第36卷第10期 2015年10月
文章编号：0254-0096(2015)10-2411-06
太阳能学报 ACTA ENERCIAE SOLARIS SINICA
Vol. 36, No. 10 Oet.,2015
螺杆膨胀机发电机组的实验研究与仿真设计
穆永超，张于峰，邓娜（天津大学环境科学与.工程学院，天津300072）
摘要：采用有机介质R152a，建立有机朗肯循环发电机组，并进行螺杆机和发电机之间两种传动比（4:3和2:1）中试实验。在实验基础上，以最大发电功率为目的对系统进行伤真计算。结果表明：试制的螺杆膨胀机等摘效率为55%~57%；机组膨胀功的基础功耗主要由转动部件摩擦和膨胀机泄漏造成的，转动部件的摩擦功耗随着机组传动比增加而升高：仿真模拟发电功率与实验结果偏差基本在2%以内；当热源溢度为60℃时，模拟结果显示螺杆膨账机和发电机的传动比为1.76时，机组的发电功率最大
关键调：低品质热：有机朗肯循环(ORC)；螺杆膨胀机：传动比；最大发电功率
中图分类号：X382.1 0引言
文献标识码：A
发电机电压随着热源温度变化上下波动，难以保证电能输出品质
低品位能源具有量大、分布广等特点.但由于缺乏有效的利用技术而被直接排放到环境，不仅浪费能源，也对环境造成热污染。人类所利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放1]。因此，回收利用这部分低品位能源转化成高品位能源日渐成为国内外研究者关注的问题。目前回收低品位能源的方法中，以有机朗肯循环(ORC)的研究和应用最为广泛。B.F.Tehanche等(i]、A.S.Nafey 等"、DaiYiping等*分别将ORC利用于太阳能、生物能和工业余热领域3，从发电效率以及循环工质膨胀比6方面进行研究，通过对比选出最佳循环工质12.7.。然而在余热回收时，真正目的是最大限度地回收余热，以最大发电量为目的；发电效率最高时，发电量未必最大，当系统输出净功率最大时，热源拥的回收量最大")。刘继芬等9、傅健10等通过理论计算，确定循环工质的最佳蒸发温度和膨胀机进口压力。但蒸发温度和膨胀机进口压力是由热源温度来确定的，不能从根本上确定最佳的运行工况，且缺少实验验证。江龙等"分析了热源温度和工质泵频率对膨胀机转速和发电功率的影响；刘广彬等2研究了膨胀机转速对膨胀机容积效率、发电功率等影响；由于其发电机负载采用可变电阻，
收稿日期：2013-08-27
本研究侧重以得到最大发电功率为目的，发电机实现同期并网运转，进行螺杆机和发电机之间两种传动比（4：3和2：1)中试实验，以确定膨胀机的等嫡效率、发电功率以及膨胀功并通过EES（engineeringequationsolver）进行仿真计算，找到各热源温度下对应最大发电功率的螺杆机与发电机之间的最佳传动比，使系统更加匹配。
实验系统
1
1.1
实验系统简介
双循环发电系统中，低沸点工质与低品位热源
换热，产生的饱和或过热蒸汽通过膨胀机胀做功，带动发电机发电，完成低品位热能转化为高品位电能的过程
图1为实验装置系统图，机组主要部件包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵。作为实验装置中的重要部件螺杆膨胀机由螺杆空气压缩机反转改装而成，其工作特征为回转式容积膨胀机，由机壳内两个互相啮合的螺旋转子的转动运行完成进气、膨胀、排气的过程"。采用螺杆机作为膨胀机的工作介质可为过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相，而传统的
基金项目：国家重点基础研究发展(973)计划(2009CB219907)）
通信作者：邓娜（1978一），女，博士，副教授，主要从事低温热源利用等方面的研究。denglouna@tju.edu.cn 第36卷第10期 2015年10月
文章编号：0254-0096(2015)10-2411-06
太阳能学报 ACTA ENERCIAE SOLARIS SINICA
Vol. 36, No. 10 Oet.,2015
螺杆膨胀机发电机组的实验研究与仿真设计
穆永超，张于峰，邓娜（天津大学环境科学与.工程学院，天津300072）
摘要：采用有机介质R152a，建立有机朗肯循环发电机组，并进行螺杆机和发电机之间两种传动比（4:3和2:1）中试实验。在实验基础上，以最大发电功率为目的对系统进行伤真计算。结果表明：试制的螺杆膨胀机等摘效率为55%~57%；机组膨胀功的基础功耗主要由转动部件摩擦和膨胀机泄漏造成的，转动部件的摩擦功耗随着机组传动比增加而升高：仿真模拟发电功率与实验结果偏差基本在2%以内；当热源溢度为60℃时，模拟结果显示螺杆膨账机和发电机的传动比为1.76时，机组的发电功率最大
关键调：低品质热：有机朗肯循环(ORC)；螺杆膨胀机：传动比；最大发电功率
中图分类号：X382.1 0引言
文献标识码：A
发电机电压随着热源温度变化上下波动，难以保证电能输出品质
低品位能源具有量大、分布广等特点.但由于缺乏有效的利用技术而被直接排放到环境，不仅浪费能源，也对环境造成热污染。人类所利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放1]。因此，回收利用这部分低品位能源转化成高品位能源日渐成为国内外研究者关注的问题。目前回收低品位能源的方法中，以有机朗肯循环(ORC)的研究和应用最为广泛。B.F.Tehanche等(i]、A.S.Nafey 等"、DaiYiping等*分别将ORC利用于太阳能、生物能和工业余热领域3，从发电效率以及循环工质膨胀比6方面进行研究，通过对比选出最佳循环工质12.7.。然而在余热回收时，真正目的是最大限度地回收余热，以最大发电量为目的；发电效率最高时，发电量未必最大，当系统输出净功率最大时，热源拥的回收量最大")。刘继芬等9、傅健10等通过理论计算，确定循环工质的最佳蒸发温度和膨胀机进口压力。但蒸发温度和膨胀机进口压力是由热源温度来确定的，不能从根本上确定最佳的运行工况，且缺少实验验证。江龙等"分析了热源温度和工质泵频率对膨胀机转速和发电功率的影响；刘广彬等2研究了膨胀机转速对膨胀机容积效率、发电功率等影响；由于其发电机负载采用可变电阻，
收稿日期：2013-08-27
本研究侧重以得到最大发电功率为目的，发电机实现同期并网运转，进行螺杆机和发电机之间两种传动比（4：3和2：1)中试实验，以确定膨胀机的等嫡效率、发电功率以及膨胀功并通过EES（engineeringequationsolver）进行仿真计算，找到各热源温度下对应最大发电功率的螺杆机与发电机之间的最佳传动比，使系统更加匹配。
实验系统
1
1.1
实验系统简介
双循环发电系统中，低沸点工质与低品位热源
换热，产生的饱和或过热蒸汽通过膨胀机胀做功，带动发电机发电，完成低品位热能转化为高品位电能的过程
图1为实验装置系统图，机组主要部件包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵。作为实验装置中的重要部件螺杆膨胀机由螺杆空气压缩机反转改装而成，其工作特征为回转式容积膨胀机，由机壳内两个互相啮合的螺旋转子的转动运行完成进气、膨胀、排气的过程"。采用螺杆机作为膨胀机的工作介质可为过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相，而传统的
基金项目：国家重点基础研究发展(973)计划(2009CB219907)）
通信作者：邓娜（1978一），女，博士，副教授，主要从事低温热源利用等方面的研究。denglouna@tju.edu.cn