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研究生: 鄭丞祐
論文名稱: 有機朗肯與微型氣渦輪機複循環之性能分析與測試研究
Combined Cycle Study Using Organic Rankine Cycle and Microturbine
指導教授: 蔣小偉
口試委員: 郭啟榮
蔡博章
黃智永
劉承賢
蔣小偉
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: ORC
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  • 本研究乃是引進複循環(Combined Cycle)的設計概念,結合有機朗肯循環(ORC),利用氣渦輪機(GT)運轉時排放高溫廢熱的特性,驅動ORC進行發電,目的為建立一微型有機朗肯與9KW氣渦輪機複循環系統。此系統主要利用GT發電系統中所產生的廢熱作為熱源,驅動有機朗肯循環之發電系統,進而使GT發電系統的廢熱能夠進行二次的應用,以提供額外的發電能力,完成複循環發電系統,並有效提高整體效率。
    研究過程中,首先將會針對GT發電系統架設一實驗量測平台,並量測其在不同操作點、轉速及發電量下之排氣溫度及壓力等特性,並建立GT性能曲線及資料庫。接著針對其廢熱回收特性進行ORC之設計及模型建立,模擬不同有機工作流體特性和蒸發溫度在此系統下之表現,並探討熱交換效率對系統之影響,建立符合GT系統的ORC複循環模型。經過分析計算系統發電量與效率後,最終將完成一套有機朗肯與氣渦輪機複循環之性能分析系統,以評估ORC應用在微型氣渦輪機廢熱回收之可行性。


    This proposed combined cycle starts with our existing 9 kW microturbine to be combined with a proposed micro ORC ycle. Basically, we will take the exhaust heat of 500~600°C from the microturbine to be input to the micro ORC cycle, so that we can take advantage of the waste heat from the turbine to the ORC cycle to generate additional power. The expected thermal efficiency can be increased from the current 15% to about 25%.
    During the proposed process, we will start with the microturbine test stand so we can measure the exhaust temperature, flow rates, and pressure, under different operating conditions. With this in mind we can establish the baseline data to be used for choosing the compatible ORC system. Then we will start building the desired micro ORC model to complete our combined cycle design including ORC working fluid and vaporize temperature selection. After conducting the heat exchanger simulate testing with microturbine in place, we can establish a complete ORC/GT combined cycle design system and be able to demonstrate the expected efficiency target.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 符號說明 XI 第一章、 緒論 1 1-1、 前言 1 1-2、 研究動機 1 1-3、 研究目的 2 1-4、 文獻回顧 3 1-4-1、 微型渦輪發電系統 3 1-4-2、 有機朗肯與複循環循環 5 第二章、 系統理論公式 9 2-1、 微型渦輪發電系統 9 2-1-1、 壓縮機 (Compressor) 9 2-1-2、 渦輪機 (Turbine) 10 2-1-3、 燃燒室 11 2-1-4、 動力傳輸型式比較 11 2-2、 朗肯循環熱力過程 13 2-3、 排氣尾管 14 2-4、 熱交換器 14 2-4-1、 圓管逆向流型熱交換器 15 2-4-2、 平板流體熱交換分析 16 第三章、 研究方法 20 3-1、 系統架構 20 3-1-1、 微型燃氣渦輪機(microturbine) 21 3-1-2、 燃油引擎發電系統 22 3-1-3、 有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle) 23 3-1-4、 複循環(Combined Cycle) 24 3-2、 實驗架設 25 3-3、 微型渦輪發電系統模擬方法 29 3-3-1、 GasTurb軟體介紹 30 3-3-2、 模擬流程 30 3-4、 有機朗肯循環 31 3-4-1、 工作溫度 32 3-4-2、 可用性 32 3-4-3、 膨脹機械設計考量 34 3-4-4、 工作壓力 35 3-4-5、 熱力性質與傳輸性質 35 3-5、 有機朗肯循環模型建立 36 3-5-1、 系統模型配置規劃 37 3-5-2、 系統模擬流程 37 3-5-3、 熱交換模擬 40 3-5-4、 系統程式計算流程 41 3-5-5、 整體系統設定條件 43 3-6、 系統效率分析 43 第四章、 研究結果與討論 44 4-1、 微型渦輪機發電系統 44 4-1-1、 微型渦輪發電機性能分析 44 4-1-2、 系統性能參數分析 47 4-2、 有機朗肯循環 49 4-2-1、 模擬程式驗證 50 4-2-2、 工作流體與蒸發壓力 52 4-2-3、 過熱度(superheat) 54 4-2-4、 再生器(recuperator) 56 4-2-5、 超臨界循環 59 4-3、 複循環系統 61 4-3-1、 熱交換過程 61 4-3-2、 複循環總效率計算 69 4-3-3、 系統性能比較 73 第五章、 結論與建議 76 5-1、 結論 76 5-2、 建議 79 參考文獻 80

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