CN104533555B - 可变热源有机朗肯循环系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开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，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；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，第一和第二再循环阀门连接在蒸发器的废气侧出口，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；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，储能模块连接在三通接头和蒸发器的废气侧入口之间；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。本发明的系统能够有效提高热源热量利用率，且系统稳定性强。
Description
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。
在本发明的一个实施例中，所述控制模块还用于在所述蒸发压强小于所述蒸发压强的设定阈值时，控制所述第三阀门全开，所述第四阀门关闭，同时所述第一再循环阀门开度增大，所述第二再循环阀门开度减小。
在本发明的一个实施例中，所述模型参数为废气经蒸发器的焓降与蒸发器管道容积之比。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的可变热源有机朗肯循环系统的结构示意图；以及
图2为根据本发明一个实施例的可变热源有机朗肯循环系统控制原理示意图；
附图标记：1：有机工质泵，2：蒸发器，3：膨胀机，4：冷凝器，5：储液罐，6：第一再循环阀门，7：第二再循环阀门，8：废气增压阀，9：第三阀门(发动机新排放废气阀门)，10：第四阀门(发动机新排放废气阀门)，11：三通接头，12：储能模块，13：控制模块，14：PD控制器，15：扩张状态观测器，16：模型参数，17：控制分配器，18～21：内环阀门PID控制器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面参照附图描述根据本发明实施例的可变热源有机朗肯循环系统。
图1为根据本发明一个实施例的可变热源有机朗肯循环系统的结构示意图。如图1所示，该系统100包括有机朗肯循环模块110(图中未示出)、热源废气再循环模块120(图中未示出)、储能模块12和控制模块13，其中，
有机朗肯循环模块110包括工质泵1、蒸发器2、膨胀机3、冷凝器4和储液罐5。
热源废气再循环模块120包括第一再循环阀门6、第二再循环阀门7以及废气增压泵8。其中，第一再循环阀门6和第二再循环阀门7连接在蒸发器2的废气侧出口，并分别根据控制模块13的控制指令调整阀片开度，以实现期望的再循环废气流量。废气增压泵8连接在第一再循环阀门6和一个三通接头11之间，以对再循环废气进行增压，然后与发动机新排放的废气经过三通接头11混合，从而在适当降低混合废气温度的情况下极大程度地补充了发动机新排放的废气流量的不足。
随后，混合后的废气进入储能模块12，储能模块12例如为金属管换热器，其连接在三通接头11与蒸发器2的废气侧入口之间，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，从而在混合废气进入蒸发器2前进一步缩小其温度变化范围。
如图2所示，控制模块13包括外环蒸发压强控制器、控制分配器17和多个内环阀门PID控制器。
其中，外环蒸发压强控制器基于自抗扰控制技术抑制热源变化的扰动作用。如图2所示，其由PD控制器14、扩张状态观测器15、模型参数16和扰动补偿算法构成，通过调节混合废气的流量控制有机工质蒸发压强。
在本发明的一个实施例中，有机工质例如为中低温环保制冷剂R134a，蒸发压强的设定阈值例如为20bar，有机工质对应的饱和温度为67.55℃。而汽车发动机的废气温度通常在300～500℃左右，远大于有机工质R134a的饱和温度。
控制分配器17以发动机新排放的废气优先为原则，根据外环蒸发压强控制器计算的期望混合废气流量，得到各个阀门的阀片开度期望值。
在一些示例中，该系统100还包括第三阀门9和第四阀门10。
如图2所示，在一些示例中，多个内环阀门PID控制器例如包括4个内环阀门PID控制器，即图2中的内环阀门PID控制器18-21，PID控制器18-21通过调节阀门电压分别控制第一再循环阀门6、第二再循环阀门7、第三阀门9和第四阀门10的阀片开度。
进一步地，结合图1和图2所示，控制模块13用于当发动机新排放的废气热量过多，即蒸发压强大于蒸发压强的设定阈值时，控制第三阀门9的开度减小，第四阀门10的开度增大，同时控制第一再循环阀门6关闭，第二再循环阀门7全开，即将发动机新排放的废气的一部分直接排放，另一部分经过储能模块12释放一定热量后进入蒸发器2，经过蒸发器2放热后的废气全部排放。
另一方面，控制模块13还用于当发动机新排放的废气热量不足，使蒸发压强小于蒸发压强的设定阈值时，控制第三阀门9全开，第四阀门10关闭，同时控制第一再循环阀门6的开度增大，第二再循环阀门7的开度减小，即将发动机新排放的废气全部引入，并且将一部分经蒸发器2放热后的废气引回进行再循环利用，两股废气混合后与储能模块12进行热交换，然后再进入蒸发器2。其中，在热源废气的热量大范围变化的过程中，通过对上述四个阀门开度的控制，使蒸发压强基本保持恒定，蒸汽过热度保持在8～10℃之间。
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。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，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头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。
2.根据权利要求1所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，所述储能模块为金属管换热器。
3.根据权利要求1所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，所述有机工质为中低温环保制冷剂R134a。
4.根据权利要求3所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，所述蒸发压强的设定阈值为20bar，此时所述有机工质对应的饱和温度为67.5℃。
5.根据权利要求1所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，还包括第三和第四阀门，所述第三阀门一端与发动机废气排放出口相连，另一端与所述三通接头相连，所述第四阀门一端与发动机废气排放出口相连，另一端与外界空气相连，所述第三阀门和第四阀门分别根据控制模块的控制指令调整阀片开度，以将适量的废气引入有机朗肯循环系统，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。
6.根据权利要求5所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，所述控制模块还用于在所述蒸发压强小于所述蒸发压强的设定阈值时，控制所述第三阀门全开，所述第四阀门关闭，同时所述第一再循环阀门开度增大，所述第二再循环阀门开度减小。
7.根据权利要求1所述的可变热源有机朗肯循环系统，其特征在于，所述模型参数为废气经蒸发器的焓降与蒸发器管道容积之比。
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