中低温工业余热有机动力循环工质热稳定性及波动性热源系统调节机理研究

China is the world's second largest energy consumer and industrial waste heat resource is rich. Conventional power cycle can't be applied basically while organic power cycle has good performance, for mid-and-low temperature industrial waste heat with temperature lower than 350 C. Thermal stability is an important property which determines operation safety of organic fluids. However, thermal stability data of many potential fluids is lacking in references. Impact mechanism of several factors on thermal stability is not clear. Fluctuation of industrial waste heat is harmful for system performance, so it is urgent to study on impact mechanism of heat source fluctuation on organic power cycle and regulation mechanism for fluctuation system. This project intends to: study on thermal stability of potential working fluids using experimental method, find out impact mechanism of fluid pressure, component of mixed fluid, mixed with lubricant and container materials on thermal stability, obtain thermal stability of several potential fluids and provide thermal stability references for fluids optimization; establish dynamic interference analysis model for organic power cycle system with fluctuant heat source, study on impact mechanism of fluctuant heat source on system operation and system component performance, investigate regulation mechanism and result of system storage control method and turbine control method and optimize coupling relationship of these two methods.

我国是世界第二大能源消耗国，工业余热资源丰富，对于温度低于350℃的中低温工业余热，常规动力循环性能很差，而有机动力循环具有较好性能。热稳定性是决定有机工质运行安全性的重要参数，但大量潜力工质热稳定性数据匮乏，不同因素对工质热稳定性的影响机理尚不明确；工业余热热源的波动性对系统性能产生不利影响，亟需开展有机动力循环热源波动性的影响机理及相应调节机理研究。本项目拟采用实验方法对循环潜力工质开展热稳定性研究，明确工质压力、混合工质组元、混入润滑油和容器材质对工质热稳定性的影响机理，获得几种潜力工质在不同状态下的热稳定极限温度，为有机工质优选提供热稳定性依据；建立有机动力循环系统波动性热源动态干扰分析模型，研究波动性热源对系统运行及部件性能的影响机理，研究系统蓄热调节法和汽轮机调节法对波动性热源系统的调节机理及调节效果，针对不同热源，优化两种调节方法的耦合匹配关系。

中低温工业余热具有资源丰富、热源温度低、热源参数不稳定等特点。针对中低温工业余热，有机动力循环具有比其他动力循环更高的循环效率，但有机动力循环工质面临热稳定性的问题，且有机工质热稳定性数据匮乏，制约了工质优选和工况优化，同时循环系统运行性能易受热源波动性的影响。本项目开展的工质热稳定性研究和波动性热源影响及调节机理研究，可以为工业余热有机动力循环工质优选和工况优化提供依据，有利于推动中低温工业余热有机动力循环产业化进程。2013年获得青年项目资助以来，采用理论研究方法和实验研究方法相结合，分别对13种环保型有机工质的热稳定性和波动性热源对动力循环性能的影响开展了研究。.采用最小吉布斯自由能原理，建立了有机工质热稳定性理论分析模型，用于研究有机工质热稳定性受工质状态（温度、压力）的影响规律，并采用该理论研究模型研究了13种ODP为零的环保工质（R600、R600a、R601、R601a、R152a、R123、R161、R125、R218、R245fa、R236fa、R143a及R134a）的热解情况，分析了在不同状态（压力）下的化学平衡温度，及热解反应受润滑油等其他介质的影响，给出了有机工质热稳定性随所处状态的变化规律；建立了有机工质热稳定性分析实验平台，对多种有机工质（R134a，R600，R600a）热稳定性开展了研究。建立了辐流式汽轮机变工况运行性能分析模型，研究了汽轮机变工况运行特性，采用优化的辐流式汽轮机内效率代替指定的汽轮机等熵效率，改进了有机动力循环理论分析方法，获得了更可靠的多种有机工质的循环性能。依托300kW级有机朗肯循环发电中试系统，研究了辐流式汽轮机变工况运行特性，依托先进的CO2跨临界动力循环实验平台，研究了波动性热源对循环性能的影响规律。