有机朗肯循环的动态仿真及变工况应用研究

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1、天津大学硕士学位论文有机朗肯循环的动态仿真及变工况应用研究AnalysistothedynamicperformancewithvariableconditionsandsimulationtoorganicRankinecycle学科专业：热能工程研究生：倪佳鑫指导教师：赵力教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要有机朗肯循环（ORC）在中低温热能回收领域有着广泛的应用，但在中低温范围内很多热源工况存在较强的波动，如太阳热能，工业或内燃机烟气余热等。ORC系统在变工况热源驱动下可能会产生如下问题：系统吸热过多导致系统内温度、压力过高，工质裂解；系统吸热不

2、足而导致膨胀机液击，系统无法正常运行。因此，研究ORC系统在变工况热源下的动态运行情况变得十分重要。以ORC系统在变工况热源下的动态特性为主要研究对象，采用实验研究与仿真模拟相结合的研究方法。首先，建立了小型的ORC实验台，对工质泵流量变化及热源流量变化两种情况下系统的动态响应特性进行了研究。同时，在Dymola®平台上建立了ORC系统的动态仿真模型库，包括换热器，膨胀机，工质泵，储液罐，集热槽等常用部件。在使用模型库部件的基础上分别研究了太阳热能驱动和内燃机余热烟气驱动的两类变工况热源下的ORC系统的运行状况，并提出了PID控制策略以适应热源工况的变化。实验

3、结果显示，工质泵流量以及热源流量显著影响系统蒸发压力和蒸发器工质出口温度，其中蒸发压力会随工质泵流量增加而增加，并且工质泵流量增加会导致蒸发器过热度下降；热源流量与蒸发压力和蒸发器工质出口温度正相关，在热源流量越大时系统的蒸发压力会相应越高。为进一步揭示系统在不同工况下的动态特性所开展的仿真研究结果显示，（1）对于太阳能ORC系统，系统输出功的极值出现在下午14:00附近，这是由于太阳入射角的影响导致集热效率在正午辐照量最高时较小；在云扰动下，蒸发器过热度越高，系统可承受的云遮挡时间越长。（2）对于内燃机ORC系统，带有中间导热油回路的ORC系统由于热惯性较大

4、，对热源波动的适应能力较强。同时，结合系统动态特性实验，针对上述变热源条件下的ORC系统，采用了PID控制方法实现泵和膨胀机的转速调节，从而降低系统蒸发压力和过热度的变化幅度，不仅稳定系统运行参数，而且提升系统输出功，结果显示对于太阳能ORC系统，添加控制的系统输出功比未使用控制的系统提升了24%，压力变化幅度也由6.3bar减小到3.8bar。对于内燃机余热ORC系统，添加控制后蒸发压力变化幅度由8.69bar减小到1.43bar，并且避免了过热度下降为零的情况。关键词：有机朗肯循环，变工况，动态响应，太阳能，内燃机余热IABSTRACTOrganicRan

5、kinecycle(ORC)iswidelyusedinmediumandlowtemperatureheatrecovery.However,mostoftheheatisfluctuating,suchasthesolarenergyandthewasteheatofindustrialgas.ItcanbecausedmanyproblemswhenORCisdrivenbyvariablecondition.Forexample,absorbingtoomuchheatinevaporatorwhentemperatureofheatsourceget

6、highercanleadtheworkingfluidgetdecomposedbecauseofthehighertemperatureofworkingfluid;ortheworkingfluidwillbetwophasestateatevaporatoroutletandcauseliquidimpactinexpanderbecauseoftheinsufficientheatabsorptionwhenthetemperatureofheatsourcechangeslower.Therefore,itisnecessarytostudythe

7、dynamicperformanceofORCsystemunderthevariablecondition.Acombinationofexperimentalresearchandsimulationstudywasadoptedtoanalysisthedynamicperformanceunderthevariableheatsource.Theexperimentalresearchmainlyconcentratedonthevariationofheatsourceflowrateandadjustmenttopumpfrequency.Mean

8、while,adynamicsimul