CN109375018B - 海洋温差能发电模拟测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋温差能发电模拟测试系统，属于发电循环系统测试技术领域。本发明包括冷热源系统、温差发电系统、数据采集存储单元和控制显示单元，本发明利用热泵机组产生循环的冷水、热水，模拟海洋温差能发电中的冷源和热源，一台热泵机组即可满足冷热源子系统的模拟试验需要；温差发电系统中可以灵活地实现单透平和双透平发电系统切换测试；可以进行低至18℃温差、50kW以下小型低温热源小温差发电系统的模拟测试。本发明不仅可以实现发电系统的整体性能测试，还可以对系统中的关键设备如第一级透平等的特性进行试验，获取系统运行参数的变化规律，为系统的优化及设备设计提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及海洋温差能发电模拟测试系统，属于发电循环系统测试技术领域。
背景技术
随着能源消耗加剧及对环境的危害，传统化石燃料的不可再生性导致国际社会对于能源安全、环境保护及气候变化问题日益重视，世界各国都在积极寻找传统能源的替代能源，包括太阳能、海洋能、风能、生物质能等。海洋温差能发电是利用表层温海水与深层冷海水之间的温差蕴藏的巨大能量来进行发电，其来源主要是太阳辐射能，具有储量巨大、可持续性、对环境友好且随时间变化相对稳定的特点。
我国南海岛屿众多，能源与淡水供给困难，若能因地制宜开发适应岛屿的可再生能源，对我国的岛礁开发利用及维护国防安全具有重要价值。我国南海海洋温差能极为丰富，位于海上丝绸之路关键海域，具有丰富的海洋温差能资源，具有广泛的开发利用前景。我国南海海域水深较深，表层温度高，蕴藏着巨大的温差能量。据统计南海表层与深层海水温差大于等于18℃水体蕴藏的温差能为1.16×1019kJ。
海洋温差能发电由于可利用的海洋温差较小，因此热力循环方式以及系统内关键设备透平及换热器的设计优化都对系统的效率具有重要的影响。目前的海洋温差能发电循环方式主要是闭式循环(即传统有机工质朗肯循环和混合工质新循环)。理论研究已经发展较为充分，但实验研究及工程验证则相对匮乏，没有现成的实现相关功能的试验模拟测试系统。
发明内容
本发明提出了一种海洋温差能发电模拟测试系统，用于不同海洋温差能发电热力循环系统的性能测试，以及系统中关键设备如透平和换热器的特性试验，揭示系统的发电特性和运行规律。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种海洋温差能发电模拟测试系统，包括冷热源系统、温差发电系统、数据采集存储单元和控制显示单元，冷热源系统与温差发电系统连接，数据采集存储单元分别与冷热源系统、温差发电系统和控制显示单元连接，控制显示单元分别与冷热源系统和温差发电系统连接；
冷热源系统包括热泵机组、热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统，热泵机组分别与热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统连接，热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统均与温差发电系统、数据采集存储单元和控制显示单元连接；
温差发电系统包括蒸发器、分离器、第一级透平、第二级透平、第一发电机、第二发电机、整流逆变负载、吸收器、工质泵、第一回热器、第二回热器、第三回热器；分离器、第一级透平、第一发电机和整流逆变负载依次连接；蒸发器与分离器连接，分离器、第二级透平、第二发电机和整流逆变负载依次连接；第二级透平还与第一级透平连接；吸收器分别与第一级透平、第二级透平、冷源水路循环子系统、第一回热器和第二回热器连接，吸收器还分别通过第一回热器和第二回热器与第三回热器连接，第三回热器分别与蒸发器、分离器和热源水路循环子系统连接；工质泵分别与第一冷凝器、第二冷凝器、第一回热器、第三回热器和蒸发器连接，工质泵还分别通过第一回热器和第三回热器与第二回热器连接；
数据采集存储单元用于采集并存储数据，包括传感器组，传感器组包括压力传感器、温度传感器和流量计；
控制显示单元包括控制器、触控显示屏和阀组；控制器和触控显示屏连接，控制器的输入端与传感器组的输出端连接，即控制器的输入端与压力传感器、温度传感器和流量计的输出端连接；控制器的输出端与阀组连接；阀组包括闸阀、截止阀、温度控制调节阀、止回阀和节流阀。
进一步地，热源水路循环子系统包括热水箱、热水泵、热水混水器、热水混水泵和热水循环泵；热水箱通过管路与热泵机组连接，热水箱还通过管路及管路上的热水泵与热泵机组连接；热水箱、热水混水器和热水循环泵之间通过管路依次循环连接；热水混水泵通过管路分别与蒸发器、热水箱和热水混水器连接；热水箱连接有温度控制调节阀，热水箱与热泵机组之间的管路上设有流量计、压力传感器、温度传感器和闸阀，热水泵与热泵机组之间的管路上设有止回阀和闸阀，热水泵与热水箱之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀；热水箱与热水混水器的管路上设有闸阀；热水循环泵和蒸发器之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀、流量计和闸阀，热水循环泵和蒸发器之间的管路上的温度控制调节阀还与热水混水泵连接；热泵机组、热水混水泵和热水循环泵均与控制器连接。
进一步地，热源水路循环子系统还包括冷却泵和冷却塔，冷却塔通过管路分别与热泵机组和热水箱连接，冷却塔与热水箱之间的管路上设有温度控制调节阀、压力传感器、温度传感器和闸阀；冷却泵设置在冷却塔与热泵机组连接的管路上，并与冷却塔和热水箱之间的管路上的温度控制调节阀连接，冷却泵还与控制器连接。热泵机组产生的热水进入热水箱，热水箱中的热水经过热水混水器及热水循环泵供入蒸发器，经蒸发器放热降温后的热水进入热水箱，再经由热水泵重新泵入热泵机组加热，完成热源水路循环。热水箱的热水经由冷却泵泵入冷却塔与空气换热降温后重新供入热水箱。
进一步地，冷源水路循环子系统包括冷水箱、冷水泵、冷水混水器、冷水混水泵、冷水循环泵、第一冷凝器和第二冷凝器，冷水箱通过管路与热泵机组连接，冷水箱还通过管路及管路上的冷水泵与热泵机组连接；冷水箱、冷水混水器和冷水循环泵之间通过管路依次循环连接，冷水循环泵的输出端通过管路分别与第一冷凝器的输入端和第二冷凝器的输入端连接，第一冷凝器的输出端和第二冷凝器的输出端分别通过管路与冷水箱连接，冷水混水泵通过管路分别与冷水混水器、冷水箱、第一冷凝器和第二冷凝器连接；冷水箱连接有温度控制调节阀，冷水箱与热泵机组之间的管路上设有闸阀、压力传感器和温度传感器，冷水泵与热泵机组之间的管路上设有止回阀、闸阀和流量计，冷水泵与冷水箱之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀，冷水箱与冷水混水器的管路上设有闸阀，冷水循环泵的输出端和第一冷凝器的输入端和/或第二冷凝器的输入端之间的管路上设有止回阀、压力传感器、温度控制调节阀、闸阀、流量计和温度传感器，第一冷凝器的输出端和/或第二冷凝器的输出端与冷水箱的输入端之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀和闸阀，冷水循环泵的输出端与第一冷凝器的输入端和/或第二冷凝器的输入端之间的管路上的温度控制调节阀还与冷水混水泵连接；热泵机组、冷水泵、冷水混水泵和冷水循环泵均与控制器连接。热泵机组产生的冷水进入冷水箱，冷水箱里的冷水依次经过冷水混水器和冷水循环泵进入第一冷凝器或者第二冷凝器，经过吸热升温后重新进入冷水箱，并经由冷水泵重新泵入所述的热泵机组放热降温，完成冷源水路循环。
进一步地，蒸发器与分离器连接的管路上设有压力传感器和温度传感器，分离器与第一级透平之间的管路上设有流量计和第一调节阀，分离器与第二级透平之间的管路上设有流量计、第三调节阀和第二调节阀，第一级透平和第二级透平之间的管路上还设有压力传感器、温度传感器和截止阀，第二级透平和吸收器之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和截止阀，吸收器通过管路、管路上的截止阀和管路上的第四调节阀与第一级透平连接，吸收器通过管路、管路上的截止阀、管路上的第四调节阀和管路上的第三调节阀与分离器连接，第一级透平和第二级透平之间设有中间抽气管道，中间抽气管道上设有压力传感器、温度传感器、流量计和第二截止阀，中间抽气管连接有第二回热器，第二回热器与吸收器的管道上设有节流阀、压力传感器、温度传感器和止回阀，吸收器与第一冷凝器之间的管路上设有流量计、第三截止阀、压力传感器和温度传感器，吸收器与第二冷凝器之间的管路上设有第四截止阀、压力传感器和温度传感器，分离器与第三回热器的管路上设有第一截止阀、流量计、压力传感器和温度传感器，第三回热器与第一回热器连接，第一回热器与吸收器上的管道上设有压力传感器、温度传感器和止回阀，第一冷凝器的输出端和第二冷凝器的输出端与工质泵的输入端之间的管道上设有闸阀，工质泵的输出端与第一回热器的管道上设有闸阀、第五截止阀、压力传感器和温度传感器，第一回热器、第二回热器和第三回热器依次连接，第一回热器和第二回热器之间的管道上及第二回热器和第三回热器之间的管道上均设有闸阀，第三回热器与蒸发器之间的管道上设有第六截止阀、流量计、压力传感器和温度传感器，工质泵与蒸发器之间的管道上设有旁通阀；第一级透平和第二级透平分别与第一发电机和第二发电机连接，第一发电机和第二发电机均连接有整流逆变负载，整流逆变负载、第一调节阀、第二调节阀和工质泵均与控制器连接。
热泵机组产生的达到试验温度的热水进入热水箱，热水箱中的热水经过热水混水器被热水循环泵泵入蒸发器，作为热源加热蒸发器内部的非共沸混合工质，液态混合工质吸收热量后汽化，汽化后的混合工质进入分离器被分离为有机蒸汽和工质溶液，有机蒸汽中的饱和蒸汽经过第一调节阀和第二调节阀进入第一级透平和第二级透平膨胀做功，并分别带动第一发电机和第二发电机发电，做功后的乏汽进入吸收器；分离器出口的工质溶液经过第一截止阀后依次通过第三回热器和第一回热器预热来自工质泵的液态混合工质，工质溶液进入吸收器，预热后的混合工质进入蒸发器吸收来自热水的热量；第一级透平和第二级透平之间设有中间抽气管道，第一级透平出口的部分乏汽经过抽气管道上的第二截止阀进入第二回热器加热来自工质泵的液态混合工质，放热后的乏汽进入吸收器；吸收器内混合的工质经过第三截止阀进入第一冷凝器或经过第四截止阀进入第二冷凝器被冷水冷凝成液态混合工质，液态混合工质经过工质泵加压依次通过第一回热器、第二回热器、第三回热器预热后进入蒸发器吸热，实现整个工质的循环。
进一步地，传感器组还包括轴承温度传感器、振动传感器和转速传感器，第一级透平和第二级透平上均安装有轴承温度传感器和振动传感器，第一发电机和第二发电机上均安装有转速传感器。
进一步地，温差发电系统可切换至混合工质朗肯热力循环测试，其运行流程为：关闭第一截止阀、第二截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第二调节阀、第三调节阀，打开第一调节阀、第四调节阀、旁通阀；来自工质泵的液态混合工质经过旁通阀进入蒸发器吸收来自热水的热量汽化，混合工质蒸汽通过第一调节阀进入第一级透平做功，带动与第一级透平相连的第一发电机发电，做功后的乏汽经过第四调节阀进入第一冷凝器或第二冷凝器，被来自冷水箱的冷水冷凝成液态混合工质进入工质泵，完成朗肯发电循环中工质的循环。
进一步地，第一冷凝器和第二冷凝器可分别通过第三截止阀和第四截止阀的开关实现切换。
进一步地，第一级透平和第二级透平通过第一调节阀、第二调节阀、第三调节阀、第四调节阀的开关实现两级透平中任一透平的单级透平和双级透平发电测试。
进一步地，第一冷凝器为管壳式换热器，第二冷凝器为板式换热器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的海洋温差能发电模拟测试系统，设置有数据采集存储单元和控制显示单元，通过数据采集存储单元采集系统的相关数据，并通过控制显示单元控制相关阀组或热泵机组、热水泵、冷水泵、冷却泵、热水混水泵、冷水混水泵、热水循环泵、冷水循环泵、工质泵等的运行，可以精确控制冷源、热源温度，从而真实模拟海洋温差能发电所需的冷源和热源，减少试验误差；数据采集存储单元和控制显示单元通过实时采集、存储、处理的系统内各种仪器仪表信号并加以显示，控制和调节系统内设备、阀组动作，为现场试验的观察分析和试验数据的处理分析提供了便利条件；
(2)本发明所述的海洋温差能发电模拟测试系统，针对不同的海洋温差能发电热力循环方式，可以灵活地实现传统闭式循环(有机工质郎肯循环)发电系统和新型闭式循环发电系统的切换测试，模拟不同温差条件下海洋温差能发电系统的运行特性，对比分析不同热力循环方式的性能优劣，研究包括蒸发温度、冷凝温度、工质浓度等因素与热力循环效率、系统性能之间的关系；
(3)本发明所述的海洋温差能发电模拟测试系统，可以实现不同型式换热器性能的切换测试，获取换热器的换热特性，为系统换热器设计选型提供参考；可以实现单级透平和双级透平的切换测试，获取透平运行参数，为系统透平设计优化提供参考；
(4)本发明所述的海洋温差能发电模拟测试系统，系统内一台模块化的热泵机组同时满足实验中冷源(4～10℃)和热源(20～45℃)的温度需求，可以进行低至18℃温差、50kW以下小型低品位热源小温差发电系统的模拟测试；分离器与蒸发器、吸收器与第一冷凝器和第二冷凝器一体化布置，节省了占地面积，降低了实验成本。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图中，1热泵机组，2热水箱，3冷水箱，4热水泵，5冷水泵，6冷却泵，7冷却塔，8热水混水器，9冷水混水器，10热水混水泵，11冷水混水泵，12热水循环泵，13冷水循环泵，14蒸发器，15第一冷凝器，16第二冷凝器，17第一级透平，18第二级透平，19第一发电机，20第二发电机，21整流逆变负载，22分离器，23吸收器，24工质泵，25第一回热器，26第二回热器，27第三回热器，28中间抽气管道，29数据采集存储单元，30控制显示单元，101第一调节阀，102第二调节阀，103第三调节阀，104第四调节阀，201第一截止阀，202第二截止阀，203第三截止阀，204第四截止阀，205第五截止阀，206第六截止阀，207旁通阀。
此外，图1中相关符号代表含义如下表所示。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的海洋温差能发电模拟测试系统进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例所述的海洋温差能发电模拟测试系统，如图1所示，包括冷热源系统、温差发电系统、数据采集存储单元29和控制显示单元30。
数据采集存储单元29用于采集并存储数据，包括传感器组，传感器组包括压力传感器、温度传感器、流量计、轴承温度传感器、振动传感器和转速传感器；流量计采用涡轮流量计。
控制显示单元30包括控制器、触控显示屏和阀组；控制器和触控显示屏连接，控制器的输入端与传感器组的输出端连接，控制器的输出端与阀组连接；阀组包括闸阀、截止阀、温度控制调节阀、止回阀和节流阀。
数据采集存储单元29可以实现温度、压力、流量、振动、转速、电流、电压信号的采集、处理、存储，控制显示单元30可以实现水泵、工质泵24的启停和变频控制，阀组的开启和调节，以及系统各节点试验数据的实时显示和存储，为现场试验的观察分析以及试验数据的处理分析提供便利条件。
冷热源系统包括热泵机组1、热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统，热泵机组1分别与热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统连接。热源水路循环子系统包括热水箱2、热水泵4、热水混水器8、热水混水泵10和热水循环泵12；热水箱2通过管路与热泵机组1连接，热水箱2还通过管路及管路上的热水泵4与热泵机组1连接；热水箱2、热水混水器8和热水循环泵12之间通过管路依次循环连接；热水混水泵10通过管路分别与蒸发器14、热水箱2和热水混水器8连接；热水箱2连接有温度控制调节阀，热水箱2与热泵机组1之间的管路上设有流量计、压力传感器、温度传感器和闸阀，热水泵4与热泵机组1之间的管路上设有止回阀和闸阀，热水泵4与热水箱2之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀；热水箱2与热水混水器8的管路上设有闸阀；热水循环泵12和蒸发器14之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀、流量计和闸阀，热水循环泵12和蒸发器14之间的管路上的温度控制调节阀还与热水混水泵10连接；热泵机组1、热水混水泵10和热水循环泵12均与控制器连接。热源水路循环子系统还包括冷却泵6和冷却塔7，冷却塔7通过管路分别与热泵机组1和热水箱2连接，冷却塔7与热水箱2之间的管路上设有温度控制调节阀、压力传感器、温度传感器和闸阀；冷却泵6设置在冷却塔7与热泵机组1连接的管路上，并与冷却塔7和热水箱2之间的管路上的温度控制调节阀连接，冷却泵6还与控制器连接。冷源水路循环子系统包括冷水箱3、冷水泵5、冷水混水器9、冷水混水泵11、冷水循环泵13、第一冷凝器15和第二冷凝器16，冷水箱3通过管路与热泵机组1连接，冷水箱3还通过管路及管路上的冷水泵5与热泵机组1连接；冷水箱3、冷水混水器9和冷水循环泵13之间通过管路依次循环连接，冷水循环泵13的输出端通过管路分别与第一冷凝器15的输入端和第二冷凝器16的输入端连接，第一冷凝器15的输出端和第二冷凝器16的输出端分别通过管路与冷水箱3连接，冷水混水泵11通过管路分别与冷水混水器9、冷水箱3、第一冷凝器15和第二冷凝器16连接；冷水箱3连接有温度控制调节阀，冷水箱3与热泵机组1之间的管路上设有闸阀、压力传感器和温度传感器，冷水泵5与热泵机组1之间的管路上设有止回阀、闸阀和流量计，冷水泵5与冷水箱3之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀，冷水箱3与冷水混水器9的管路上设有闸阀，冷水循环泵13的输出端和第一冷凝器15的输入端和/或第二冷凝器16的输入端之间的管路上设有止回阀、压力传感器、温度控制调节阀、闸阀、流量计和温度传感器，第一冷凝器15的输出端和/或第二冷凝器16的输出端与冷水箱3的输入端之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀和闸阀，冷水循环泵13的输出端与第一冷凝器15的输入端和/或第二冷凝器16的输入端之间的管路上的温度控制调节阀还与冷水混水泵11连接。其中：第一冷凝器15为管壳式换热器，第二冷凝器16为板式换热器，实现了不同型式换热器性能的切换测试，获取换热器的换热特性，为系统换热器设计选型提供参考。
温差发电系统包括蒸发器14、分离器22、第一级透平17、第二级透平18、第一发电机19、第二发电机20、整流逆变负载21、吸收器23、工质泵24、第一回热器25、第二回热器26、第三回热器27；分离器22、第一级透平17、第一发电机19和整流逆变负载21依次连接；分离器22、第二级透平18、第二发电机20和整流逆变负载21依次连接；第二级透平18还与第一级透平17连接；吸收器23分别与第一级透平17、第二级透平18、冷源水路循环子系统、第一回热器25和第二回热器26连接，吸收器23还分别通过第一回热器25和第二回热器26与第三回热器27连接，第三回热器27分别与蒸发器14、分离器22和热源水路循环子系统连接；工质泵24分别与第一冷凝器15、第二冷凝器16、第一回热器25、第三回热器27和蒸发器14连接，工质泵24还分别通过第一回热器25和第三回热器27与第二回热器26连接；蒸发器14与分离器连接的管路上设有压力传感器和温度传感器，分离器22与第一级透平17之间的管路上设有流量计和第一调节阀101，分离器22与第二级透平18之间的管路上设有流量计、第三调节阀103和第二调节阀102，第一级透平17和第二级透平18之间的管路上还设有压力传感器、温度传感器和截止阀，第二级透平18和吸收器23之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和截止阀，吸收器23通过管路、管路上的截止阀和管路上的第四调节阀104与第一级透平17连接，吸收器23通过管路、管路上的截止阀、管路上的第四调节阀104和管路上的第三调节阀103与分离器22连接，第一级透平17和第二级透平18之间设有中间抽气管道28，中间抽气管道28上设有压力传感器、温度传感器、流量计和第二截止阀202，中间抽气管连接有第二回热器26，第二回热器26与吸收器23的管道上设有节流阀、压力传感器、温度传感器和止回阀，吸收器23与第一冷凝器15之间的管路上设有流量计、第三截止阀203、压力传感器和温度传感器，吸收器23与第二冷凝器16之间的管路上设有第四截止阀204、压力传感器和温度传感器，分离器22与第三回热器27的管路上设有第一截止阀201、流量计、压力传感器和温度传感器，第三回热器27与第一回热器25连接，第一回热器25与吸收器23上的管道上设有压力传感器、温度传感器和止回阀，第一冷凝器15的输出端和第二冷凝器16的输出端与工质泵24的输入端之间的管道上设有闸阀；第一冷凝器15和第二冷凝器16可分别通过第三截止阀203和第四截止阀204的开关实现切换；工质泵24的输出端与第一回热器25的管道上设有闸阀、第五截止阀205、压力传感器和温度传感器，第一回热器25、第二回热器26和第三回热器27依次连接，第一回热器25和第二回热器26之间的管道上及第二回热器26和第三回热器27之间的管道上均设有闸阀，第三回热器27与蒸发器14之间的管道上设有第六截止阀206、流量计、压力传感器和温度传感器，工质泵24与蒸发器14之间的管道上设有旁通阀207；第一级透平17和第二级透平18分别与第一发电机19和第二发电机20连接，第一发电机19和第二发电机20均连接有整流逆变负载21，第一级透平17和第二级透平18上均安装有轴承温度传感器和振动传感器，第一发电机19和第二发电机20上均安装有转速传感器。
控制器分别与热泵机组1、热水泵4、冷水泵5、冷却泵6、热水混水泵10、冷水混水泵11、热水循环泵12、冷水循环泵13、工质泵24、第一调节阀101、第二调节阀102、第三调节阀103、第四调节阀104、整流逆变负载21连接和数据采集存储单元29连接。第一调节阀101、第二调节阀102、第三调节阀103和第四调节阀104均采用电动调节阀。
冷热源系统具体的控制流程为：模块化的热泵机组1工作产生的热水进入热水箱2，热水箱2中的热水经过热水混水器8及热水循环泵12供入蒸发器14放热，降温后的热水回水进入热水箱2，并经由热水泵4重新泵入所述的热泵机组1加热，完成热源水路循环。当热水箱2出水温度过高时，温度控制调节阀启动降低热水流量，同时热水混水泵10开启，降温后的热水回水被泵入热水混水器8与温度较高的热水混合达到试验温度要求。当热水箱2内温度过高时，冷却泵6启动，热泵机组1产生的热水经冷却泵6供入冷却塔7，向下喷淋，与空气换热降温后进入热水箱2。所述的冷却塔7为填料逆流式冷却塔。所述模块化的热泵机组1产生的冷水进入冷水箱3，冷水箱3里的冷水依次经过冷水混水器9和冷水循环泵13进入第一冷凝器15或者第二冷凝器16，冷水吸收工质热量升温后重新回到冷水箱3，并经由冷水泵5重新泵入热泵机组1放热降温，完成冷源水路循环。当冷水箱3出水温度过低时，温度控制调节阀启动降低冷水流量，同时冷水混水泵11启动，升温的冷水回水被泵入冷水混水器9与温度较低的冷水混合达到冷源试验温度要求。
温差发电系统具体运行流程为：打开第一调节阀101、第二调节阀102、第一截止阀201、第二截止阀202、第三截止阀203、第五截止阀205、第六截止阀206，关闭第三调节阀103、第四调节阀104、第四截止阀204、旁通阀207，热泵机组1产生的达到试验温度的热水进入热水箱2，热水箱中的热水经过热水混水器8被热水循环泵12泵入蒸发器14，作为热源加热蒸发器14内部的非共沸混合工质，液态混合工质吸收热量后汽化，汽化后的混合工质进入分离器22被分离为有机蒸汽和工质溶液，饱和蒸汽经过第一调节阀101和第二调节阀102进入第一级透平17和第二级透平18膨胀做功，并分别带动第一发电机19和第二发电机20发电，发电机后接整流逆变负载21，做功后的乏汽进入吸收器23；分离器22出口的工质溶液经过第一截止阀201后依次通过第三回热器27和第一回热器25预热来自工质泵24的液态混合工质，然后进入吸收器23，预热后的混合工质进入蒸发器14吸收来自热水的热量；第一级透平17和第二级透平18之间设有中间抽气管道28，第一级透平17出口的部分乏汽经过抽气管道28上的第二截止阀202进入第二回热器26加热来自工质泵24的液态混合工质，放热后的乏汽进入吸收器23；此时乏汽和工质溶液在吸收器内混合，然后经过第三截止阀203进入第一冷凝器15被冷水冷凝成液态混合工质，液态工质经过工质泵24加压依次通过第一回热器25、第二回热器26、第三回热器27预热进入蒸发器14吸热，实现整个工质的循环。所述第一冷凝器15为管壳式换热器，第二冷凝器16为板式换热器。第一冷凝器15和第二冷凝器16可分别通过第三截止阀203和第四截止阀204的开关灵活实现切换。打开第三截止阀203，关闭第四截止阀204，第一冷凝器15运行，第二冷凝器16不运行；打开第四截止阀204，关闭第三截止阀203，第二冷凝器16开始运行，第一冷凝器15不运行。
通过阀门的开关调节，温差发电子系统可切换至混合工质郎肯热力循环测试系统，其运行流程为：关闭第一截止阀201、第二截止阀202、第五截止阀205、第六截止阀206、第二调节阀102、第三调节阀103、第四截止阀204，打开第一调节阀101、第四调节阀104、旁通阀207、第三截止阀203；来自工质泵224的液态混合工质经过旁通阀207进入蒸发器14吸收来自热水的热量汽化，升温升压的工质蒸汽通过第一调节阀101进入第一级透平17做功，并带动共轴的第一发电机19发电，做功后的乏汽经过第四调节阀104和第一截止阀201进入第一冷凝器15，被来自冷水箱3的冷水冷凝成液态混合工质进入工质泵24，完成郎肯发电循环中工质的循环。因此，本发明可以灵活地实现传统闭式循环(有机工质郎肯循环)发电系统和新型闭式循环发电系统的切换测试，模拟不同温差条件下海洋温差能发电系统的运行特性，对比分析不同热力循环方式的性能优劣，研究包括蒸发温度、冷凝温度、工质浓度等因素与热力循环效率、系统性能之间的关系。
第一级透平17和第二级透平18可通过第一调节阀101、第二调节阀102、第三调节阀103、第四调节阀104的开关实现两级透平中任一透平的单级透平或双级透平发电测试。其基本控制流程为：打开第一调节阀101、第四调节阀104，关闭第二调节阀102、第三调节阀103，第一级透平17和第一发电机19运行，第二级透平18和第二发电机20不运行；或者打开第二调节阀102、第三调节阀103，关闭第一调节阀101、第四调节阀104，第二级透平18和第二发电机20运行，第一级透平17和第一发电机19不运行；此时为单级透平发电测试；打开第一调节阀101、第二调节阀102，关闭第三调节阀103、第四调节阀104，此时为双级透平发电测试。
试验过程中，数据采集存储单元29不断采集系统内的压力传感器、温度传感器、流量计、振动传感器、转速传感器、整流逆变负载的信号并传至控制显示单元30，以实时监测系统内各节点参数及设备运行特性。其中由于透平为高速旋转机械，最大转速为40000转/分，轴承温度传感器监测透平轴承温度，防止过热融化；振动传感器监测透平的振动情况，防止跳机；转速传感器测量发电机主轴转速；整流逆变负载21将发电频率转化为50Hz常规电。控制显示单元30根据采集的温度、压力、流量、振动、转速、电压、电流、频率信号，控制调节热泵机组1、热水泵4、冷水泵5、冷却泵6、冷却塔7、热水混水泵10、冷水混水泵11、热水循环泵12、冷水循环泵13、工质泵24、第一电动调节阀101、第二电动调节阀102、第三电动调节阀103、第四电动调节阀104，使冷源、热源温度稳定达到试验要求，系统正常运行，从而获取系统运行参数。试验过程中，可以通过改变冷热源温度，中间抽气流量，透平的进口压力等方式，观察系统效率的变化，分析影响热力循环的参数变化规律，并验证透平及冷凝器的性能指标，与理论数据对比分析。
本实施例中系统内设备及管道外均包裹绝热保温材料，防止热量或冷量的散失，维持温度的稳定性和精确性。
本发明可以进行低至18℃温差、50kW以下小型低温热源小温差发电系统的模拟测试；此外，本发明通过安装分离器于蒸发器之上，安装吸收器于冷凝器之上，实现一体化布置，节省占地面积，降低实验成本。本发明不仅可以实现发电系统的整体性能测试，还可以对系统中的关键设备如第一级透平、第二级透平、换热器(第一冷凝器和第二冷凝器)的特性进行试验，获取系统运行参数的变化规律，为系统的优化及设备设计提供指导。
当然，上述内容仅为本发明的具体实施方式，不能被认为用于限定对本发明的保护范围。本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本发明的涵盖范围内。
Claims (8)
1.一种海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：包括冷热源系统、温差发电系统、数据采集存储单元(29)和控制显示单元(30)，冷热源系统与温差发电系统连接，数据采集存储单元(29)分别与冷热源系统、温差发电系统和控制显示单元(30)连接，控制显示单元(30)分别与冷热源系统和温差发电系统连接；
冷热源系统包括热泵机组(1)、热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统，热泵机组(1)分别与热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统连接，热源水路循环子系统和冷源水路循环子系统均与温差发电系统、数据采集存储单元(29)和控制显示单元(30)连接；
温差发电系统包括蒸发器(14)、分离器(22)、第一级透平(17)、第二级透平(18)、第一发电机(19)、第二发电机(20)、整流逆变负载(21)、吸收器(23)、工质泵(24)、第一回热器(25)、第二回热器(26)、第三回热器(27)；蒸发器(14)和分离器(22)连接，蒸发器(14)、分离器(22)、第一级透平(17)、第一发电机(19)和整流逆变负载(21)依次连接；分离器(22)、第二级透平(18)、第二发电机(20)和整流逆变负载(21)依次连接；第二级透平(18)还与第一级透平(17)连接；吸收器(23)分别与第一级透平(17)、第二级透平(18)、冷源水路循环子系统、第一回热器(25)和第二回热器(26)连接，吸收器(23)还分别通过第一回热器(25)和第二回热器(26)与第三回热器(27)连接，第三回热器(27)分别与蒸发器(14)、分离器(22)和热源水路循环子系统连接；工质泵(24)分别与第一冷凝器(15)、第二冷凝器(16)、第一回热器(25)、第三回热器(27)和蒸发器(14)连接，工质泵(24)还分别通过第一回热器(25)和第三回热器(27)与第二回热器(26)连接；
数据采集存储单元(29)用于采集并存储数据，包括传感器组，传感器组包括压力传感器、温度传感器和流量计；
控制显示单元(30)包括控制器、触控显示屏和阀组；控制器和触控显示屏连接，控制器的输入端与传感器组的输出端连接，即控制器的输入端与压力传感器、温度传感器和流量计的输出端连接；控制器的输出端与阀组连接；阀组包括闸阀、截止阀、温度控制调节阀、止回阀和节流阀；
热源水路循环子系统包括热水箱(2)、热水泵(4)、热水混水器(8)、热水混水泵(10)和热水循环泵(12)；热水箱(2)通过管路与热泵机组(1)连接，热水箱(2)还通过管路及管路上的热水泵(4)与热泵机组(1)连接；热水箱(2)、热水混水器(8)和热水循环泵(12)之间通过管路依次循环连接；热水混水泵(10)通过管路分别与蒸发器(14)、热水箱(2)和热水混水器(8)连接；热水箱(2)连接有温度控制调节阀，热水箱(2)与热泵机组(1)之间的管路上设有流量计、压力传感器、温度传感器和闸阀，热水泵(4)与热泵机组(1)之间的管路上设有止回阀和闸阀，热水泵(4)与热水箱(2)之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀；热水箱(2)与热水混水器(8)的管路上设有闸阀；热水循环泵(12)和蒸发器(14)之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀、流量计和闸阀，热水循环泵(12)和蒸发器(14)之间的管路上的温度控制调节阀还与热水混水泵(10)连接；热泵机组(1)、热水混水泵(10)和热水循环泵(12)均与控制器连接；
传感器组还包括轴承温度传感器、振动传感器和转速传感器，第一级透平(17)和第二级透平(18)上均安装有轴承温度传感器和振动传感器，第一发电机(19)和第二发电机(20)上均安装有转速传感器。
2.根据权利要求1所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：热源水路循环子系统还包括冷却泵(6)和冷却塔(7)，冷却塔(7)通过管路分别与热泵机组(1)和热水箱(2)连接，冷却塔(7)与热水箱(2)之间的管路上设有温度控制调节阀、压力传感器、温度传感器和闸阀；冷却泵(6)设置在冷却塔(7)与热泵机组(1)连接的管路上，并与冷却塔(7)和热水箱(2)之间的管路上的温度控制调节阀连接，冷却泵(6)还与控制器连接。
3.根据权利要求2所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：冷源水路循环子系统包括冷水箱(3)、冷水泵(5)、冷水混水器(9)、冷水混水泵(11)、冷水循环泵(13)、第一冷凝器(15)和第二冷凝器(16)，冷水箱(3)通过管路与热泵机组(1)连接，冷水箱(3)还通过管路及管路上的冷水泵(5)与热泵机组(1)连接；冷水箱(3)、冷水混水器(9)和冷水循环泵(13)之间通过管路依次循环连接，冷水循环泵(13)的输出端通过管路分别与第一冷凝器(15)的输入端和第二冷凝器(16)的输入端连接，第一冷凝器(15)的输出端和第二冷凝器(16)的输出端分别通过管路与冷水箱(3)连接，冷水混水泵(11)通过管路分别与冷水混水器(9)、冷水箱(3)、第一冷凝器(15)和第二冷凝器(16)连接；冷水箱(3)连接有温度控制调节阀，冷水箱(3)与热泵机组(1)之间的管路上设有闸阀、压力传感器和温度传感器，冷水泵(5)与热泵机组(1)之间的管路上设有止回阀、闸阀和流量计，冷水泵(5)与冷水箱(3)之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和闸阀，冷水箱(3)与冷水混水器(9)的管路上设有闸阀，冷水循环泵(13)的输出端和第一冷凝器(15)的输入端和/或第二冷凝器(16)的输入端之间的管路上设有止回阀、压力传感器、温度控制调节阀、闸阀、流量计和温度传感器，第一冷凝器(15)的输出端和/或第二冷凝器(16)的输出端与冷水箱(3)的输入端之间的管路上设有压力传感器、温度控制调节阀和闸阀，冷水循环泵(13)的输出端与第一冷凝器(15)的输入端和/或第二冷凝器(16)的输入端之间的管路上的温度控制调节阀还与冷水混水泵(11)连接；热泵机组(1)、冷水泵(5)、冷水混水泵(11)和冷水循环泵(13)均与控制器连接。
4.根据权利要求3所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：蒸发器(14)与分离器(22)连接的管路上设有压力传感器和温度传感器，分离器(22)与第一级透平(17)之间的管路上设有流量计和第一调节阀(101)，分离器(22)与第二级透平(18)之间的管路上设有流量计、第三调节阀(103)和第二调节阀(102)，第一级透平(17)和第二级透平(18)之间的管路上还设有压力传感器、温度传感器和截止阀，第二级透平(18)和吸收器(23)之间的管路上设有压力传感器、温度传感器和截止阀，吸收器(23)通过管路、管路上的截止阀和管路上的第四调节阀(104)与第一级透平(17)连接，吸收器(23)通过管路、管路上的截止阀、管路上的第四调节阀(104)和管路上的第三调节阀(103)与分离器(22)连接，第一级透平(17)和第二级透平(18)之间设有中间抽气管道(28)，中间抽气管道(28)上设有压力传感器、温度传感器、流量计和第二截止阀(202)，中间抽气管连接有第二回热器(26)，第二回热器(26)与吸收器(23)的管道上设有节流阀、压力传感器、温度传感器和止回阀，吸收器(23)与第一冷凝器(15)之间的管路上设有流量计、第三截止阀(203)、压力传感器和温度传感器，吸收器(23)与第二冷凝器(16)之间的管路上设有第四截止阀(204)、压力传感器和温度传感器，分离器(22)与第三回热器(27)的管路上设有第一截止阀(201)、流量计、压力传感器和温度传感器，第三回热器(27)与第一回热器(25)连接，第一回热器(25)与吸收器(23)上的管道上设有压力传感器、温度传感器和止回阀，第一冷凝器(15)的输出端和第二冷凝器(16)的输出端与工质泵(24)的输入端之间的管道上设有闸阀，工质泵(24)的输出端与第一回热器(25)的管道上设有闸阀、第五截止阀(205)、压力传感器和温度传感器，第一回热器(25)、第二回热器(26)和第三回热器(27)依次连接，第一回热器(25)和第二回热器(26)之间的管道上及第二回热器(26)和第三回热器(27)之间的管道上均设有闸阀，第三回热器(27)与蒸发器(14)之间的管道上设有第六截止阀(206)、流量计、压力传感器和温度传感器，工质泵(24)与蒸发器(14)之间的管道上设有旁通阀(207)；第一级透平(17)和第二级透平(18)分别与第一发电机(19)和第二发电机(20)连接，第一发电机(19)和第二发电机(20)均连接有整流逆变负载(21)，整流逆变负载(21)、第一调节阀(101)、第二调节阀(102)和工质泵(24)均与控制器连接。
5.根据权利要求4所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：温差发电系统可切换至混合工质朗肯热力循环测试，其运行流程为：关闭第一截止阀(201)、第二截止阀(202)、第五截止阀(205)、第六截止阀(206)、第二调节阀(102)、第三调节阀(103)，打开第一调节阀(101)、第四调节阀(104)、旁通阀；来自工质泵(24)的液态混合工质经过旁通阀进入蒸发器(14)吸收来自热水的热量汽化，混合工质蒸汽通过第一调节阀(101)进入第一级透平(17)做功，带动与第一级透平(17)相连的第一发电机(19)发电，做功后的乏汽经过第四调节阀(104)进入第一冷凝器(15)或第二冷凝器(16)，被来自冷水箱(3)的冷水冷凝成液态混合工质进入工质泵(24)，完成朗肯发电循环中工质的循环。
6.根据权利要求1所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：第一冷凝器(15)和第二冷凝器(16)可分别通过第三截止阀(203)和第四截止阀(204)的开关实现切换。
7.根据权利要求4、5或6所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：第一级透平(17)和第二级透平(18)通过第一调节阀(101)、第二调节阀(102)、第三调节阀(103)、第四调节阀(104)的开关实现两级透平中任一透平的单级透平和双级透平发电测试。
8.根据权利要求7所述的海洋温差能发电模拟测试系统，其特征在于：第一冷凝器(15)为管壳式换热器，第二冷凝器(16)为板式换热器。
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