一种朗肯循环系统及其流体工质材料构建方法技术方案

本发明专利技术涉及一种朗肯循环系统及其流体工质材料构建方法，选择出对流体工质安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团建立基团数据库；确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料的热物性参数范围，从基团数据库中筛选出各类基团，选择出的基团构建的化合物各项热物性参数值在相应边界条件下优于或等于CO2各项热物性参数值，对基团进行组合替换，形成化合物流体工质；确定热发电循环系统的目标函数；计算化合物流体工质的热物性参数，选择出满足热发电循环系统目标函数的化合物流体工质；对化合物流体工质进行化学合成可行性验证，将通过验证的化合物流体工质应用于热发电循环系统工程。本发明专利技术可广泛应用于热发电循环系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工质材料的构建方法及朗肯循环系统，特别是关于一种朗肯循环系统及其流体工质材料构建方法。
技术介绍
朗肯循环系统目前在国内余热发电领域应用较为成熟，被广泛应用于热力学循环发电系统中，为我国节能减排事业做出了重要贡献。如图1所示，热力学循环发电系统中使用的单级朗肯循环系统，其流体工质经预热器(图中为标出)预热后进入蒸发器1，在蒸发器1内吸热蒸发成为气体，随后经第一汽轮机2对外做功，从第一汽轮机2出来的流体工质首先进入预热器，在预热器中对将要进入蒸发器1的流体工质进行预热，温度降低的流体工质在冷凝器3中进一步冷凝到饱和态，冷凝器3将流体工质在冷凝器3中放出的热量输出进行利用。冷凝到饱和态的流体工质再经压泵4压缩，最后进入蒸发器1，完成一次循环过程。单级朗肯循环系统虽然完成了对动力的循环利用，但流体工质的传热损失较大，且对热量利用不充分。朗肯循环系统中流体工质材料对循环热效率具有很大的影响，现有的流体工质选取方法主要有以下两种：(1)在已有的流体工质中进行选择筛取，此种方法简单成熟，但选择范围较窄，很难选出各方面性能较好的流体工质。(2)将两个或多个化合物进行混合形成混合流体工质，此种方法可以克服单个化合物存在的问题，如对其易燃性、容量大等缺点可根据需要进行调整。但就已有的混合流体工质而言，应用于某些条件下尤其是超低温条件发电过程的流体工质研究仍不成熟，且化合物本身一些热力学性质，如可燃性等，仍然需要进一步研究改进。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种流体工质性能合适，对热量利用充分，循环热效率高的朗肯循环系统及其流体工质材料构建方法，具有便捷，高效，节约成本的优点。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：1)选择出对流体工质安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团建立基团数据库；2)确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围，以CO2各项热物性参数值为标准，从基团数据库中筛选出各类基团，选择出的基团构建的化合物各项热物性参数值在相应边界条件下优于或等于CO2各项热物性参数值，利用数学随机组合法对基团进行组合替换，形成化合物流体工质；3)确定热发电循环系统的目标函数为f＝min(cp/ΔH)或f＝max(λ/cp)或f＝min(η/λ)或f＝max(F/cp)，其中，min表示最小值，max表示最大值，ΔH为化合物流体工质的蒸发焓，cp为化合物流体工质比热容，λ为化合物流体工质的导热系数，η为化合物流体工质的粘度值，F为化合物流体工质的闪点；4)计算步骤2)中形成的化合物流体工质在临界温度下的热物性参数，从形成的化合物流体工质中选择出满足热发电循环系统目标函数的化合物流体工质；5)对步骤4)中选择出的化合物流体工质进行化学合成可行性验证，可行性即化合物能否通过物理反应或化学反应合成，将通过化学合成可行性验证的化合物流体工质应用于热发电循环系统工程。所述步骤1)中，所述安全性贡献值高指基团中不含有对环境造成危害的F、Cl、S元素；以CO2的GWP值和ODP值为标准，所述污染性贡献值小指基团对GWP的贡献值小于CO2的GWP值及对ODP的贡献值小于CO2的ODP值；其中，GWP为温室效应系数，ODP为臭氧层破坏系数。所述步骤2)中，边界条件包括热源温度范围、循环最高压力和膨胀机压比，热物性包括导热性、比热容、粘度、蒸发焓、闪点。所述步骤2)中，采用模拟退火算法从基团数据库中筛选基团。一种采用上述流体工质材料构建方法的朗肯循环系统，其特征在于：所述系统为回热朗肯循环系统，其包括蒸发器、第一汽轮机、冷凝器、压力泵和回热装置；所述蒸发器出口经所述第一汽轮机连接所述回热装置的第一进口，所述回热装置的第一出口依次连接所述冷凝器和压力泵的进口，所述压力泵的出口连接所述回热装置的第二进口，所述回热装置的第二出口连接所述蒸发器入口。一种采用上述流体工质材料构建方法的朗肯循环系统，其特征在于：所述系统为再热朗肯循环系统，其包括蒸发器、第一汽轮机、冷凝器、压力泵、再热器和第二汽轮机；所述蒸发器出口经所述第一汽轮机连接所述再热器进口，所述再热器出口连接所述第二汽轮机进口，所述第二汽轮机出口经所述冷凝器连接所述压力泵的进口，所述压力泵的出口连接所述蒸发器进口。一种采用上述流体工质材料构建方法的朗肯循环系统，其特征在于：所述系统为朗肯-布雷顿两级联合循环系统，其包括蒸发器、第一汽轮机、冷凝器、压力泵、回热锅炉、膨胀机、冷却器和压缩机；所述蒸发器出口经所述第一汽轮机连接所述回热锅炉的第一进口，所述回热锅炉的第一出口依次连接所述膨胀机、冷却器和压缩机的进口，所述压缩机的出口连接所述回热锅炉的第二进口；所述回热锅炉的第二出口经所述冷凝器连接所述压力泵的进口，所述压力泵的出口连接所述蒸发器进口。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术由于采用根据热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围，利用数学随机组合法对安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团进行组合替换，合成满足发电循环系统要求的化合物流体工质，可有效地改善化合物流体工质的热物性，针对热发电循环系统选择出最优热物性的化合物流体工质，进而提高整个热发电循环系统的循环热效率。2、本专利技术由于采用回热装置，使得冷凝到饱和态的流体工质在返回蒸发器之前在回热装置中吸收来自第一汽轮机的流体工质释放的热量，提高了热量的有效利用率，减少了循环过程中的热能损失。3、本专利技术由于采用再热装置和第二汽轮机，使得流体工质在第一汽轮机中做功后回到再热器中再次加热，进入第二汽轮机二次做功，使得循环系统在不改变循环蒸发温度的条件下增加了循环输出功。4、本专利技术由于采用朗肯-布雷顿两级联合循环系统，使得流体工质在膨胀机中二次做功，有效利用了系统中的热量，减少了能量的浪费。综上所述，本专利技术可以广泛应用于热发电循环系统中。附图说明图1是现有技术中的单级朗肯循环系统示意图；图2是本专利技术的回热朗肯循环系统示意图；图3是本专利技术的再热朗肯循环系统示意图；图4是本专利技术的朗肯-布雷顿两级联合循环系统示意图。具体实施方式本专利技术不同于常规的通过比较不同工质热力学循环系统的热效率来选择工质。而是从提高热力学循环效率的机理出发，通过改善流体工质的热物性，或者针对循环系统选择最优热物性的流体工质，来提高循环效率。下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。本专利技术提供一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，包括以下步骤：1)基于热发电循环原理及化合物热物性原理，选择出对流体工质安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团建立基团数据库。其中，安全性贡献值高指基团中不含有对环境造成危害的F、Cl、S元素，以CO2的GWP值和ODP值为标准，污染性贡献值小指基团对GWP(温室效应系数)的贡献值小于CO2的GWP值及对ODP(臭氧层破坏系数)的贡献值小于CO2的ODP值。基团数据库中筛选出的基团所构建的流体化合物满足天然碳氢化合物的特点。2)确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围，其中，边界条件包括热源温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：1)选择出对流体工质安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团建立基团数据库；2)确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围，以CO2各项热物性参数值为标准，从基团数据库中筛选出各类基团，选择出的基团构建的化合物各项热物性参数值在相应边界条件下优于或等于CO2各项热物性参数值，利用数学随机组合法对基团进行组合替换，形成化合物流体工质；3)确定热发电循环系统的目标函数为f＝min(cp/ΔH)或f＝max(λ/cp)或f＝min(η/λ)或f＝max(F/cp)，其中，min表示最小值，max表示最大值，ΔH为化合物流体工质的蒸发焓，cp为化合物流体工质比热容，λ为化合物流体工质的导热系数，η为化合物流体工质的粘度值，F为化合物流体工质的闪点；4)计算步骤2)中形成的化合物流体工质在临界温度下的热物性参数，从形成的化合物流体工质中选择出满足热发电循环系统目标函数的化合物流体工质；5)对步骤4)中选择出的化合物流体工质进行化学合成可行性验证，可行性即化合物能否通过物理反应或化学反应合成，将通过化学合成可行性验证的化合物流体工质应用于热发电循环系统工程。...

【技术特征摘要】
1.一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：1)选择出对流体工质安全性贡献值高且污染性贡献值小的基团建立基团数据库；2)确定热发电循环系统的边界条件和所需流体工质材料在相应边界条件下的热物性参数范围，以CO2各项热物性参数值为标准，从基团数据库中筛选出各类基团，选择出的基团构建的化合物各项热物性参数值在相应边界条件下优于或等于CO2各项热物性参数值，利用数学随机组合法对基团进行组合替换，形成化合物流体工质；3)确定热发电循环系统的目标函数为f＝min(cp/ΔH)或f＝max(λ/cp)或f＝min(η/λ)或f＝max(F/cp)，其中，min表示最小值，max表示最大值，ΔH为化合物流体工质的蒸发焓，cp为化合物流体工质比热容，λ为化合物流体工质的导热系数，η为化合物流体工质的粘度值，F为化合物流体工质的闪点；4)计算步骤2)中形成的化合物流体工质在临界温度下的热物性参数，从形成的化合物流体工质中选择出满足热发电循环系统目标函数的化合物流体工质；5)对步骤4)中选择出的化合物流体工质进行化学合成可行性验证，可行性即化合物能否通过物理反应或化学反应合成，将通过化学合成可行性验证的化合物流体工质应用于热发电循环系统工程。2.如权利要求1所述的一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述安全性贡献值高指基团中不含有对环境造成危害的F、Cl、S元素；以CO2的GWP值和ODP值为标准，所述污染性贡献值小指基团对GWP的贡献值小于CO2的GWP值及对ODP的贡献值小于CO2的ODP值；其中，GWP为温室效应系数，ODP为臭氧层破坏系数。3.如权利要求1所述的一种朗肯循环系统流体工质材料构建方法，其特征在于：所述步骤2)中，边界条件包括热源温度范围、循环最高压力和膨胀机...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，高为，余黎明，胡钰，王玉川，夏永强，陈毅敏，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海油能源发展股份有限公司，中海油能源发展股份有限公司北京冷能利用研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11