太阳能有机朗肯循环发电系统设计
太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统性能分析
太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统性能分析摘要：“碳中和”、“碳达峰”目标提出后，可再生能源的利用问题成为焦点。
本文提出一种新型太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统，以增加太阳能和地热能储备与应用，提高能源利用效率。
以该循环为研究对象，应用MATLAB、REFPROP等商用软件分析运行参数对太阳-地热能源与有机朗肯循环耦合发电系统的净输出功率、热效率及㶲效率的影响。
关键词：有机朗肯循环；净输出功；热效率；㶲效率1引言能源的开发和利用状况是衡量一个时代、一个国家经济发展和科学技术水平的重要标志。
以可再生清洁新能源替代传统能源的能源结构转型是减少二氧化碳排放、实现碳中和的主要路径，新能源替代传统能源为经济增长提供了新的动力和增长点[1]。
在新旧能源转化的过程中，如何提高新能源的利用效率成为当前最核心的问题。
我国2021年光伏发电新增装机达到54.88GW，创历史新高，同比增幅达到17%左右[2]。
然而由于太阳能具有间歇性和随机性等问题，利用效率低。
地热能具有稳定性高、储量丰富、分布广泛等优点[3-4]。
构建太阳能-地热能耦合系统与有机朗肯循环并用，可以有效避免太阳能利用效率低的问题，提高整个系统的热经济性。
2耦合发电系统模型2.1发电系统原理由图1和图2知，三个循环通过两个蒸发器结合在一起，地热水自生产泵提取出来后经过气液分离器分成两个部分，一部分通过蒸发器换热与ORC部分进行结合，另一部分通过太阳能蒸发器与太阳能模块结合，最后通过回灌井重新汇入地底完成循环，途中带动高压气轮机与低压汽轮机以及透平完成功的输出，进行发电。
对于有机朗肯循环，自有机工质经蒸发器吸热相变成蒸汽过后带动透平进行功的输出后，达到状态6。
随后有机工质进入到冷凝器中进行冷凝过程，到达状态7。
最后，通过工质泵进行压缩形成循环，该循环温熵图如图3所示。
图1 耦合发电系统循环简图图2地热水循环温熵图图3有机朗肯循环温熵图2.2发电系统热力学模型根据图2可以计算系统的性能参数。
有机朗肯循环发电
有机朗肯循环发电有机朗肯循环发电是一种利用有机工质进行发电的循环过程。
它是一种环保、高效的发电方式，可以有效地利用能源资源，减少对环境的污染。
在这个循环过程中，有机工质在高温下蒸发，驱动涡轮机转动，从而产生电能。
有机朗肯循环发电的基本原理是利用有机工质的特性来实现能量转换。
有机工质通常是一种具有较低沸点和较高饱和蒸汽压的液体，比如丁烷、异丁烷等。
在循环中，有机工质首先被加热到高温状态，使其蒸发成为高温高压的蒸汽。
然后，蒸汽通过涡轮机驱动涡轮旋转，产生机械能。
最后，机械能通过发电机转化为电能。
整个过程中，有机工质会冷却下来，重新变为液体状态，并重新进入循环，完成再次发电的准备。
有机朗肯循环发电的优势在于其高效性和环保性。
由于有机工质具有较低的沸点和较高的饱和蒸汽压，所以在循环过程中可以充分利用热能，提高能量的利用率。
同时，由于有机工质是可再生的，所以可以循环使用，减少能源的消耗和环境的污染。
相比传统的燃煤发电和核能发电，有机朗肯循环发电可以减少二氧化碳和其他有害气体的排放，对环境的影响更小。
有机朗肯循环发电的应用领域主要是在小型和中型发电站。
由于有机工质的特性限制，该技术在大型发电站中的应用受到一定的限制。
然而，在一些偏远地区和岛屿地区，由于电力供应的困难，有机朗肯循环发电可以成为一种可行的选择。
此外，由于有机朗肯循环发电对环境的影响较小，因此在一些环保倡导者中也受到了广泛关注和推崇。
虽然有机朗肯循环发电具有很多优势，但也存在一些挑战和问题。
首先，有机工质的选择和性能对发电效果有着重要的影响，需要针对不同的应用场景进行优化。
其次，有机朗肯循环发电的成本相对较高，需要进一步降低成本才能提高竞争力。
此外，该技术的安全性和稳定性也需要进一步加强，以确保发电过程的可靠性和安全性。
总的来说，有机朗肯循环发电是一种环保、高效的发电方式，具有广阔的应用前景。
随着技术的不断发展和完善，相信有机朗肯循环发电将成为未来能源领域的重要组成部分。
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环低温余热发电系统综述引言在工业生产过程中，大量的热能会以余热的形式排放到环境中，造成了能源的浪费。
这些废热也可能对环境造成影响。
利用余热进行发电，不仅可以提高能源利用效率，还可以减少对环境的影响。
有机朗肯循环低温余热发电系统正是一种利用余热发电的新型技术，本文将就有机朗肯循环低温余热发电系统的原理、特点、应用及发展前景进行综述。
一、有机朗肯循环低温余热发电系统的原理有机朗肯循环低温余热发电系统是利用有机朗肯循环技术，将低温余热转化为电能的一种系统。
其原理是利用有机朗肯循环工质和低温热源之间的温差来驱动发电机发电。
有机朗肯循环是将有机工质置于一个封闭的循环系统内，利用热能的输入和排出来驱动涡轮机进行发电的一种循环系统。
当有机工质受热使得蒸汽压升高时，蒸汽压推动涡轮机工作，从而带动发电机发电；而在冷凝器中，有机工质又被冷却再次变成液态，完成循环。
有机朗肯循环低温余热发电系统是通过这样一个闭合的循环系统，将低温余热转化为电能。
二、有机朗肯循环低温余热发电系统的特点1. 低温工作：有机朗肯循环低温余热发电系统的工作温度低，通常在100°C以下。
这使得这种系统可以有效利用那些传统热能利用技术无法利用的低品位热能资源，如煤矿瓦斯、生活污水、工业废热等。
2. 环保高效：有机朗肯循环低温余热发电系统的工作过程无需核心机械设备如大型锅炉或锅炉，排放的废气和废水相对较少，具有较高的环保性。
由于其低温工作特点，利用的低品位热能资源不会与食品、药品等高温生产过程相冲突，环保性较好。
3. 经济效益：有机朗肯循环低温余热发电系统具有投资少、成本低、回收期短等特点，从经济角度来看很有吸引力。
4. 可操作性强：有机朗肯循环低温余热发电系统的操作比较简便，不需要特别复杂的操作程序，管理维护成本低。
三、有机朗肯循环低温余热发电系统的应用有机朗肯循环低温余热发电系统已经在多个领域得到了应用，主要包括以下几个方面：1. 电厂余热利用：在电厂生产过程中，通常会有大量的低温余热排放，有机朗肯循环低温余热发电系统可以有效地利用这些余热进行发电，提高能源利用效率。
向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计
第４０卷第２期２０１９年２月自㊀动㊀化㊀仪㊀表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ ４０Ｎｏ ２Ｆｅｂ.２０１９收稿日期:２０１８￣０７￣２３作者简介:朱弢(１９８４ )ꎬ男ꎬ学士ꎬ工程师ꎬ主要从事ＯＲＣ余热发电设备项目的控制系统设计㊁研究ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈｕｔａｏ＠ｔｉｃａｃｈｉｎａ.ｃｏｍ向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计朱㊀弢ꎬ李㊀健ꎬ郑洪财(南京天加热能技术有限公司ꎬ江苏南京２１００３７)摘㊀要:针对目前国内向心透平类有机工质朗肯循环发电设备在行业内相对较少的现状ꎬ对该类设备的关键部件㊁控制系统进行了研究㊁设计和测试ꎬ阐述了设计指标的参考依据和整体设计过程ꎮ使用Ｒ２４５ｆａ作为有机工质ꎬ向心透平作为膨胀机ꎬ发电机选用交流异步发电机ꎮ通过ＰＩＤ算法ꎬ可实现设备在不同热源场合下的自动调节ꎻ通过软启动器等硬件ꎬ可减小异步发电机对电网的冲击ꎻ通过动态功率因数补偿装置ꎬ可保证功率因数满足分布式发电的上网要求ꎮ测试过程验证了设计的控制逻辑和算法的准确性ꎮ该设备具有安装㊁并网简单ꎬ稳定性高ꎬ操作方便等优点ꎮ研究结果表明ꎬ向心透平类有机工质朗肯循环发电设备具有很好的热点转换效率ꎬ可作为低温地热㊁余热发电装备的解决方案之一ꎬ也为不同形式的有机工质朗肯循环发电设备的进一步对比㊁研究提供了参考ꎮ关键词:余热发电ꎻ地热发电ꎻ有机工质朗肯循环ꎻ向心透平ꎻ异步发电机ꎻ膨胀机中图分类号:ＴＨ８６㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６０８６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１０００￣０３８０.２０１８０７００４４ＤｅｓｉｇｎｏｆＯＲＣＰｏｗｅｒＧｅｎｅｒａｔｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔＢａｓｅｄｏｎＣｅｎｔｒｉｐｅｔａｌＴｕｒｂｉｎｅＺＨＵＴａｏꎬＬＩＪｉａｎꎬＺＨＥＮＧＨｏｎｇｃａｉ(ＮａｎｊｉｎｇＴＩＣＡＴｈｅｒｍａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００３７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＡｔｐｒｅｓｅｎｔꎬｔｈｅｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌｔｕｒｂｉｎｅＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｆｅｗｉｎｄｏｍｅｓｔｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｉｎｄｕｓｔｒｙꎬｔｈｕｓｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｏｆｓｕｃｈｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｒｅｓｔｕｄｉｅｄꎬｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｔｅｓｔｅｄꎬａｎｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｂａｓｉｓａｎｄｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｓｉｇｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ.ＩｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎꎬＲ２４５ｆａｉｓｕｓｅｄａｓｏｒｇａｎｉｃｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄꎬｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌｔｕｒｂｉｎｅｉｓｕｓｅｄａｓｅｘｐａｎｄｅｒꎬａｎｄＡＣａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｇｅｎｅｒａｔｏｒ.ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍꎬｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃａｎｂｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｄｊｕｓｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓꎻｔｈｒｏｕｇｈｈａｒｄｗａｒｅｓｕｃｈａｓｓｏｆｔｓｔａｒｔｅｒꎬｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒｏｎｐｏｗｅｒｇｒｉｄｃａｎｂｅｒｅｄｕｃｅｄꎻｔｈｒｏｕｇｈｄｙｎａｍｉｃｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅꎬｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃａｎｂｅｇｕａｒａｎｔｅｅｄｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｔｅｓｔｐｒｏｃｅｓｓｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃａｎｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ.Ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｉｍｐｌｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎａｎｄｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎꎬｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅａｓｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ.ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｅｎｔｒｉｐｅｔａｌｔｕｒｂｉｎｅＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｈａｓｇｏｏｄｈｏｔｓｐｏｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｆｏｒｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇｅｏｔｈｅｒｍａｌａｎｄｗａｓｔｅｈｅａｔｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｏｒｇａｎｉｃｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＷａｓｔｅｈｅａｔｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎꎻＧｅｏｔｈｅｒｍａｌｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎꎻＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅ(ＯＲＣ)ꎻＣｅｎｔｒｉｐｅｔａｌｔｕｒｂｉｎｅꎻＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｇｅｎｅｒａｔｏｒꎻＥｘｐａｎｄｅｒ０㊀引言我国经济取得了举世瞩目的成就ꎬ但经济腾飞的同时也带来了高能耗和环境污染ꎮ面对能源㊁环保的双重压力ꎬ 十三五规划纲要 提出[１] 着力提升能源普遍服务水平ꎬ全面推进能源生产和消费革命ꎬ努力构建清洁低碳㊁安全高效的现代能源体系 的指导思想ꎬ要求在提高化石能源利用率的同时ꎬ推进绿色低碳再生能源的利用和分布式发电的发展ꎮ我国是火力发电大国ꎮ火力发电主要使用以煤为代表的化石能源ꎬ能耗量高㊁污染较大ꎮ为解决此问题ꎬ目前国内外都在尝试利用地热能㊁太阳能㊁风能㊁生物质能等高效㊁清洁的新能源ꎬ替代传统化石能源进行分布式发电[２￣３]ꎮ这一趋势已成为国际能源发展的新一轮调整目标之一ꎮ有机工质朗肯循环(ｏｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅꎬＯＲＣ)自㊀动㊀化㊀仪㊀表第４０卷发电是一种利用低品位(３００ħ以下)可再生能源作分布式发电的技术ꎬ具有消耗燃料少㊁污染小㊁安全可靠㊁投资回报率高等优点ꎮ该技术在能源危机的国际形势下ꎬ越来越得到重视ꎮ但最新研究成果主要集中在美㊁以㊁意㊁日等发达国家ꎮ我国近年发展势头迅猛ꎬ有部分的研究成果输出和项目落地[４￣６]ꎮ本文介绍了使用向心透平所设计的中等功率(３００ｋＷ)有机工质朗肯循环发电设备ꎮ１㊀系统设计本文研究内容涵盖了有机工质朗肯循环的热源选择㊁目标定位㊁膨胀机㊁工质选择㊁总体结构设计和控制方案等ꎮ１.１㊀目标热源中国地热总量占世界总量７.９％[７]ꎬ主要为中低温热水ꎮ根据国土资源部地质调查局２０１５年调查结果ꎬ全国３３６个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合７亿吨标准煤ꎬ水热型地热能年可开采资源量折合１９亿吨标准煤[８]ꎬ具有庞大的低温地热资源开发潜力和市场价值ꎮ在工业余㊁废热方面ꎬ我国的炼钢㊁化工㊁水泥㊁燃气轮机等行业有大量的低品位(９０~２００ħ)废烟气或蒸汽排放ꎬ将其合理回收并用于发电ꎬ既可提高能源的综合利用率ꎬ又能带来经济效益ꎮ综合考虑ꎬ本文以温度为９０~１５０ħ的地热㊁工业余热作为目标热源ꎮ１.２㊀目标发电量国家电网公司对分布式能源的接入电压等级推荐如下:８ｋＷ及以下可接入２２０Ｖꎻ８~４００ｋＷ可接入３８０Ｖꎻ４００~６０００ｋＷ可接入１０ｋＶ[９]ꎮ为方便用户自发自用㊁余电上网ꎬ在两种电压等级同时满足接入条件时优先采用低电压等级接入[１０]ꎮ本文采用异步式发电机ꎬ以电压３８０Ｖ㊁总发电功率３００ｋＷ作为设计目标ꎬ且允许短时间内超载１０％ꎮ１.３㊀膨胀机膨胀机是有机工质朗肯循环发电设备的关键部件ꎬ常见的有容积式和速度式ꎮ容积式有涡旋㊁螺杆等形式ꎬ一般适用于小流量的中小型系统[１１]ꎻ速度式有向心透平㊁轴流透平㊁混流透平等ꎬ依靠工质流体在流经喷嘴时所产生的高流速推动膨胀机动叶片旋转产生机械能[１２]ꎬ更适用于３００ｋＷ的中等功率场合ꎮ与螺杆膨胀机相比ꎬ向心透平膨胀机具有系统简单㊁故障率低的优点ꎬ且等熵膨胀效率可达８５％~９０％ꎮ考虑地热项目需要机组室外运行ꎬ发电机与透平机的机械连接需要设计为ＩＰ６８的高防护等级ꎮ异步发电机转子与透平机通过齿轮传动ꎮ发电机定㊁转子ꎬ齿轮ꎬ轴承等机械部件全部位于同一壳体内ꎮ１.４㊀有机工质选择常用的有机工质有Ｒ２４５ｆａ㊁Ｒ６００㊁Ｒ６００ａ㊁Ｒ１３４ａ㊁Ｒ１２３等ꎮ本文结合目标热源及工质的蒸发/冷凝压力㊁环境友好性㊁与润滑油的兼容性等特点ꎬ选择Ｒ２４５ｆａ作为研究工质ꎮＲ２４５ｆａ的化学式为ＣＦ３ＣＨ２ＣＨＦ２ꎬ蒸发温度为１４.９ħꎬ临界温度为１５４ħꎬ临界压力为３.６４ＭＰａꎬ全球变暖潜能值为１０３０[１３]ꎮ１.５㊀系统结构蒸发器的设计需先选定换热器的类型ꎬ如管式换热器或板式换热器等ꎮ冷凝器的设计需先在水冷或空冷两种方式中选择ꎮ本设计中ꎬ考虑到设备体积小㊁结构紧凑的要求ꎬ所以选择换热面积小㊁传热系数好的水冷式冷凝器ꎮ工质泵采用多级离心泵ꎬ配有变频器ꎬ以适应变工况场合下的转速调整ꎮ本文的主要设备及其参数如表１所示ꎮ表１㊀主要设备及其参数列表Ｔａｂ.１㊀Ｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ设备名称主要参数㊀蒸发器冷凝器工质泵多级离心泵ꎬ６０Ｈｚꎬ１５.５ｋＷꎬ扬程１２０ｍ发电机５０Ｈｚꎬ２极ꎬ３００ｋＷꎬ功率因数０.９０２㊀控制系统本设计以西门子Ｓ７￣１２００ＰＬＣ作为控制器ꎬ数字量扩展模块选用ＳＭ１２２３ꎬ模拟量扩展模块选用ＳＭ１２３１ꎮ控制硬件包括热源调节阀门㊁透平阀门㊁工质泵㊁油加热器㊁油泵等ꎮ主要传感器包括:蒸发器㊁冷凝器的温度㊁压力㊁液位传感器ꎬ工质泵的出口压力传感器ꎬ发电机转速传感器ꎬ多功能电力仪表ꎮ考虑到应尽量减小异步发电机以电动机形式启动时给电网带来的冲击ꎬ本文使用具有驱动和发电双向功能的软启动器来驱动异步发电机ꎬ并利用该软启动器对有机工质朗肯循环发电设备的发电质量进行实时监控ꎬ确保电压㊁电流㊁频率等数据在标准范围内ꎮ控制系统主要仪表及其参数如表２所示ꎮ６１第２期㊀向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计㊀朱㊀弢ꎬ等表２㊀主要仪表及其参数列表Ｔａｂ.２㊀Ｍａｉｎｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｉｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ仪表主要参数精度热电阻(Ｐｔ１００)ＷＺＣＰＫＤꎬ－３０~＋２００ħＡ级压力传感器ＤＹＫꎬ０~３ＭＰａʃ２.５％量程液位传感器０~８００ｍｍʃ３ｍｍ转速传感器磁阻式ꎬ３.６Ｖ(Ｐ－Ｐ)ʃ０.５％多功能电力仪表有功㊁无功㊁视在㊁电压㊁电流㊁频率等无功１级ꎬ㊀其他０.５级㊀２.１㊀控制逻辑有机工质朗肯循环发电设备按其运行的主要阶段ꎬ划分为待机㊁预热㊁发电㊁关机四个步骤ꎮ控制逻辑流程如图１所示ꎮ图１㊀控制逻辑流程图Ｆｉｇ.１㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃ设备通电后即进入待机状态ꎬ开始对润滑油进行加热和搅拌ꎬ同时等待开机启动命令ꎮ当设备接收到启动命令后ꎬ首先判断润滑油是否已经加热至目标温度(６０ħ)ꎬ然后检查压缩空气㊁冷却水循环㊁急停报警等机组运行的必要条件是否满足ꎮ如果条件未满足ꎬ则提示操作者并继续等待直至满足ꎻ如果条件全部满足ꎬ则设备进入预热过程ꎬ同时打开热源阀门开始换热ꎮ此过程以在设备内建立具有一定压差的热力循环系统为目标ꎬ为后续的发电过程创造必要条件ꎮ工质泵在此阶段开始运行ꎬ并为工质的内部循环提供动力ꎮ一旦热力系统压差达到设定目标值ꎬ机组会在润滑透平轴承一段时间后以电机形式启动发电机ꎬ待发电机到达额定转速后打开透平阀门ꎬ使高压有机工质蒸汽进入透平腔ꎬ拖动向心透平旋转ꎬ驱动发电机进入发电模式ꎮ如果设备在运行过程中发生故障或人为停机ꎬ机组会立即切断热源阀门并同时停止并解列发电机ꎮ机组解列逻辑如图２所示ꎮ机组解列后ꎬ自动控制内部热力系统冷却㊁降压后再次重新进入待机状态ꎬ等待下一次启动命令ꎮ图２㊀解列逻辑示意图Ｆｉｇ.２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｏｆｆ￣ｌｉｎｅｌｏｇｉｃ２.２㊀控制算法２.２.１㊀热源阀门开度计算有机工质朗肯循环发电设备的发电量大小主要取决于进入机组的热源热量ꎬ所以控制算法的重点是热源阀门开度的控制ꎬ使实际发电量与目标发电量相一致ꎮ当实际发电量小于目标发电量时ꎬ增大热源阀门开度ꎻ反之ꎬ则减小热源阀门开度ꎮ同时ꎬ应考虑蒸发器和冷凝器的压力保护ꎬ防止在提高实际发电量的过程中造成蒸发器或冷凝器的压力过高ꎮ压力容器的实际压力值也应代入ＰＩＤ计算ꎬ并在压力偏高时自动减小阀门开度ꎬ以缓解压力持续升高的趋势ꎮ为保证实际热源阀门开度与计算量的对应关系ꎬ需要在输出模拟量信号之前把计算得到的线性曲线转换为阀门特性曲线ꎮ有机工质朗肯循环发电设备的ＰＩＤ控制示意图如图３所示ꎮ图３㊀ＰＩＤ控制示意图Ｆｉｇ.３㊀ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ２.２.２㊀功率因数补偿ＧＢ/Ｔ３３５９３￣２０１７标准要求异步发电机类型分布式电源通过３８０Ｖ电压等级并网时ꎬ并网点功率因数应在０.９８(超前)~０.９８(滞后)范围内可调节[１４]ꎮ７１设发电量范围为１００~３００ｋＷꎬ功率因数为０.９０ꎮ通过式(１)和式(２)计算ꎬ得到设备的视在功率范围为１１１.１~３３３.３ｋＶ Ａꎬ无功功率范围为４８.４~１４５.３ｋＶａｒꎮ有功功率为:Ｐ＝ＳｃｏｓΦ(１)无功功率为:Ｑ＝ＳｓｉｎΦ(２)式中:Ｓ为视在功率ꎻＰ为有功功率ꎻＱ为无功功率ꎻøΦ为功率因数角[１５]ꎮ由于工业余热和地热作为热源都存在波动ꎬ所以发电量也会发生变化ꎬ需要选择多组功率因数补偿装置作动态补偿ꎮ本设计通过计算ꎬ选择一个５０ｋＶ的功率补偿器作为最低发电功率时的静态功率补偿ꎬ再按发电量每增加７０ｋＷ投入一组３０ｋＶ的动态补偿ꎬ可保证ＯＲＣ发电设备在总发电量范围为１００~３３０ｋＷ的功率因数ꎬ始终满足０.９８(超前)~０.９８(滞后)的要求ꎮ３㊀测试３.１㊀测试平台简介本文的测试平台由热水(蒸汽)循环装置㊁冷却水循环装置㊁电力装置三部分构成ꎬ如图４所示ꎮ平台配合向心透平有机朗肯循环发电设备发电ꎬ验证控制逻辑和算法ꎬ测算实际发电量ꎮ热水循环装置包括变频热水泵㊁温度计㊁压力表㊁质量流量计等ꎬ热源来自工厂余热ꎬ作用是为设备的蒸发器提供目标流量下的热源ꎮ冷却水循环装置包括冷水泵㊁冷却风扇㊁温度计和涡街流量计等ꎬ向冷凝器提供目标温度㊁流量的冷却水ꎮ电力装置连接３８０Ｖ电源ꎬ接入点和接入方式需提前到当地供电局申报并备案ꎮ该部分包括断路器㊁多功能双向计量电表等ꎮ图４㊀测试平台示意图Ｆｉｇ.４㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍ３.２㊀测试情况测试前ꎬ需对设备通电ꎬ在等待润滑油预热升温至目标温度的同时ꎬ检查压缩空气㊁冷却水㊁热源等启动条件ꎮ润滑油加热完毕后ꎬ设定冷却水的目标温度㊁流量并在设备的冷凝器中建立冷却水循环ꎮ随后开始测试ꎮ测试分为控制逻辑测试和算法验证两部分ꎮ测试设备控制逻辑的目的是确认机组的启动㊁停止㊁保护等功能都及时㊁有效ꎬ且设备可以在发生紧急停止等异常状况时及时自动关闭ꎬ不会影响压力容器㊁电网ꎬ造成潜在危险ꎮ测试的第二步是验证设备热源阀门的ＰＩＤ控制算法和优化ＰＩＤ参数ꎮ阀门控制的算法必须在热源发生波动而影响发电量时ꎬ及时作出适当的调整ꎬ以维持机组的长期稳定运行ꎮ如果调整速度过快或过慢ꎬ都有可能引起发电量超限等故障而导致关机ꎮ通过试验和参数优化ꎬ设备可以在热源波动的情况下ꎬ基本稳定实际发电量ꎮ热源阀门的ＰＩＤ调节效果如图５所示ꎮ当目标发电量设置为２２０ｋＷ时ꎬ即使热源有较大幅度波动(１０ħ)ꎬ实际发电量仍然比较稳定ꎮ图５㊀热源阀门的ＰＩＤ调节效果Ｆｉｇ.５㊀ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｏｆｈｅａｔｒｅｓｏｕｒｃｅｖａｌｖｅ４㊀结束语本文设计了向心透平有机工质朗肯循环发电设备ꎮ该设备以低温工业余热和低温地热作为目标热源ꎬ可以利用低温热源发电ꎬ具备３００ｋＷ的总发电能力ꎬ净发电量约２８０ｋＷꎮ其ＰＩＤ算法可根据实际热源变化情况自动调节热源进量ꎬ从而稳定实际发电量ꎮ试验所得数据证明ꎬ该设备可对８０~１５０ħ的中低温余热进行回收ꎬ电能转化效率约为１０％ꎬ具有很高的市场价值ꎮ参考文献:[１]国家发展改革委.能源发展 十三五 规划(公开发布稿)[ＥＢ/ＯＬ].[２０１６￣１２￣２６].ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｎｄｒｃ.ｇｏｖ.ｃｎ/ｚｃｆｂ/ｚｃｆｂｔｚ/２０１７０１/Ｗ０２０１７０１１７３３５２７８１９２７７９.ｐｄｆ.[２]牟初夫ꎬ王礼茂ꎬ屈秋实ꎬ等.主要新能源发电替代减排的研究综述[Ｊ].资源科学ꎬ２０１７ꎬ３９(１２):２３２３￣２３３４.[３]刘吉臻ꎬ王玮ꎬ胡阳ꎬ等.新能源电力系统控制与优化[Ｊ].控制理论与应用ꎬ２０１６ꎬ３３(１２):１５５５￣１５６１.㊀㊀㊀㊀㊀㊀(下转第２２页)成损伤ꎬ则记录此时的相位差ꎬ并保存至数据库ꎮ在全程的试验过程中ꎬ由于设备精度和试验条件的限制ꎬ所测量的数据相对于理论数据会产生一些偏差ꎬ但仍然具有一定的参考价值ꎮ试验表明:该装置操作简便㊁功能完善㊁精度可靠ꎬ可作为力反馈系统数据库收集的试验平台ꎬ为相关技术的深层次研究提供了一个有效的分析监控平台ꎮ５ 结束语本文研究了西门子ＰＬＣ与组态王软件协同配合的设计方案[９]ꎬ所设计的试验装置实现了手术器械与生物肠道之间的力信号采集监控ꎮ将微光纤传感器㊁ＰＬＣ控制器和组态王的虚拟仪器技术相结合ꎬ应用于器械末端的信号采集系统中ꎬ实现了数据采集的智能化和一体化ꎮ试验装置采集到的相位信号ꎬ通过砝码校准也反映了力的信息[１０]ꎮ将采集到的测试端头在不同运动状态下进入肠道内的相位变化信息ꎬ储存到数据库ꎬ为今后智能手术机器人力反馈系统奠定了数据基础ꎮ参考文献:[１]手术机器人可能存在安全问题[Ｊ].中华中医药学刊ꎬ２０１５(９):２１６８￣２１６８.[２]张乔冶.达芬奇手术机器人系统及其应用[Ｊ].医疗装备ꎬ２０１６ꎬ２９(９):１９７￣１９８.[３]倪敏ꎬ冉曾令ꎬ鲁恩ꎬ等.１５７ｎｍ激光微加工制作的微光纤压力传感器[Ｊ].激光与光电子学进展ꎬ２０１１ꎬ４８(１２):５２￣５５. 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有机朗肯循环系统研究综述
有机朗肯循环系统研究综述引言：随着全球对环境保护和可持续发展的关注不断增加，研究人员们对能源利用效率的提高提出了更高的要求。
有机朗肯循环系统作为一种新型的能量转换技术，在近年来受到了广泛的关注和研究。
本文将对有机朗肯循环系统的研究现状进行综述，探讨其在能源领域的潜力和应用前景。
一、有机朗肯循环系统的基本原理有机朗肯循环系统是一种利用有机工质代替传统的水蒸汽工质的能量转换系统。
其基本原理是通过有机工质在高温和低温之间的相变过程来实现能量的转换。
相比于水蒸汽工质，有机工质具有更低的沸点和更高的蒸发潜热，因此在相同的工作温差下，有机朗肯循环系统具有更高的效率和更广泛的适用性。
二、有机朗肯循环系统的研究进展近年来，有机朗肯循环系统的研究进展迅速。
研究人员们通过对不同有机工质的选择和优化，实现了对系统效率的提升。
同时，他们还对循环参数进行了优化，如循环压力、温差、工质流量等，以最大限度地提高能量转换效率。
此外，还有研究者利用多级蒸发器和冷凝器的组合，实现了对系统效率的进一步提升。
三、有机朗肯循环系统的应用领域有机朗肯循环系统在能源领域具有广泛的应用前景。
一方面，它可以应用于热能利用，将废热转化为有用的电能或机械能，提高能源利用效率。
另一方面，它还可以应用于太阳能和地热能的开发利用，实现对可再生能源的高效转换。
此外，有机朗肯循环系统还可以应用于化工、制冷空调等领域，提高工业过程的能源利用效率。
四、有机朗肯循环系统的挑战与展望虽然有机朗肯循环系统在能源领域具有广泛的应用前景，但仍然存在一些挑战需要克服。
首先，有机工质的选择和优化仍然是一个关键问题，需要更深入的研究和实验验证。
其次，系统的稳定性和可靠性也是一个重要的考虑因素，需要通过合理的控制策略和设备设计来解决。
此外，还需要进一步优化系统的经济性和环境友好性，以提高其在实际应用中的竞争力。
结论：有机朗肯循环系统作为一种新型的能量转换技术，具有广阔的应用前景。
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机兰肯循环是一种利用低温热能发电的技术。
它的主要特点是在低温区域中利用液
态有机物的汽化热，产生高压蒸汽驱动涡轮机发电。
与传统的蒸汽兰肯循环相比，有机兰肯循环的优点在于能够利用温度更低的热源进行
发电，如工业余热、地热、太阳能热等，因此具有广泛的应用前景。
有机兰肯循环的基本工作原理是将液态有机物在低温区通过加热蒸发成气态有机物，
将其压缩成高压气体，然后通过涡轮机将其扩张，产生功率。
与传统的蒸汽兰肯循环不同，有机兰肯循环利用的是液态有机物的汽化热，因此其工作温度范围更低，可以利用低温热
源进行发电。
在有机兰肯循环系统中，液态有机物是循环流体，通过蒸发、压缩和冷凝等过程，完
成能量的转换。
有机兰肯循环系统主要包括蒸发器、压缩机、冷凝器和发电机等组件。
其中，蒸发器是将低温热源传递给液态有机物的关键部件，压缩机则将蒸发出来的气态有机
物压缩成高温高压气体，进而将它们输送至涡轮机中进行劳动。
有机兰肯循环的适用范围非常广泛，可以应用于各种低温热源的能量利用，如污水处
理厂、钢铁冶炼厂、医院、矿山、地热发电等。
其中，工业余热是最大的低温热源之一，
利用有机兰肯循环发电可以实现工业节能减排，促进经济可持续发展。
总之，有机兰肯循环是一种利用低温热能的高效、环保的发电技术。
随着科技的不断
发展和应用的不断拓展，有机兰肯循环将在能源领域发挥越来越重要的作用。
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环(ORC)低温余热发电系统是一种利用低温余热产生电力的技术。
该系统
在工业生产和能源利用过程中，将产生的低温余热通过热交换器与有机工质进行换热，使
工质蒸汽产生膨胀，驱动涡轮机旋转，最终将机械能转换为电能，并输送到电网供应。
ORC低温余热发电系统可以应用于多种工业领域，如钢铁、化工、制冷等。
因为这些
工业过程常常产生高温的废热，此外，ORC低温余热发电系统还可以应用于地热、太阳能、生物质等能源领域，利用这些低温热源发电。
ORC低温余热发电系统的优势在于其可以利用低品位能源进行独立发电，实现能量回
收和节能减排的目的。
另外，由于工质蒸汽不依赖于水，不会产生二次污染，因此相对于
传统的蒸汽发电系统具有更加卫生环保的特点。
同时，ORC低温余热发电系统还可与太阳能、地热等AGEN热源结合使用，形成新型能源系统，实现更高效的能源利用。
但是，ORC低温余热发电系统也存在一些技术难题及挑战。
一方面，虽然工质选择广泛，但是其性能、耐久性及安全性等方面还需要进一步研究和开发。
另一方面，该技术需
要高品质的制冷系统和预处理设备的支持，成本相对较高，需要一定的投资和经营成本。
目前，随着能源需求的不断增加和环保意识的普及，ORC低温余热发电系统将会有广
泛的市场应用前景，并且将会有更加多元化的应用方向。
因此，对于该技术的研究、开发
和应用都有很大的空间和发展机会。
orc有机朗肯循环计算
orc有机朗肯循环计算
有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）是一种热力循
环过程，通常用于从低温热源中产生电力。
它是一种类似于蒸汽轮
机循环的能量转换过程，但是使用有机工质（如烷烃、酮类或氟化
碳化合物）而不是水作为工质流体。
有机朗肯循环通常用于利用低
温余热、太阳能、地热或工业废热等低品位热源来产生电力。
有机朗肯循环的基本工作原理是通过将有机工质加热至其沸点，使其蒸发成为高压蒸汽，然后利用高压蒸汽驱动涡轮发电机来产生
电力。
随后，通过冷凝器将高压蒸汽冷却成液态，再次输送至加热
器循环利用，形成闭合的循环过程。
有机朗肯循环的优点之一是它可以在较低的温度下运行，这使
得它适用于许多能源资源的利用，如地热、太阳能和工业废热。
此外，有机工质通常具有较低的沸点，这意味着它们可以在相对低的
温度下蒸发，从而提高能源利用效率。
然而，有机朗肯循环也面临一些挑战，比如有机工质的选择需
要考虑其环境友好性和安全性，以及循环系统的设计需要考虑到工
质的性质和循环过程的稳定性。
此外，有机朗肯循环的效率受到很
多因素的影响，包括工质的选择、循环参数的优化以及系统的热损耗等。
总的来说，有机朗肯循环是一种重要的能源利用技术，它在低温热能资源的利用和能源可持续发展方面具有潜在的应用前景。
随着对清洁能源和能源高效利用的需求不断增加，有机朗肯循环技术的发展和应用将继续受到关注和重视。
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太阳能有机朗肯循环发电系统设计
1背景：
太阳能是可再生的绿色能源。白天，在标准太阳光照下，即大气质量AM1.5、温度为
25℃的条件下，辐射强度为1000W/m2，如果可以把这些能量用来发电，我们的能源紧张的
问题肯定能得到缓解。若发电效率达到一定值，肯定能解决能源紧张和现有的化石燃料污染
环境的问题
近年来，有机朗肯循环的研究工作正在大力进行，它是利用低温热源的热量输出机械能
或发电的理想方式。可利用的热源种类包括：太阳能、生物质能、地热能以及工厂发热等。
与朗肯蒸汽动力循环相似，不同的是有机朗肯循环使用的工质是有机物，因此相对于蒸汽循
环，工质的蒸发温度可以减低。Fenton 等介绍了利用以R113 为循环工质，利用太阳能发电
灌溉的系统[1]。有机朗肯循环的经济性直接决定于循环工质的热力学性质。因此应该选择
合适的循环工质，评价标准包括循环效率高、排气比容小、工作压力正常及环境友好等。有
些学者针对循环工质的评价标准，做出了相关的探讨。不同的循环工质需要单独的设计循环
设备，从而决定循环设备投资大于运行费用。对于实际运行而言，有机工质的性质如环境友
好性、化学稳定性等对有机朗肯循环也具有重要的影响。
在有机朗肯循环发电中，有机工质的选择是很重要的一点。有机朗肯循环工质的选择应
尽量满足以下要求:
(1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性及对设备管道的腐蚀性等) . 为了防止操作不
当等原因导致工质泄漏, 致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体.
(2) 环保性能. 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量
选用没有破坏臭氧能力和温室效应低的工质, 如HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物或其卤代
烃.
(3) 化学稳定性. 有机流体在高温高压下会发生分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易
爆炸和燃烧, 所以要根据热源温度等条件来选择合适的工质.
( 4) 工质的临界参数及正常沸点. 因为冷凝温度受环境温度的限制, 可调节范围有限,
工质的临界温度不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质.
( 5) 工质廉价、易购买.
2工作原理：
有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，
集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器
中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出
的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一
次发电循环。
图1 有机朗肯循环原理图
图2 工质的热力循环过程
3计算
3.1原始资料：
设计一个有机朗肯循环发电系统。太阳能热水器热水作为热源，热水进口温度90℃，
出口温度85℃。冷去水温度为环境温度，20℃。发电系统总功率10kw，机械效率0.98，发
电机效率0.99。不考虑换热损失，不考虑蒸汽做功过程中的不可逆因素。
3.2要求：
选择合适的有机工质及其工作温度范围，画出T－S图。确定热水流量、冷却水流量、
工质流量，最大发电效率。
3.3计算步骤：
经过阅读文献[1],[]2],[3]，选择干工质R123为循环工质。
图2 中的热力学过程与图1 对应,1-2为膨胀做功过程，2-3为等压冷凝过程，3-4为工
质升压过程，4-5-6-1为定呀加热及蒸发过程，其中4-5为过冷段，5-6为蒸发段，6-1为过
热段。
假设工质的蒸发温度为80℃，冷凝温度为30℃，过热度为2℃
膨胀机的等熵效率设为0.85，即i=0.85。工质泵的效率设为0.72，即p=0.72。
由上述已知条件，经过查图查表[4]的方法确定各点的状态参数。其中2点参数的确定方法，
先由等熵过程S7=S1，再根据等压过程P7=P3，可确定h7。4点焓值的确定方法类似。再由
等熵效率7121hhhhi得出)(7112hhhhi，得出各点状态参数如下：
状态点 温度t（℃）
焓值（kgkJ/）
1 82 430
2 32 404.5
3 30 230.26
4 32 232
5 80 283.35
膨胀机所做的净功
kgkJhhhhWPnet/08.2372.0/)26.230232()5.404430(/)()(3421
吸收量kgkJhhQ/19823243041
循环效率%66.1119808.23QWnetC
蒸发温度的平均对数温差为℃21.780858090ln8590kt
蒸发器实际传热温差为℃）（）（6.3882-9032-85ln82-90-8590kt
冷凝温度的平均对数温差为℃21.725-3020-30ln20-25ot
冷凝器实际传热温差为℃3.825322030ln)2532()2030(ot
假设的蒸发温度和冷凝温度，计算得到的蒸发温度对数温差与蒸发器实际传热温差，冷
凝温度的对数温差与冷凝器实际传热温差都相差不大，在允许范围内。所以假设的蒸发温度
和冷凝温度合适，计算成立。若两者温差较大则需要重新假定温度进行计算。
实际功率kWPPvme307.1098.0*99.010
工质流量htskghhPM/455.1/4042.05.404430307.10210
根据热平衡方程：
)()(3202hhMcttMPBB
)()(4101hhMcttMPAA
冷却水流量htskgctthhMMPBB/1.12/35.32.4)2025()26.2305.404(4042.0)()(3202
热水流量htskgctthhMMPAA/7.13/81.32.4)8590()232430(4042.0)()(4101
最大发电效率%5.12)232430(4042.010)(410hhMPe
参考文献：
[1] 乔卫来,陈九法,薛琴,郑红旗.太阳能驱动有机朗肯循环的工质比较[J].能源研究与利
用.2010:31-36
[2] 李晶.太阳能有机朗肯循环中低温热发电系统的数值优化及实验研究[D].北京：2011
[3] 王辉涛,王华.低温太阳能热力发电有机朗肯循环工质的选择[J].动力工
程.2008(29):287-291
[4] 余晓福.水和水蒸汽热力性质图表[M].北京:高等教育出版社,2009