基于低品位能源梯级利用的实验教学平台

王国强，李 俊，杨 晨，石万元，周永利，刘汉周

（重庆大学 能源与动力工程学院，重庆 400030）

能源是人类社会发展的重要物质基础，也是制约我国经济可持续发展的一个重要瓶颈，是国家经济社会发展的全局性和战略性问题[1-3]。目前，我国能源利用率不足，大量低品位余热以各种形式被排放到大气中，回收利用低品位余热将具有巨大的发展潜力[4-5]。为此，全世界都在推动与传统能源系统不同的第二代能源系统的建设，积极进行立法准备，抓紧开发相关设备[6-7]。其中基于低品位余热利用的冷热电三联产是先进能源利用技术的一个典型代表，它涉及以下几个方面：（1）动力与能源转换设备；（2）一次和二次能源相关技术；（3）智能控制与群控优化技术；（4）综合系统优化技术；（5）资源深度利用技术[8-9]。由此可见，基于低品位余热利用的冷热电三联产技术基本涵盖并综合了能源动力类专业的全部专业方向，并在深度和广度方面有极大的延伸。这些变化对能源动力类专业学生培养提出了新的挑战。高校作为人才培养的高地，需要持续地对包括实验教学在内的实践条件和实践基础进行改革和完善，才能为能源行业的不断进步及产业的转型升级提供人才支撑[10]。

为适应能源动力类人才培养新挑战，以余热梯级利用为核心，紧密结合能源动力领域的前沿科学技术，建设了一种基于低品位能源梯级利用的实验教学平台。通过融合理论教学、实验教学和工程实践，为培养具有实践创新能力的工程型、应用型高素质本科生奠定基础，并最终形成具有鲜明特色能源动力类专业的实验教学新体系和创新能力培养基地。

1 平台建设依据

（1）平台在人才培养中的重要作用。大众创业万众创新已成为现代化国家新征程的时代要求，以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济大量需求具有科技创新能力的实践型人才，从而使得高等教育越来越需要向提高学生实践创新能力的教育模式转变[11-12]。实验教学是高等教育实践创新能力培养的重要教学手段，而实验教学平台是实验教学的场所，是培养实践创新人才的重要阵地，建设好实验教学平台是提高能源动力类专业办学水平的重要措施[13-14]。

（2）能动类专业人才培养的需求。我国高等工程教育越来越重视实践性，正在转变只注重基础理论和专业知识传授的教育模式，我校在一流学科和一流大学建设中，调整了培养方案以强化实验教学环节，但与先进水平相比还存在不小的差距。目前，能源动力类专业现有的实验教学课程大多是按照理论课程设置，仅仅是理论教学的辅助部分，各门课程按照自身的需要开设实验。这种实验教学体系最大的缺陷在于各门课程的实验过于强调自身的独立性，实验内容和方法往往出现低水平、同层次的重复，不利于课程交叉。另外，专业基础课程实验与后续的应用性专业课程实验完全隔离，没有形成系统的实验框架和体系。这种实验教学方式只能有限度地帮助学生对专业理论的理解,而对培养学生解决复杂工程问题的能力作用不大。由此可见，目前的能动类专业实验教学水平尚不能支撑能源科学与工程学科发展对人才培养的需求，建设基于先进能源利用系统的实验教学平台已成为现实的迫切要求。

2 平台建设思想

以低品位能源梯级利用为主线，协调统一冷热电三联产，加强科研向教学转化，形成高水平的实验教学平台，培养能源动力类的专门人才，在传授知识和技能的同时，充分调动学生积极性，训练学生自主设计和研究的能力。

以新能源利用和节能减排为主题，涵盖能源动力转换和热工过程自动控制等能源动力类专业主要研究方向，有机融合理论教学和工程实践，加强学科交叉，在深度和广度方面大大延伸，丰富学生的专业前沿知识。

3 平台建设内容

3.1 平台构成

平台安装微型燃气轮机（Capstone，C30R-FG4-B000）发电，对微型燃气轮机排出的烟气余热进行梯级利用。微型燃气轮机排出的烟气温度为273 ℃，从微型燃气轮机排烟管口接出两路烟管，每路烟管都有电动阀远程控制。一路烟气首先进入溴化锂吸收式制冷机组，机组输出10 ℃冷冻水到末端空调箱，此时烟气温度降到185 ℃排出，然后进入ORC（organic Rankine cycle）余热发电机组。ORC 余热发电机组输出1 kW 的电功率到并网控制柜，此时烟气温度降到120 ℃，然后进入转轮除湿机组。转轮除湿机组先将120 ℃烟气换热到90 ℃后，制取高温干空气后驱动转轮除湿器，将室内的相对湿度调节到人体舒适状态（夏季40%，冬季30%）。最后，该路烟气从转轮除湿机组排出，进入尾部烟气实验，供微藻固碳实验和烟气分析实验使用。另一路烟气进入烟水换热器，产生90 ℃热水，并排出190 ℃烟气。热水进入相变蓄热器，烟气供尾部烟气实验使用。低品位能源利用系统实验教学平台及其建设内容见图1，主要包括能源来源、电能生产、热冷转换、热电储能和智能控制5 部分。

图1 低品位能源利用系统实验教学平台及其建设内容

（1）能量来源。能量来源包括天然气、电网和太阳能。天然气是最主要的能量来源，建设了小型气源稳压站，天然气输出流量25 m3/h，输出压力30 kPa。采用电网的电能作为补充能源，鉴于平台发电量较小，发出的电量采用并网不上网的原则，主要自发自用，不足部分则从电网取得[15]。平台对太阳能的利用方式包括光伏和光热利用。同时，微型燃气轮机、制冷机组等能源设备载体在运行时，将生产冷能、热能和电能等二次能源，通过智能控制，实现冷热电联动供能。

（2）电能生产。电能是高品质能源，低品位能量利用的首选方式是实现向电能的转换。平台电能生产设备包括微型燃气轮机、ORC 余热发电机组和太阳能电池阵列。其中微型燃气轮机直接利用天然气发电，ORC 余热发电机组利用微型燃气轮机排气余热发电，太阳能电池利用太阳光发电。考虑后期扩展需要，平台预留了燃料电池发电部分，采用氢氧燃料电池，通过太阳能制氢和生物质制氢获取氢源。

（3）热冷转换及储能。提供冷量的能源设备载体是吸收式溴化锂制冷机组。微型燃气轮机的排气，经过ORC 余热发电机组后，进入吸收式溴化锂制冷机组转换为冷量，提供给实验平台中央空调系统使用。当冷量需求增加时，微型燃气轮机的排气可通过旁路管道直接进入溴化锂制冷机组，富裕的冷量通过冰蓄冷技术进行储存。太阳能平板集热器收集的热能，采用相变蓄热技术储存。太阳能光伏发电量，采用蓄电池储存，并根据不同负载需求使能源利用达到最大化。

（4）智能控制。工质进出设备的流量、温度和压力均可测量，重要测量数据远传到计算机上虚拟，实现远程监控。并且配置高仿真操作界面，形象展示整个系统流程及设备运行情况。通过采集控制信号实现设备上位启停操作，同时具备操作各设备的开关功能。采集各系统实时能源数据获得动态报告，方便观察各系统的实时运行效率情况。针对历史记录可以实现存储，可随时调取某一段时间内的系统数据，进行测试和分析。

3.2 模块化应用

从实验教学角度出发，本实验教学平台可以分为4 个模块，即：太阳能模块、制冷模块、微藻固碳模块和仿真控制模块。

3.2.1 太阳能模块

太阳能模块包括太阳能光伏利用模块和光热利用模块。太阳能光伏利用模块由太阳能电池阵列（单块阵列最大功率285 W，共计4 块）、离网逆变电源、计量装置、配电系统、光伏蓄电池、环境数据检测等部分组成。太阳能通过太阳电池阵列转化为直流电力储存到蓄电池，当使用时，一部分再通过离网逆变电源将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波交流电，接入楼层配电箱，供办公照明用电；另一部分通过变压电源供给直流负荷。该模块可供学生测试数据有：风速、风向、环境温度、太阳能电池温度、太阳总辐射、太阳直接辐射、充电电流、充电电压、逆变输出功率、逆变输出电压、工作电流、工作电压特性等指标。学生通过此模块能掌握太阳能离网发电系统的原理与应用。

太阳能光热利用模块主要设备是太阳能集热器和相变蓄热器。5 块平板型太阳能集热器串联组成，采光总面积为10 m2；相变蓄热器额定热容量为150 MJ。太阳辐射达到一定强度时，集热器温度上升，当温度达到控制器的设定温度时，集热器循环水泵开始启动，将储热水箱的水输送到集热器阵列，同时太阳能集热器的热水流回相变蓄热器，使用时通过供水管路供应热水。即利用光热转换技术将光能转换为热能，再利用相变蓄热技术储存热能。该模块可供学生测试的数据有：集热器热性能、相变蓄热设备性能、管内温度、管路流量、管路压力等。学生通过此模块能掌握太阳能光热利用系统原理、太阳能集热器的布置、集热循环管路设计、循环泵选型等工程设计方法。

3.2.2 制冷模块

制冷模块包含吸收式制冷系统和转轮除湿系统。吸收式制冷系统的主要设备有：溴化锂吸收式制冷机组，冷却水塔，空调箱，冷却水泵，冷冻水泵等。本系统是烟气余热利用的第一个系统，系统输入侧是微燃机排出的烟气，温度为275 ℃，流量为0.31 kg/s，烟气驱动溴化锂吸收式制冷机组产出 7 ℃冷冻水后排出，温度约为185 ℃。7 ℃的冷冻水由冷冻水泵输送到空调箱中与空气换热，达到制冷目的。系统最大制冷量44.1 kW。该系统可供学生测试的数据有：冷水进出口温度、冷冻水流量、烟气进出口温度，烟气流量等。学生通过此系统能掌握中央空调系统的组成与工作原理，并会计算吸收式制冷系统的COP 值。

转轮除湿系统入口是来自ORC 余热发电机组排出的烟气，烟气温度约为120 ℃，流量为0.31 kg/s。烟气先经过一台热管换热器，将热量传递给转轮除湿器再生空气，再生空气温度为90 ℃，湿度为6.6%，经转轮后降至48 ℃，湿度45%，排到室外。该系统可供学生测试的数据有：转轮进出口温度和湿度、送风温度和湿度、烟气进出温度、电加热温度等。学生通过此系统能掌握处理风与再生风通过转轮进行热湿交换完成除湿过程，并会计算系统的除湿量。

3.2.3 微藻固碳模块

微藻固碳模块的主要设备有：台式离心机、分光光度计、CO2浓度测试仪、采收罐、真空冷冻干燥机、NH4-N 分析仪、COD 分析仪等。该模块采用微藻固碳技术对转轮除湿系统排放的CO2进行利用，实现碳减排。该模块可供学生测试的数据有：CO2浓度、气体流速、培养温度、PH 值、光合生成率、CO2利用率、微藻增长率、CO2溶解和微藻消耗速率等。学生通过此系统能测量光生物反应器内微藻生长及固定烟气CO2的性能，包括获得不同光照强度下的微藻生长速率、微藻悬浮液中的CO2溶解和微藻消耗速率等特性参数随时间的变化关系。

3.2.4 仿真试验模块

仿真试验模块的主要设备有：多核嵌入式控制器、多槽3U PXI Express 机箱、数据采集仪、高精度RTD热敏温度处理器、压力电压扭矩器采集仪等。本模块构建了以微型燃气轮机作为原动机的冷热电分布式能源系统虚拟仿真试验，能在夏季工况和冬季工况条件下，对冷热电分布式能源系统的一次能源利用率、㶲效率随燃气轮机发电机组发电功率的变化进行模拟计算。学生通过此模块能掌握冷热电分布式能源系统一次能源利用率、 㶲效率的分析计算方法，计算冷热电分布式能源系统在夏季工况和冬季工况下经济性的差异。

4 初步成效

自平台建成的2 年来，除服务于正常实验教学任务外，承担国家级大学生创新训练计划15 项、校级大学生科研训练计划项目32 项，其中7 个项目获得优秀。根据2 年的统计，学生成功申请了发明专利12 项，发表SCI 论文4 篇，EI 论文7 篇。平台服务于大学生工程训练、自主创新设计训练、大学生社会实践等，在全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中，获得特等奖1 项、一等奖4 项、二等奖6 项。依托该平台，实验技术人员获得省级实验教学改革课题2 项，重庆市教学成果二等奖1 项，计算机软件著作权证书2 项。平台研发的“分布式能源系统变工况性能虚拟仿真分析实验”入选为市级虚拟仿真实验教学项目。

5 结语

实验教学平台以低品位能源梯级利用为主线，以新能源利用和节能减排为主题，协调统一冷热电三联产，涵盖并综合了本校能源动力类专业的全部专业方向。该实验教学平台主要服务于能源动力类及相关专业大学生的实验教学、科研训练等创新实践活动。平台建成后已取得初步成效，促进了能源动力类大学生实践创新能力的培养。下一步将结合能源科学前沿和行业新发展，对该平台进行拓展建设，以便更加深入、更加广泛地服务于能源科学与工程学科学生实践创新能力培养。