低温地热发电亚临界与超临界有机朗肯循环技术的优化与对比评价研究

大量低温(100℃以下)地热资源因发电利用技术经济性不足、资源附近热需求量有限等原因，得不到开发利用。来自能源与环境问题的挑战，催生了对低温地热资源作发电利用的需求；有机朗肯循环(ORC)技术的发展，降低了资源的发电利用经济温度；国际社会鼓励可再生能源发电的经济调节手段，使低温地热发电经济性的环境影响因素发生了变化。本课题在提出低温地热发电ORC技术研究的基本问题、系统经济性优化目标与考评指标的基础上，对亚临界ORC与超临界ORC技术，开展低温地热发电条件下的各种因素或参数对系统经济性影响机理和规律的研究，包含系统实际因素影响的工质与循环参数优化研究，和基于各自最优系统性能的对比评价研究。旨在通过对相关科学问题的研究，建立有效的理论与实验研究手段，考察并得到系统经济性随冷热源条件、工质性质、循环参数及系统实际因素的变化规律，得出两类ORC技术的优化与对比评价结果。目前相关研究报导还很少。

课题着眼于改善低温地热发电系统的技术经济性，对两种低温动力循环—有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)和有机工质跨临界循环(Organic Trans-critical Cycle, OTC)开展了系统技术经济性优化与对比评价研究。.分析确立了与整个地热电站发电成本最低相一致的、由发电机组自身性能参数表达的优化目标—机组的比净功(单位质量流量地热水的系统净输出功率)最大化。开展了两类循环系统比净功影响因素与影响规律研究，以比净功最大为目标的优化研究，和基于各自最优性能的对比评价研究。结果表明：(1)工质选择和循环参数选择是两类循环系统技术经济性的主要影响因素；其它影响因素包括窄点温差值、系统部件效率值等。(2)本课题热源条件下、合理的工质泵与膨胀部件效率值范围内，OTC系统的比净功明显高于纯工质ORC系统，而与非共沸混合工质ORC系统相近。考虑到OTC系统存在压力高、相关技术仍处于发展中等问题，认为非共沸混合工质ORC系统的技术经济性优于OTC系统。(3)ORC系统当蒸发温度接近临界温度时，循环特性、系统比净功接近OTC系统，但近临界区工质物性的剧烈变化可能会导致系统失稳。研究还发现，近临界ORC系统蒸发器中传热窄点的位置，并非总是位于工质泡点处。(4)非共沸混合工质ORC系统性能较优的工质为HFC152a/HFC245fa(70/30mass%)等；低温地热发电ORC系统，蒸发器出口工质过热不利于系统技术经济性；无需采用回热过程、回热器。.由涡旋式压缩机改装得到了涡旋式膨胀机。建立了ORC系统性能实验装置。开展了涡旋式膨胀机性能和不同有机工质、不同工况下的ORC系统性能实验研究。结果表明：(1)膨胀机转速、工质膨胀比-膨胀机内容积比间的匹配关系、工质在高低压膨胀腔间的泄漏，是影响涡旋式膨胀机定熵效率的主要因素。通过转速优化，实现了较高的膨胀机定熵效率。(2)不同有机工质、不同工况下的ORC系统比净功值随冷热源条件、工质和循环参数变化的规律，与理论研究结果定量上有所差别、定性上相一致。注意到同一实验装置与不同工质、工况间的优化匹配度不同，直接以实验结果作对比评价有失客观、会影响工质优选与循环参数优化质量，开展了客观实验对比评价方法的研究。分析辨识了影响实验结果客观性的主要因素和影响机制，提出了相应的实验结果校正方法。