【摘 要】
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人类正面临着能源短缺和气候变化问题,为了应对气候变化带来的挑战,各国都相继制定了减少碳排放的发展目标,提高化石能源利用率和开发利用可再生能源。低温热能发电是节能减排的关键技术之一,因化石能源燃烧过程中有78%以上的热能排放掉。还有多种可再生能源以低温热能的形式存在,如海洋温差、地热能、低温光热等等。采用有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）的低温热能发电技术是具有实用价
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人类正面临着能源短缺和气候变化问题,为了应对气候变化带来的挑战,各国都相继制定了减少碳排放的发展目标,提高化石能源利用率和开发利用可再生能源。低温热能发电是节能减排的关键技术之一,因化石能源燃烧过程中有78%以上的热能排放掉。还有多种可再生能源以低温热能的形式存在,如海洋温差、地热能、低温光热等等。采用有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）的低温热能发电技术是具有实用价值的热能回收利用方式。但是目前仍存在成本高,热效率低,相变过程复杂非线性,模型强耦合,系统特性多元,控制困难等问题亟待解决。因此本文针对基于ORC的低温热能发电系统中设计、建模以及控制中的关键问题展开深入的研究,具体的研究内容和创新工作如下:（1）本文对目前存在的串联型、并联型以及串并联型三种结构的单热源多回路发电系统从热力学性能和经济性上进行对比分析。首先建立了热力学模型和经济模型,采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm,NSGAⅡ）多目标优化算法求解Pareto边界,利用优劣解距离法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS）计算边界上的最优解,最后使用灰色关联度（Grey Relation Analysis,GRA）对这些最优解进行综合评价。（2）本文提出了一种对多热源进行回收利用的串联换热器型结构,并对该结构下热源匹配性、热力学性能以及经济性进行分析优化。分析结果表明在两种温差较大的热源中,加入中间温度的热源可以改善热源之间的匹配性。优化比较结果显示本文所提出的串联换热器型的结构的多热源ORC发电系统相比于单独设计的ORC发电系统功率输出可显著提高,并减少初始投资成本。（3）针对目前单一时间尺度的ORC发电系统建模方法所建立的ORC发电系统动态模型计算时间长的问题,提出了热-机-电-磁耦合的多时间尺度的ORC发电系统建模方法。该方法通过分析ORC发电系统在动态变化时,各个部件的响应速度以及参数变化的快慢,将整个系统分成多个时间尺度分开进行求解。利用所提出的方法建立了基本ORC发电系统的动态模型,仿真结果显示所提出的方法和实际实验误差较小,仿真耗时得到了显著的缩短。（4）通过分析ORC发电系统在不同热源和冷源温度的下的最优压力和最优过热度,提出一种基于系统最优蒸发压力和过热度的MPPT策略。在控制的时候将其作为不同热源和冷源下的参考值。仿真结果显示所提出的MPPT策略所获得的功率相比于最优蒸发压力策略提高了 10%以上。（5）设计了含有变流器的ORC发电系统在并/离网下网侧变流器的控制策略,在并网时采用电压定向矢量控制（Voltage Oriented Control,VOC）策略。在离网运行时,采用V/f策略。对多回路ORC发电系统,并网时两个回路均采用VOC策略;离网运行时,第一个回路采用V/f策略,第二个回路采用VOC策略。仿真结果验证了所设计的控制策略的正确性,并且谐波在要求范围之内。（6）最后以船舶为例,选取来自船舶大型低速二冲程主机的废气、缸套水和中冷器冷却水作为热源。根据热源温度范围分布,选择串联换热器型结构进行多热源ORC发电系统的优化设计。优化结果显示所设计的ORC余热发电系统在使用Cyclopentane作为工质的时候,热效率可以达到为20%以上。每千瓦投资成本为1404.74 $/kW,回收年限为2.61年,每年可以减少2.4万吨CO2排放。本文的研究内容为基于ORC发电技术的低温热能发电系统的优化设计、建模以及控制提供了重要的参考依据,对于ORC发电系统的发展应用具有一定的促进作用。
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