4kw有机朗肯循环系统实验及仿真研究

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1、4kW有机朗肯循环系统实验及仿真研究摘要有机朗肯循环是利用低温热能发电的有效途径。本文开展了采用额定功率为4kW涡旋膨胀机的亚临界有机朗肯循环系统的性能实验和仿真研究。实验系统采用R123为循环工质，通过调节工质流量和膨胀机输出转矩实现变工况运行。仿真中除了建立主体设备模型外，还建立了储液罐和空冷塔模型，改进了膨胀机模型。各个设备和系统整体实验测试和系统仿真的结果对比表明，系统模型有足够精度仿真各个设备中的过程及整体系统的性能。关键词有机朗肯循环；涡旋膨胀机；实验测试；系统仿真0前言资源、环境与能源需求之间日益突出的矛盾推动

2、了节能和新能源技术的发展，其中通过有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)利用300℃以下的中低温热源发电技术备受关注。ORC使用低沸点的有机物替代水作为循环工质，可以有效利用工业余热、地热、中低温太阳能集热等低品位热源，具有转换效率较高，结构简单，维护方便等优点。ORC研究的核心是对其性能的优化，而机理的揭示是性能优化的前提，众多国内外学者通过热力学分析、实验测试和仿真模拟等对ORC进行了大量的研究，取得许多富有指导意义的研究成果。热力学分析通常用于对ORC系统进行工质筛选和约束条件下设计参数的分析与

3、优化。Liu等[1]分析了10种工质的物性对ORC系统热效率及热回收率的影响，发现系统热效率与工质临界温度存在一定关联性。Wei等[2]对以245fa为ORC循环工质回收余热的研究表明，环境温度的波动对系统有重要影响，在较高的环境温度下，系统净输出功可减少30%以上。Dai等[3]对ORC系统运行参数进行了优化分析，对比了多种工质的循环性能，指出循环工质为干工质和绝热工质时，膨胀机进口为饱和蒸汽时循环性能最佳。Roy等[4]的研究指出通常情况下系统最大输出功和最大热效率并不能协调统一，因此以最大热效率为目标函数来筛选工质可能

4、会误导设计。实验测试是ORC系统研究的基础，宝贵的运行数据是分析系统规律，推动技术发展的重要参考。徐等[5]建立了带内回热的kW级ORC实验系统，测试最大输出功510W。Li等[6,7]设计建造了基于速度式膨胀机的ORC发电系统，并建立了余速损失模型，指出余速损失受冷凝温度影响大。Li等[8]建立的回热ORC系统，用导热油锅炉模拟地热，最大输出功6.07kW，最大热效率7.98%。Zhou等[9]采用液化气热风炉模拟烟气余热，采用涡旋空压机改造的膨胀机获得最大输出功645W。顾伟等[10]的实验结果显示，存在最佳的工质流量，

5、使得膨胀机输出功最大。目前，对ORC系统的研究以热力学分析和实验测试为主。热力学分析多是基于“设计选型”的计算，也就是根据冷热源条件进行热力学系统层面的分析，忽略了部件的很多信息。这种优化结果与实际运行工况差别较大。同时，对ORC系统的实验测试结果又在很大程度上依赖于系统设备的选型和具体运行环境，实验可以测试的工况点有限。对ORC系统的仿真是弥补上述缺陷，获取ORC系统规律的经济有效的研究手段。仿真技术需要众多设备详细的结构和性能信息，并要耦合系统和设备过程两个层面的计算，因此实施难度大，这方面的研究还比较少。Vincent

6、[11]、Quoilin[12]等基于实验数据，建立了涡旋式膨胀机半经验模型和相应的系统模型，指出膨胀机性能下降的主要原因是内部泄漏。魏[13]等基于移动边界模型模拟换热器，对ORC系统进行了动态仿真。综合上述文献回顾，可知将ORC系统实验测试与系统仿真相结合是获取其运行规划、优化性能的有效途径。而该方面的研究还很不足，大量的简化使得模型相对简单。本文开展了纯工质亚临界有机朗肯循环实验研究，并基于Matlab平台构建了耦合单元过程与系统的仿真模型，除主体设备模型外，还建立了储液罐以考虑由于系统中存在不凝性气体在储液罐顶部累计

7、导致的膨胀机出口背压升高的现象；及空冷塔模型用于模拟真实空间环境中，系统对环境散热时温度和湿度的影响。改进了膨胀机模型，减少了需要实验数据回归的参数，更贴近实际过程。14kWORC试验系统ORC系统如图1所示，由热源、冷源、ORC回路、参数测量及控制系统构成。本系统采用电加热导热油锅炉模拟热源，加热功率100kW，控温精度±1℃。以环境作为冷源，冷却水为冷凝器的冷却侧介质，通过室外的闭式空冷塔向环境散热。ORC回路由工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐等构成。主要设备参数如表1所示。通过变频器调节工质泵电机转速实现工质流量

8、控制。蒸发器为自主设计的逆流套管式换热器，内管为有机工质，环隙内为导热油。膨胀机是由汽车空调用涡旋式压缩机改造而得，设计轴功率4kW。冷凝器由两个串联的板式换热器组成。膨胀机通过皮带轮、联轴器与转速转矩仪及测功电机连接，可通过变频器控制膨胀机的转矩或转速。膨胀机与电机的转速比为1.84:1