580 工程科学学报，第43卷，第4期 ORC底循环余热利用的安全性 元、预热器单元、数据监测采集单元、控制单元五 在ORC底循环中，有机工质在TEG单元冷端 部分组成.其中，TEG单元包括模拟烟气加热单 实现第一级预热后，利用主机缸套水余热、增压空 元、冷却单元、负载电路、控制电路等：ORC发电 气余热实现第二级、第三级预热：随后，通过回收 单元包括蒸发器、小型涡旋膨胀机、冷凝器、工质 主机烟气剩余可用余热，有机工质在蒸发器出口 泵、储液罐、控制电路等：预热器单元包括缸套水 汽化，进入膨胀机做功并带动发电机发电，做功后 换热器、增压空气预热器、控制电路等：数据监测 的乏汽到达冷凝器冷却成液体，再次作为冷却介 采集单元以及控制单元主要包括电路控制单元、 质返回到TEG底循环冷端，完成循环 压力传感器、温度传感器、热电偶、数据采集装 2.2实验设置 置、滑动变阻器等.为保证实验数据的准确性，热 船舶余热梯级利用TEG-ORC联合循环实验 电转换单元、各级预热器、实验管路等均用保温 系统如图3所示，主要由TEG单元、ORC发电单 材料等做好保温与隔热 (a) M A 图3TEG-ORC联合循环实验系统(A一电路控制单元：B一模拟烟气加热单元：C一缸套水余热利用单元：D一增压空气余热利用单元：E一蒸发 器：F一小型涡旋膨胀机：G一工质罐：H一冷凝器：一工质泵：」一数据监测和采集单元：K一流量传感器：L一温度传感器：M一压力传感器：N一背 压阀：O一滑动变阻器) Fig.3 TEG-ORC combined cycle experimental system (A-circuit control unit;B-simulated exhaust heating unit;C-cylinder liner water waste heat utilization unit,D-charge air waste heat utilization unit,E-evaporator,F-small scroll expander,G-working fluid tank,H-condenser,I-working fluid pump;J-data monitoring acquisition unit K-flow sensor,L-temperature sensor,M-pressure sensor,N-back pressure valve;O-slide rheostat) 本研究选取R22为ORC底循环工质，并将一 保持ORC底循环工质流量不变，通过改变其 台用其作为工质的小型涡旋压缩机改装为联合循 蒸发压力，得到不同工况下TEG底循环和ORC底 环实验系统的膨胀机.相比传统的膨胀机，涡旋压 循环的输出功率、各级预热器的余热利用功率，并 缩机除专为压缩过程进行的外形设计带来的效率 通过工质在各级预热单元中温度、压力的变化，计 下降外，其作为膨胀机使用的工作效率是可以接 算得到热效率、主机烟气余热利用量、发电成本 受的，而效率下降的主要原因是不能满足作为膨 等主要性能参数 胀机使用时要求的内置体积比.通过对涡旋膨胀 不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率如 机的CFD模拟可知，即使不对外形和内部结构作 图4所示.由图可知，在不同蒸发压力下，TEG底 任何改变，其也可以用作涡旋式膨胀机920 循环的余热利用功率通常在330W上下小幅度波 动、ORC底循环中蒸发器的余热利用功率最大， 3 数据与分析 这与TEG和ORC各底循环输出功率变化的实验 为了更加直观的对TEG底循环和ORC底循 数据趋势一致；此外，二级和三级预热器的余热利 环规模及不同规模下系统性能进行比较，将TEG 用功率基本稳定，只是在0.7、0.73和0.76MPa蒸 底循环对主机烟气余热利用量QEG与ORC底循 发压力工况下为零.其原因在于，当蒸发压力为 环对主机烟气利用量QoRc的比QEG/QoRc定义 0.6、0.63和0.66MPa时，有机工质在TEG换热单 为TEG/ORC底循环比，以T表示.以前期变底循 元内部可实现汽化，其在TEG底循环中对主机烟 环比实验研究为依据，本研究中设定=0.615 气的利用受到较大影响：当蒸发压力为0.7、0.73ORC 底循环余热利用的安全性. 在 ORC 底循环中，有机工质在 TEG 单元冷端 实现第一级预热后，利用主机缸套水余热、增压空 气余热实现第二级、第三级预热；随后，通过回收 主机烟气剩余可用余热，有机工质在蒸发器出口 汽化，进入膨胀机做功并带动发电机发电，做功后 的乏汽到达冷凝器冷却成液体，再次作为冷却介 质返回到 TEG 底循环冷端，完成循环. 2.2    实验设置 船舶余热梯级利用 TEG-ORC 联合循环实验 系统如图 3 所示，主要由 TEG 单元、ORC 发电单 元、预热器单元、数据监测采集单元、控制单元五 部分组成. 其中，TEG 单元包括模拟烟气加热单 元、冷却单元、负载电路、控制电路等；ORC 发电 单元包括蒸发器、小型涡旋膨胀机、冷凝器、工质 泵、储液罐、控制电路等；预热器单元包括缸套水 换热器、增压空气预热器、控制电路等；数据监测 采集单元以及控制单元主要包括电路控制单元、 压力传感器、温度传感器、热电偶、数据采集装 置、滑动变阻器等. 为保证实验数据的准确性，热 电转换单元、各级预热器、实验管路等均用保温 材料等做好保温与隔热. L L M C D E G F H J I B A N M C B F D E G K O H A I J (a) (b) 图 3 TEG-ORC 联合循环实验系统（A—电路控制单元；B—模拟烟气加热单元；C—缸套水余热利用单元；D—增压空气余热利用单元；E—蒸发 器；F—小型涡旋膨胀机；G—工质罐；H—冷凝器；I—工质泵；J—数据监测和采集单元；K—流量传感器；L—温度传感器；M—压力传感器；N—背 压阀；O—滑动变阻器） Fig.3 TEG-ORC combined cycle experimental system (A—circuit control unit; B—simulated exhaust heating unit; C—cylinder liner water waste heat utilization unit; D—charge air waste heat utilization unit; E—evaporator; F—small scroll expander; G—working fluid tank; H—condenser; I—working fluid pump; J —data monitoring acquisition unit; K —flow sensor; L —temperature sensor; M —pressure sensor; N —back pressure valve; O —slide rheostat) 本研究选取 R22 为 ORC 底循环工质，并将一 台用其作为工质的小型涡旋压缩机改装为联合循 环实验系统的膨胀机. 相比传统的膨胀机，涡旋压 缩机除专为压缩过程进行的外形设计带来的效率 下降外，其作为膨胀机使用的工作效率是可以接 受的，而效率下降的主要原因是不能满足作为膨 胀机使用时要求的内置体积比. 通过对涡旋膨胀 机的 CFD 模拟可知，即使不对外形和内部结构作 任何改变，其也可以用作涡旋式膨胀机[19–20] . 3    数据与分析 为了更加直观的对 TEG 底循环和 ORC 底循 环规模及不同规模下系统性能进行比较，将 TEG 底循环对主机烟气余热利用量 QTEG 与 ORC 底循 环对主机烟气利用量 QORC 的比 QTEG/QORC 定义 为 TEG/ORC 底循环比，以 Γ 表示. 以前期变底循 环比实验研究为依据，本研究中设定 Γ=0.615. 保持 ORC 底循环工质流量不变，通过改变其 蒸发压力，得到不同工况下 TEG 底循环和 ORC 底 循环的输出功率、各级预热器的余热利用功率，并 通过工质在各级预热单元中温度、压力的变化，计 算得到热效率、主机烟气余热利用量、发电成本 等主要性能参数. 不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率如 图 4 所示. 由图可知，在不同蒸发压力下，TEG 底 循环的余热利用功率通常在 330 W 上下小幅度波 动、ORC 底循环中蒸发器的余热利用功率最大， 这与 TEG 和 ORC 各底循环输出功率变化的实验 数据趋势一致；此外，二级和三级预热器的余热利 用功率基本稳定，只是在 0.7、0.73 和 0.76 MPa 蒸 发压力工况下为零. 其原因在于，当蒸发压力为 0.6、0.63 和 0.66 MPa 时，有机工质在 TEG 换热单 元内部可实现汽化，其在 TEG 底循环中对主机烟 气的利用受到较大影响；当蒸发压力为 0.7、0.73 · 580 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期