李伟 周时龙
浙江省杭州市科源能源装备有限公司，310018
摘要：随着科技的发展和高效能产业的壮大，促使国际能源的需求量迅速上涨。人口数量与人类活动的增加，对能源的需求也越来越大，可以说能源的产量和种类影响着生产生活的方方面面。社会的发展和人类的生活都离不开能源的支持。随着应用性能源的增多，也相对加大了对石油煤矿的开采，在一定程度上影响着环境保护和生态平衡，所以为了生态与人类家园能够可持续协调发展，可再生能源，新兴能源和高效节能技术成为国家研究和开发的重点，科学地合理地应用新兴能源可以改善地球日益恶化的生态平衡，促进环境保护和生态协调发展[1]。
关键词：永磁发电机；低温余热；转换效率；策略
前言
随着高效能源的应用，可以有效解决我国的能源短缺问题，也在一定程度上促进了生态发展和环保事业的发展进程。但是我国行业和高耗能的产业在一定程度上还会应用石油，煤炭等一些高热能等对环境污染较大的能源，为了避免高耗能带来的环境危害和自然危害，我国也在大力开发水电、核电以及风力发电和其他可再生能源的应用与开采，在一定程度上减少了高耗能资源对环境造成的危害。
一、余热资源的类型
根据余热资源的温度，来源以及其生存和排放形态可以对余热资源进行合理的归类和划分，大体可以划分为气体余热、液态余热以及固体余热等三种余热储存方式，这三种余热形态也会有相应的三种载体方式分别是气体载体，液体载体和固体载体等三种，按照余热热源进行分类，可以分为以下六种:可燃废气废液、废料余热、废气和废水余热、高温烟气余热，高温炉渣余热以及冷却介质余热和化学反应余热，按照载热体温度的不同可以将余热资源划分为低温余热，中温和高温余热。
我国工业领域的生产发展主要是应用中低温余热进行而且资源丰富，对低温余热进行回收再利用，可以起到良好的节能减排和环境保护的作用，但是从我国对低温余热的应用科技手段来看，在对低温热源的收集和稳定性方面还有许多需要解决的问题，但是高温、中温余热资源的余热发电技术水平达到了较高水平，而且在钢铁，水泥和化工产业应用较多。
二、低温余热发电技术
为了人类生产生活和环境的友好发展，要加大力度开发低温余热发电技术，随着市场需求的发展，市场中对低温余热的发电技术应用范围较广，高耗能行业的存在紧跟着的是余热利用，余热发电。低温余热发电技术，对于能源节约和减少二氧化碳的排放量以及保护生态环境起着积极作用，与其他方式相比，有机朗肯循环具有运行简单，易于控制，安全性好，效率较高的优点。
随着生态环境保护和产业发展，我国目前余热发电技术的主要应用领域包括水泥行业余热利用技术，焦炭行业余热发电技术以及钢铁行业余热发电技术和玻璃生产余热发电技术。
三、永磁发电机的低温余热热机转换效率研究
（一）实验设计
永磁发电机是一种具有特殊结构的同步发电机，输出电压随着环境的变化而变化，本文将从永磁发电机的发电原理以及实验过程来探讨永磁发电机的低温余热热机转换效率。首先根据系统中的膨胀机和永磁发电机工作原理，建立膨胀机永磁发电机二者之间的能量转化的数学模型，结合膨胀机发电机在工作工程中的各个状态参数变化情况，探究系统最佳性能的工作条件。
ORC系统中发电机与膨胀机直接相连，发电机作为膨胀机的工作负载，把电机矢量控制技术和矩阵变换器的优点相结合，实现对发电机速度的控制，从而间接提高膨胀机地输出功率，改善膨胀机的机能转换效率。同时在实验的过程中完善已经搭建好的实验平台和设备平台，对整个过程进行反复试验，测量和记录实验数据线，对实验结果进行检验和检测，比较分析仿真结果；从而进一步优化整个余热发电系统的控制策略[2]。
（二）实验过程
实验主要通过从膨胀机的转换效率和运转速度分析膨胀机的工作状态，针对工质流量，热源温度和负载大小，发电机转速等参数对ORC系统的输出电能大小进行分析，在电能量的大小中选择一个变化量，固定其他量值，在实验完成之后，总结影响效率和发电量的主要因素。
其中有机工质的选择直接影响低温余热发电系统的运行效果和及其工作性能，ORC系统中的有机工质应满足以下条件：具有良好的热力学性能特征，主要包括适当的工作压力，良好的传热性能和较高的热效率，同时还要具备高气化潜热，即在较低热源的温度下，得到更多的动力。
同时ORC中的有机工质要有良好的安全性，无毒和易分解的特质，不会对大气环境造成危害[3]。
（三）膨胀机工作原理
除了加强对有机工质的管理之外也要加强膨胀机工作原理的学习，在ORC系统中，余热资源的热量转换后的输出功率和膨胀机本身的绝热效率具有线性关系曲线，因此膨胀机的工作效率与余热发电系统的性能存在直接联系的。涡旋膨胀机的基本结构与压缩机结构类似，动涡盘和静涡盘组成动涡盘和静涡盘的形状完全一样，在进行工作时动涡盘绕静卧盘来旋转来做离心运动，工作腔的体积随着动涡盘的转动而不断地改变大小，从而完成进气，膨胀和排气的过程。
当动涡盘旋转角度为零度时，膨胀机中心腔开始了充气阶段，随着动涡旋盘的逆时针转动，使中心腔体的体积不断变化和增加，进而完成整个进气过程。膨胀过程，当旋转角度从零度旋转到三百六十度时，膨胀机入口段与中心腔体二者彼此隔开，进气过程结束，膨胀机中心又开始形成新的中心吸气腔，这一对膨胀腔随着动涡盘的不断旋转而体积逐渐扩大，涡旋膨胀机在整个膨胀过程中存在不可逆因素，这些不可逆因素直接导致了膨胀机功耗的增加。排气过程是指膨胀室与膨胀机排气部分相连接，排气过程逐渐开始，膨胀过程逐渐结束。膨胀机的排气工作腔体积随着动涡旋盘不断旋转导致膨胀室的体积不断减少，直到气体完全被排出。
从整个实验过程来看，膨胀机涡盘旋的涡旋圈数直接影响着膨胀机月牙形腔体，涡旋膨胀机是一种多腔结构体结构，操作简单，运行稳定。没有进气，排气阀门，涡旋膨胀机地运转更加可靠，更加安全，尤其适用于变频调速领域。
低温余热发电机组主要是由涡旋膨胀机，发电机组成。涡旋膨胀机输出的动转矩即为永磁同步发电机的输入转矩。工质蒸汽产生的转矩变化直接影响发电机侧有功功率，所以必须对涡旋膨胀机地转速局进行高效控制。涡旋膨胀机在整个工作循环期间，存在着能量转换的不可逆变化因素，这些不可逆因素直接影响着膨胀机的工作效率，因此，将膨胀机的主要工作循环过程包括内膨胀循环和外膨胀工作循环，因此将膨胀机的整个工作定义为内不可逆因素和外不可逆因素，在力矩形成的过程中，涡旋膨胀机工作在多腔状态下，并在各膨胀腔中形成压力差。膨胀机工作过程包括气体吸入，气体膨胀和气体排出三个部分。
（四）矩阵变换器
矩阵变换器能够产生实现永磁同步发电机矢量控制系统是需要的电子流法，并对其进行高效的实时控制，矩阵变换器有两种控制方法：电压控制法和电流控制法，其中矩阵变换器是常用的一种控制策略是间接空间矢量控制，采用PWM调制技术可以更加方便的结合电机负载情况并进行高效矢量控制，无需载额外设计矢量控制器[4]。
低温余热系统的关键设备是膨胀机和永磁同步发电机，两者同轴相连，具有相同的动力转矩，工作时，永磁同步发电机作为膨胀机地工作负载，与传统的控制方式不同，本文主要是通过对工作负载的转矩，速度的控制来间接实现对膨胀机的热机转换效率控制，进而有效提升整个ORC系统的发电效率。在矩阵变换器空间矢量调制策略的基础上，建立了矩阵变换器驱动永磁同步发电机的矢量控制系统，并采用串接电感器的策略实现对发电机电磁转矩的控制，实验证明了该矢量控制系统的可行性，有效地控制了永磁同步发电机的电磁转矩、速度提高了膨胀机的热机转换效率，进而改善了余热发电系统的热电转换效率。
四、结束语
在企业与行业的生产和发展过程中，高温高压气体随处可见，上述产业中排放的气体如果得不到有效的利用和环保性排放，以及低热余温得不到良好的利用，每年行业中排放的气体不仅会白白浪费，而且会造成环境污染，随着产业的增多，低温高温热量的排放和浪费会对环境造成更大的危害，但是在被产业中浪费的余热尤其是低温预热有很好的循环利用和二次利用的价值，排放和浪费的余热能量在回收利用时会大大利用自身的热量转化为有效能源，所以低温余热资源可以促进新能源技术的开发和发展，不仅减少了低温热量气体的排放量，还会造福于国家的科研研发。
参考文献
[1]王正,崔超.基于有机朗肯循环的低温余热发电系统设计与分析[J].电力与能源,2013,34(4):321-324.
[2]张飞飞,韩晓钢.永磁发电机移动电源中基于原动机速度调节的技术探析[J].现代制造技术与装备,2020,(4):99-100.
[3]王正,郭闯,宗振鹏.低温余热发电系统涡轮机建模及实验研究[J].电源技术,2012,36(11):1707-1710.
[4]王默.超超临界二次再热机组低温烟气余热利用及设备安装监理[D].华北电力大学;华北电力大学(北京),2014. DOI:10.7666/d.Y2879970.
作者简介：李伟（1983年），男，汉族，湖北武汉，工艺主管，大专?科源能源装备有限公司（浙江省杭州市，310018），研究方向：低温余热
作者简介：周时龙（1984年），男，汉族，浙江舟山，技术主管/助理工程师，本科，科源能源装备有限公司（浙江省杭州市，310018），研究方向：低温余热