我国具有丰富的低品位能源如太阳能、地热能和余热能等,利用有机朗肯循环将这些低品位热能转换为功,对推进我国节能减排与环境保护具有重要意义。然而热源的不稳定性及外部扰动的存在严重影响到系统的安全稳定运行,导致系统的能源利用效率下降,因此需要对有机朗肯循环发电系统进行优化控制。针对上述问题,本文开展了系统在各扰动下的动态特性研究及系统的变工况特性研究。本文开展的研究工作如下:1.以一套太阳能有机朗肯循环发电试验台为研究对象,该试验台集热装置选用槽式太阳能集热器,换热器选用板式换热器,膨胀机选用涡旋膨胀机,循环工质为R123,设计发电量为8kW。基于移动边界模型推导蒸发器及冷凝器的动态方程,两相区采用平均空隙理论计算工质的物性参数、流动及换热特性;分析涡旋膨胀机的几何结构,简化膨胀机内工质的泄露及传热模型,推导膨胀机内工质的温度、压力随动涡盘转角变化的方程。根据系统循环原理,确定各部件的耦合关系,建立有机朗肯循环系统的仿真模型。2.在冷、热源设计工况(热源温度430K,导热油流量2.0kg/s,冷源温度303K,冷却水流量1.5kg/s)下对系统的运行状态进行仿真,分析导热油流量、冷却水流量、工质泵频率及膨胀机频率扰动下系统的动态响应。3.分别对导热油温在426K-436K,冷却水温在293K-303K,工质泵频率在38Hz-45Hz范围内系统的变工况运行特性进行仿真。本文的研究有如下发现:1.在导热油流量、冷却水流量、工质泵频率及膨胀机频率分别扰动下系统的动态仿真结果如下:1).导热油流量从2.0kg/s阶跃至2.2kg/s,系统的自平衡时长为30s,蒸发压力上升0.15MPa,工质过热度增加1.5℃,系统输出功增加0.03kW,发电效率下降0.04%。2).冷却水流量从1.5kg/s阶跃至1.7kg/s,系统的自平衡时长为25s,系统蒸发压力下降0.007MPa,过热度上升0.5℃,输出功增加0.07kW,发电效率增加0.03%。3).工质泵频率从40Hz阶跃至42Hz,系统工质循环流量增加0.017kg/s,蒸发压力上升0.15MPa,工质过热度减小4.7℃,膨胀机输出功增加0.25kW,系统发电效率增加0.28%。4).膨胀机频率从50Hz阶跃至48Hz,系统蒸发压力的变化幅度与工质泵频率阶跃时相当而响应时长减少一倍,过热度减小1.5℃,工质循环流量受膨胀机进口工质密度影响呈现先减小后增加的趋势,稳定后输出功相较之前减小0.01kW,系统发电效率则增加0.1%。由此可得,工质运行状态受冷却水侧扰动的影响小于导热油侧扰动;相较于导热油温度扰动,其流量扰动对蒸发器内工质蒸发压力和工质过热度的影响小且系统能在更短的时间内达到新的平衡;蒸发压力和工质过热度宜作为系统的被控量;膨胀机频率变化对于系统蒸发压力的影响能得到较快的响应,而工质泵频率变化能使工质的过热度产生较大幅度的改变。2.系统变工况运行特性仿真结果表明,在导热油温由426K变化至436K的过程中,工质的蒸发压力及过热度显著增加,膨胀机的输出功也随之增大,然而蒸发器内换热的不可逆性增加及冷凝器热负荷的增加使系统的发电效率由8.67%逐渐下降至8.52%。随着冷却水温在293K-303K范围内变化,系统内循环工质的质量流量随冷却水温的升高而减少,膨胀机的输出功也随之减小,且系统的发电效率不断降低。在冷、热源设计工况下,膨胀机输出功随工质泵频率的增加逐渐增大,而系统的发电效率呈现先增大后减小的趋势,在工质泵频率为41Hz时,系统发电效率达到最大为8.64%。本文建立了有机朗肯循环系统的动态模型,创新性地研究了各扰动对系统运行状态的影响和系统的变工况运行特性,对系统的抗扰动控制及最优化调节有一定的指导意义。