有机朗肯循环发电系统模拟分析计算案例
1.1使用AspenPlus软件建模
AspenPlus软件是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，它有比较完善的物质的物性资料，能够建立模型，进行系统装置的流程仿真，设置工况，选定设备参数，并且能设置输出目标，比如负荷、功耗、电力、经济条件等等。
选取工质为R124,热源为水，冷源为空气，使用AspenPlus软件对有机朗肯循环系统流程建立实验模型，如图5-1所示，在设置全局信息时，采用PR方程作为系统模型的物性计算方法。
-11
-11
0
540
0.00
温度(C)
W=0
压力(bar)
P1
E1
108540
质量流率(kg/hr)汽相分率
o
Q负荷(ca/sec)
0.89
W电力(kW)
S6
V=-7
C1
-20
1
K-181
108540
d1.00
①
2
108540
0.00
11
O5400.00
S1
5
0
540
1.00
S5
Q=12551
Q=10993
COLID-0U
HOT-OUT
HOT-I1K
540
E2
11
S2
图5-1有机朗肯循环发电系统模型
1.2设备参数设定
膨胀机设计：本文有机朗肯循环系统使用的是向心透平膨胀机，将直流发电机接至膨胀机，能减小摩擦热损耗且可以节省空间。向心透平膨胀机设计进口压力为0.013Mpa,出口压力为0.006Mpa,工质的质量流率为540kg/h,其相关参数如表5-1所示。
表5-1膨胀机的设计参数
膨胀机
进口压力(Mpa)
0.013
出口压力(Mpa)
0.006
进口温度(℃)
-1.345
出口温度(℃)
-11.143
质量流率(kg/h)
540
转速(r/min)
30000
进□汽相分率
1.00
出口汽相分率
0.83
等熵效率
0.78
蒸发器设计：本文有机朗肯循环系统使用的是降膜式蒸发器，系统运行过程中，有机工质R124经过工质泵，进入蒸发器的壳程。蒸发器的设计蒸发压力约为0.16Mpa,设计蒸发温度约为-1℃,且在其进出口处分别安装温度表和压力表，测量工质在其进出口处的温度及压力，其相关参数如表5-2、图5-2所示。
表5-2蒸发器的设计参数
蒸发器
蒸发压力(Mpa)
0.15697
蒸发温度(℃)
-0.99978
质量流率(kg/h)
540
设计传热系数(W/m2●K)
200-500
E1
E1
2
108540
0.00
HOT-OUT
2
108540
0.00
HOT-IN
Q=12551
图5-2蒸发器模型
冷凝器设计：本文有机朗肯循环系统采用的冷凝器是空气冷却式冷凝器，其主要作用是把在膨胀机中做功后的工质乏气冷却凝结成液态。系统工作过程中，有机工质R124由膨胀机排出，从上方进入，从下方出口，进入冷凝器的壳程。该冷凝器的设计冷凝压力约为0.07Mpa,设计冷凝温度是-19℃,且在其进出口处分别安装温度表和压力表，测量工质在其进出口处的温度及压力，冷凝器的相关参数如表5-3、图5-3所示。
表5-3冷凝器的设计参数
冷凝器
冷凝压力(Mpa)
0.074731
冷凝温度(℃)
-19
质量流率(kg/h)
540
设计传热系数(W/m2●K)
100-300
-201
-20
1
108540
E2
1.00
COLD-IN
-18
1
108540
1.00
COLID-0U
Q=10993
图5-3冷凝器模型
工质泵设计：本文有机朗肯循环系统采用的工质泵是隔膜式计量泵，它的最大工作流量是900kg/h,符合本系统的工质流量要求，最大工作压力是1.2Mpa,额定功率是50Hz,其相关参数如表5-4所示。
表5-4工质泵的设计参数
工质泵
工作压力(Mpa)扬程(m)
工作流量(kg/h)
额定频率(Hz)等熵效率
1
20
0-900
50
0.32
1.3计算结果
以R124为有机朗肯循环系统的有机工质，在冷源空气温度-19℃、热源海水表层温度0℃的条件下，结合REFPROP物性查询软件和系统的数学模型，计算得出本文有机朗肯循环系统的热效率是1.09%,烟效率是1.37%,膨胀机的等熵效率是78.42%,工质泵的等熵效率是31.60%,设定工质流量为540kg/h,使用AspenPlus软件进行系统的模拟分析，得到蒸发器的负荷为12551cal/sec,冷凝器的负荷为10993cal/sec,工质泵的功耗为Wp=0.49kw,膨胀机做功W=7kw。
lcal/sec=4.1868W