[发明专利]可变热源有机朗肯循环系统

说明书

技术领域

本发明涉及节能减排技术领域，特别涉及一种可变热源有机朗肯循环系统。

背景技术

有机朗肯循环系统利用低品位热源使有机工质蒸汽带动涡轮机发电，是回收利用大量工业余热和自然能源的有效途径。在热源热量较为稳定的条件下，有机朗肯循环系统的设计和控制相对简单。但大量的工业余热并不都是稳定热源，例如汽车发动机废气的热量，其占燃油燃烧产生总热量的60％～70％左右。在热源热量不断变化的条件下，通常需要不断调整有机工质流量以获得蒸发器内稳定的蒸汽温度和压强，但同时为了保证膨胀机的稳定工作，仍然有大部分蒸汽吸热后不经过做功直接放热。

目前，在有机朗肯循环系统设计和改进方面，通常在原系统基础上增加换热器、膨胀机以及增加新的热循环，如高低温双朗肯循环等，这些解决方案普遍较为复杂且改进效果有限。对于蒸发器的动态建模主要有移动边界法和有限体积法，从面向控制的角度来说，二者建立的模型应用于控制设计的过程较为繁琐，加之可变热源的不确定扰动作用，使有机朗肯循环系统的建模与控制更加困难。在控制设计方面，单变量控制策略以蒸汽温度或过热度作为控制目标，目标值需要在热源、工质压强和流量的不断变化条件下进行优化计算；多变量控制策略以蒸汽温度和压强同时作为控制目标，需要解决二者之间的强耦合问题；两种控制策略下工质流量均作为控制量在不断变化，这不仅带来膨胀机流量控制和冷凝器温度控制等新问题，也增加了有机朗肯循环系统工作的不稳定因素。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可变热源有机朗肯循环系统，该系统原理简单，易于实现，能够有效提高热源热量利用率，且系统稳定性强。

为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种可变热源有机朗肯循环系统，包括：有机朗肯循环模块、热源废气再循环模块、储能模块和控制模块，其中，所述有机朗肯循环模块包括工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器和储液罐；所述热源废气再循环模块包括第一和第二再循环阀门以及废气增压泵，所述第一和第二再循环阀门连接在所述蒸发器的废气侧出 口，并根据所述控制模块的指令调整阀片开度，以调节再循环废气流量，所述废气增压泵连接在第一再循环阀门和一个三通接头之间，以对再循环废气进行增压；所述储能模块用于与再循环废气和发动机新排放的废气的混合废气进行热交换，所述储能模块连接在所述三通接口和蒸发器的废气侧入口之间；所述控制模块包括外环蒸发压强控制器、控制分配器和多个内环阀门PID控制器，所述外环蒸发压强控制器由PD控制器、扩张状态观测器、模型参数和扰动补偿算法构成，通过调节所述混合废气的流量控制有机工质蒸发压强，所述控制分配器根据所述外环蒸发压强控制器计算的期望混合废气的流量，得到各个阀门的阀片开度的期望值，所述多个内环阀门PID控制器通过调节阀门电压分别控制各个阀门的阀片开度。

根据本发明实施例的可变热源有机朗肯循环系统，采用热源废气再循环的方式对发动机废气流量不足的情况进行补充，采用储能模块进一步缩小废气温度变化范围，此外不增加新的子模块和热循环，不仅大幅提高了变化热源热量的回收利用率，而且系统的设计方案简捷实用；另外，热源废气再循环设计方案以废气流量作为控制量，使得有机工质流量可以保持不变，系统的控制量从有机朗肯循环内部转移到了外部，从而避免了过热度动态优化计算、蒸汽温度与蒸发压强解耦控制、膨胀机流量调节和冷凝温度控制等问题，不仅简化了控制设计，而且提高了有机朗肯循环系统工作的稳定性和可靠性；进一步地，该系统基于自抗扰控制技术，推导出对于蒸发压强控制问题具有一般性的模型参数，极大地简化了面向控制的热力学动态建模的过程，且控制器调试简单，实现了在热源热量的不确定扰动作用下蒸发压强和蒸汽温度的稳定控制。

另外，根据本发明上述实施例的可变热源有机朗肯循环系统还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述储能模块为金属管换热器。

在本发明的一个实施例中，所述有机工质为中低温环保制冷剂R134a。

在本发明的一个实施例中，所述蒸发压强的设定阈值为20bar，此时有机工质对应的饱和温度为67.5℃。

在本发明的一个实施例中，还包括第三和第四阀门，所述控制模块用于在所述蒸发压强大于所述蒸发压强的设定阈值时，控制所述第三阀门开度减小，所述第四阀门开度增大，同时所述第一再循环阀门关闭，所述第二再循环阀门全开。