì)質(zhì)量流量隨蒸發(fā)壓力的變化情況見(jiàn)圖3-3。由該圖可知，工質(zhì)質(zhì)量流量均隨蒸發(fā)壓力的升高而增大，MDM與D4增加速率由每0.1MPa 1.6%逐漸增加到2.5%，R245fa、正戊烷與甲苯質(zhì)量流量增幅由每0.1MPa0.6%逐漸增加到1.2%。由工質(zhì)流量的增長(zhǎng)趨勢(shì)也可間接推測(cè)，固定蒸發(fā)溫度時(shí)，各工質(zhì)在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹過(guò)程的有效焓降隨蒸發(fā)壓力提高而逐步下降。

壓比為5、8、10時(shí)，5種工質(zhì)基本循環(huán)質(zhì)量流量的最大值和最小值以及對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)壓力見(jiàn)表3-5。由表中數(shù)據(jù)可以看出，壓比提高，所有工質(zhì)流量均減小。不同壓比下，質(zhì)量流量隨蒸發(fā)壓力減小的趨勢(shì)均不變。5種工質(zhì)中，正戊烷與甲苯質(zhì)量流量相當(dāng)，D4質(zhì)量流量最大。

綜合各工質(zhì)循環(huán)熱效率、蒸發(fā)系統(tǒng)熱功率以及工質(zhì)流量隨蒸發(fā)壓力的變化情況來(lái)分析，由于質(zhì)量流量與系統(tǒng)總吸熱量變化趨勢(shì)相反，要保證兩者均獲得最小值則無(wú)法尋得最優(yōu)壓力，因而利用循環(huán)熱效率來(lái)決定最優(yōu)蒸發(fā)壓力。

3.1.2　蒸汽過(guò)熱度對(duì)基本循環(huán)性能的影響研究

固定蒸發(fā)壓力，5種工質(zhì)的熱效率隨汽輪機(jī)入口蒸汽過(guò)熱度的變化情況見(jiàn)圖3-4，R245 fa的熱效率隨著汽輪機(jī)入口工質(zhì)蒸汽過(guò)熱度的增加而先增后減外，其他4種工質(zhì)熱效率始終隨著過(guò)熱度增加而減小：MDM與D4循環(huán)熱效率下降幅度為過(guò)熱度每增加10℃循環(huán)熱效率下降2%；甲苯與正戊烷循環(huán)熱效率下降幅度為過(guò)熱度每增加10℃循環(huán)熱效率下降0.7%。由此可見(jiàn)，MDM與D4循環(huán)熱效率減小的速度大于甲苯與正戊烷。

壓比為5、8、10，不同過(guò)熱度下，5種工質(zhì)基本循環(huán)的熱效率見(jiàn)表3-6。壓比為5時(shí)，R245 fa在過(guò)熱度為5℃時(shí)循環(huán)熱效率最大；壓比為8時(shí)，R245 fa在過(guò)熱度為13℃時(shí)循環(huán)熱效率最大；壓比為10時(shí)，R245 fa在過(guò)熱度為18℃時(shí)循環(huán)熱效率最大。5種工質(zhì)中，正戊烷總是獲得最大循環(huán)熱效率，壓比為10時(shí)獲得最大值為12.536%；D4總是獲得最小循環(huán)熱效率，壓比為10時(shí)獲得最大值為6.552% 。

固定蒸發(fā)壓力，基本有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的總吸熱量隨汽輪機(jī)入口工質(zhì)蒸汽過(guò)熱度的變化情況見(jiàn)圖3-5。由圖可知，隨著蒸汽過(guò)熱度的增加，5種工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的總吸熱量增加，其中D4與MDM系統(tǒng)總吸熱量的增加速率比其他3種工質(zhì)系統(tǒng)總吸熱量的增長(zhǎng)速率大。

不同蒸汽過(guò)熱度下，5種工質(zhì)基本循環(huán)系統(tǒng)的總吸熱量數(shù)值見(jiàn)表3-7。由表中數(shù)據(jù)可看出，各工質(zhì)基本循環(huán)系統(tǒng)的總吸熱量隨著壓比提高而顯著下降，該趨勢(shì)說(shuō)明熱功轉(zhuǎn)化為輸出功的能力隨壓比提高而增加，各工質(zhì)基本循環(huán)系統(tǒng)總吸熱量的最小值均在壓比為10時(shí)獲得。D4基本循環(huán)系統(tǒng)總吸熱量最大，其最小值為2652 k W；正戊烷基本循環(huán)系統(tǒng)吸熱量最小，其最小值為1506kW。

固定蒸發(fā)壓力下，5種工質(zhì)的質(zhì)量流量隨蒸汽過(guò)熱度的變化情況見(jiàn)圖3-6。由圖可知，選取的5種工質(zhì)質(zhì)量流量都隨著蒸汽過(guò)熱度的增加而減少。輸出功率200 k W時(shí)，正戊烷和甲苯所需要的質(zhì)量流量比其他3種工質(zhì)的質(zhì)量流量小得多，所需質(zhì)量流量最多的工質(zhì)為D4，由此可看出正戊烷與甲苯單位質(zhì)量流量做功能力較強(qiáng)，該特征也可由圖2-2看出，相同壓力下，正戊烷與甲苯的焓值比其他工質(zhì)的焓值高。

不同蒸汽過(guò)熱度下，5種工質(zhì)的質(zhì)量流量數(shù)值見(jiàn)表3-8。從表中數(shù)據(jù)可以看出，工質(zhì)質(zhì)量流量隨著壓比的提高而減少，各工質(zhì)質(zhì)量流量最小值均在壓比為10、過(guò)熱度為30℃時(shí)獲得。這說(shuō)明隨著壓比提高，單位質(zhì)量工質(zhì)所含的熱能能更好地轉(zhuǎn)化為輸出功，從而使所需要的質(zhì)量流量減少。正戊烷與甲苯的質(zhì)量流量相當(dāng)，兩者流量最小值分別為2.7 kg/s和2.8kg/s；D4的最小質(zhì)量流量為8kg/s，是5種工質(zhì)中質(zhì)量流量最大的工質(zhì)。