[發(fā)明專利]可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410594544.5
• 申請日: 2014-10-29
• 公開（公告）號: CN104533555A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史榕頎;彭杰;張揚(yáng)軍;諸葛偉林;李輝;李楠
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: F01K25/00
• 分類號: F01K25/00
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

背景技術(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)利用低品位熱源使有機(jī)工質(zhì)蒸汽帶動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，是回收利用大量工業(yè)余熱和自然能源的有效途徑。在熱源熱量較為穩(wěn)定的條件下，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制相對簡單。但大量的工業(yè)余熱并不都是穩(wěn)定熱源，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的熱量，其占燃油燃燒產(chǎn)生總熱量的60％～70％左右。在熱源熱量不斷變化的條件下，通常需要不斷調(diào)整有機(jī)工質(zhì)流量以獲得蒸發(fā)器內(nèi)穩(wěn)定的蒸汽溫度和壓強(qiáng)，但同時(shí)為了保證膨脹機(jī)的穩(wěn)定工作，仍然有大部分蒸汽吸熱后不經(jīng)過做功直接放熱。

目前，在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面，通常在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加換熱器、膨脹機(jī)以及增加新的熱循環(huán)，如高低溫雙朗肯循環(huán)等，這些解決方案普遍較為復(fù)雜且改進(jìn)效果有限。對于蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)建模主要有移動(dòng)邊界法和有限體積法，從面向控制的角度來說，二者建立的模型應(yīng)用于控制設(shè)計(jì)的過程較為繁瑣，加之可變熱源的不確定擾動(dòng)作用，使有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的建模與控制更加困難。在控制設(shè)計(jì)方面，單變量控制策略以蒸汽溫度或過熱度作為控制目標(biāo)，目標(biāo)值需要在熱源、工質(zhì)壓強(qiáng)和流量的不斷變化條件下進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；多變量控制策略以蒸汽溫度和壓強(qiáng)同時(shí)作為控制目標(biāo)，需要解決二者之間的強(qiáng)耦合問題；兩種控制策略下工質(zhì)流量均作為控制量在不斷變化，這不僅帶來膨脹機(jī)流量控制和冷凝器溫度控制等新問題，也增加了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定因素。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效提高熱源熱量利用率，且系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，包括：有機(jī)朗肯循環(huán)模塊、熱源廢氣再循環(huán)模塊、儲能模塊和控制模塊，其中，所述有機(jī)朗肯循環(huán)模塊包括工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和儲液罐；所述熱源廢氣再循環(huán)模塊包括第一和第二再循環(huán)閥門以及廢氣增壓泵，所述第一和第二再循環(huán)閥門連接在所述蒸發(fā)器的廢氣側(cè)出?口，并根據(jù)所述控制模塊的指令調(diào)整閥片開度，以調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣流量，所述廢氣增壓泵連接在第一再循環(huán)閥門和一個(gè)三通接頭之間，以對再循環(huán)廢氣進(jìn)行增壓；所述儲能模塊用于與再循環(huán)廢氣和發(fā)動(dòng)機(jī)新排放的廢氣的混合廢氣進(jìn)行熱交換，所述儲能模塊連接在所述三通接口和蒸發(fā)器的廢氣側(cè)入口之間；所述控制模塊包括外環(huán)蒸發(fā)壓強(qiáng)控制器、控制分配器和多個(gè)內(nèi)環(huán)閥門PID控制器，所述外環(huán)蒸發(fā)壓強(qiáng)控制器由PD控制器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、模型參數(shù)和擾動(dòng)補(bǔ)償算法構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)所述混合廢氣的流量控制有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)壓強(qiáng)，所述控制分配器根據(jù)所述外環(huán)蒸發(fā)壓強(qiáng)控制器計(jì)算的期望混合廢氣的流量，得到各個(gè)閥門的閥片開度的期望值，所述多個(gè)內(nèi)環(huán)閥門PID控制器通過調(diào)節(jié)閥門電壓分別控制各個(gè)閥門的閥片開度。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用熱源廢氣再循環(huán)的方式對發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣流量不足的情況進(jìn)行補(bǔ)充，采用儲能模塊進(jìn)一步縮小廢氣溫度變化范圍，此外不增加新的子模塊和熱循環(huán)，不僅大幅提高了變化熱源熱量的回收利用率，而且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案簡捷實(shí)用；另外，熱源廢氣再循環(huán)設(shè)計(jì)方案以廢氣流量作為控制量，使得有機(jī)工質(zhì)流量可以保持不變，系統(tǒng)的控制量從有機(jī)朗肯循環(huán)內(nèi)部轉(zhuǎn)移到了外部，從而避免了過熱度動(dòng)態(tài)優(yōu)化計(jì)算、蒸汽溫度與蒸發(fā)壓強(qiáng)解耦控制、膨脹機(jī)流量調(diào)節(jié)和冷凝溫度控制等問題，不僅簡化了控制設(shè)計(jì)，而且提高了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性；進(jìn)一步地，該系統(tǒng)基于自抗擾控制技術(shù)，推導(dǎo)出對于蒸發(fā)壓強(qiáng)控制問題具有一般性的模型參數(shù)，極大地簡化了面向控制的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)建模的過程，且控制器調(diào)試簡單，實(shí)現(xiàn)了在熱源熱量的不確定擾動(dòng)作用下蒸發(fā)壓強(qiáng)和蒸汽溫度的穩(wěn)定控制。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的可變熱源有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述儲能模塊為金屬管換熱器。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述有機(jī)工質(zhì)為中低溫環(huán)保制冷劑R134a。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸發(fā)壓強(qiáng)的設(shè)定閾值為20bar，此時(shí)有機(jī)工質(zhì)對應(yīng)的飽和溫度為67.5℃。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括第三和第四閥門，所述控制模塊用于在所述蒸發(fā)壓強(qiáng)大于所述蒸發(fā)壓強(qiáng)的設(shè)定閾值時(shí)，控制所述第三閥門開度減小，所述第四閥門開度增大，同時(shí)所述第一再循環(huán)閥門關(guān)閉，所述第二再循環(huán)閥門全開。