基于低品位能源梯級利用的實驗教學平臺

王國強，李 俊，楊 晨，石萬元，周永利，劉漢周

（重慶大學 能源與動力工程學院，重慶 400030）

能源是人類社會發展的重要物質基礎，也是制約我國經濟可持續發展的一個重要瓶頸，是國家經濟社會發展的全局性和戰略性問題[1-3]。目前，我國能源利用率不足，大量低品位余熱以各種形式被排放到大氣中，回收利用低品位余熱將具有巨大的發展潛力[4-5]。為此，全世界都在推動與傳統能源系統不同的第二代能源系統的建設，積極進行立法準備，抓緊開發相關設備[6-7]。其中基于低品位余熱利用的冷熱電三聯產是先進能源利用技術的一個典型代表，它涉及以下幾個方面：（1）動力與能源轉換設備；（2）一次和二次能源相關技術；（3）智能控制與群控優化技術；（4）綜合系統優化技術；（5）資源深度利用技術[8-9]。由此可見，基于低品位余熱利用的冷熱電三聯產技術基本涵蓋并綜合了能源動力類專業的全部專業方向，并在深度和廣度方面有極大的延伸。這些變化對能源動力類專業學生培養提出了新的挑戰。高校作為人才培養的高地，需要持續地對包括實驗教學在內的實踐條件和實踐基礎進行改革和完善，才能為能源行業的不斷進步及產業的轉型升級提供人才支撐[10]。

為適應能源動力類人才培養新挑戰，以余熱梯級利用為核心，緊密結合能源動力領域的前沿科學技術，建設了一種基于低品位能源梯級利用的實驗教學平臺。通過融合理論教學、實驗教學和工程實踐，為培養具有實踐創新能力的工程型、應用型高素質本科生奠定基礎，并最終形成具有鮮明特色能源動力類專業的實驗教學新體系和創新能力培養基地。

1 平臺建設依據

（1）平臺在人才培養中的重要作用。大眾創業萬眾創新已成為現代化國家新征程的時代要求，以新技術、新產業、新業態和新模式為特征的新經濟大量需求具有科技創新能力的實踐型人才，從而使得高等教育越來越需要向提高學生實踐創新能力的教育模式轉變[11-12]。實驗教學是高等教育實踐創新能力培養的重要教學手段，而實驗教學平臺是實驗教學的場所，是培養實踐創新人才的重要陣地，建設好實驗教學平臺是提高能源動力類專業辦學水平的重要措施[13-14]。

（2）能動類專業人才培養的需求。我國高等工程教育越來越重視實踐性，正在轉變只注重基礎理論和專業知識傳授的教育模式，我校在一流學科和一流大學建設中，調整了培養方案以強化實驗教學環節，但與先進水平相比還存在不小的差距。目前，能源動力類專業現有的實驗教學課程大多是按照理論課程設置，僅僅是理論教學的輔助部分，各門課程按照自身的需要開設實驗。這種實驗教學體系最大的缺陷在于各門課程的實驗過于強調自身的獨立性，實驗內容和方法往往出現低水平、同層次的重復，不利于課程交叉。另外，專業基礎課程實驗與后續的應用性專業課程實驗完全隔離，沒有形成系統的實驗框架和體系。這種實驗教學方式只能有限度地幫助學生對專業理論的理解,而對培養學生解決復雜工程問題的能力作用不大。由此可見，目前的能動類專業實驗教學水平尚不能支撐能源科學與工程學科發展對人才培養的需求，建設基于先進能源利用系統的實驗教學平臺已成為現實的迫切要求。

2 平臺建設思想

以低品位能源梯級利用為主線，協調統一冷熱電三聯產，加強科研向教學轉化，形成高水平的實驗教學平臺，培養能源動力類的專門人才，在傳授知識和技能的同時，充分調動學生積極性，訓練學生自主設計和研究的能力。

以新能源利用和節能減排為主題，涵蓋能源動力轉換和熱工過程自動控制等能源動力類專業主要研究方向，有機融合理論教學和工程實踐，加強學科交叉，在深度和廣度方面大大延伸，豐富學生的專業前沿知識。

3 平臺建設內容

3.1 平臺構成

平臺安裝微型燃氣輪機（Capstone，C30R-FG4-B000）發電，對微型燃氣輪機排出的煙氣余熱進行梯級利用。微型燃氣輪機排出的煙氣溫度為273 ℃，從微型燃氣輪機排煙管口接出兩路煙管，每路煙管都有電動閥遠程控制。一路煙氣首先進入溴化鋰吸收式制冷機組，機組輸出10 ℃冷凍水到末端空調箱，此時煙氣溫度降到185 ℃排出，然后進入ORC（organic Rankine cycle）余熱發電機組。ORC 余熱發電機組輸出1 kW 的電功率到并網控制柜，此時煙氣溫度降到120 ℃，然后進入轉輪除濕機組。轉輪除濕機組先將120 ℃煙氣換熱到90 ℃后，制取高溫干空氣后驅動轉輪除濕器，將室內的相對濕度調節到人體舒適狀態（夏季40%，冬季30%）。最后，該路煙氣從轉輪除濕機組排出，進入尾部煙氣實驗，供微藻固碳實驗和煙氣分析實驗使用。另一路煙氣進入煙水換熱器，產生90 ℃熱水，并排出190 ℃煙氣。熱水進入相變蓄熱器，煙氣供尾部煙氣實驗使用。低品位能源利用系統實驗教學平臺及其建設內容見圖1，主要包括能源來源、電能生產、熱冷轉換、熱電儲能和智能控制5 部分。

圖1 低品位能源利用系統實驗教學平臺及其建設內容

（1）能量來源。能量來源包括天然氣、電網和太陽能。天然氣是最主要的能量來源，建設了小型氣源穩壓站，天然氣輸出流量25 m3/h，輸出壓力30 kPa。采用電網的電能作為補充能源，鑒于平臺發電量較小，發出的電量采用并網不上網的原則，主要自發自用，不足部分則從電網取得[15]。平臺對太陽能的利用方式包括光伏和光熱利用。同時，微型燃氣輪機、制冷機組等能源設備載體在運行時，將生產冷能、熱能和電能等二次能源，通過智能控制，實現冷熱電聯動供能。

（2）電能生產。電能是高品質能源，低品位能量利用的首選方式是實現向電能的轉換。平臺電能生產設備包括微型燃氣輪機、ORC 余熱發電機組和太陽能電池陣列。其中微型燃氣輪機直接利用天然氣發電，ORC 余熱發電機組利用微型燃氣輪機排氣余熱發電，太陽能電池利用太陽光發電。考慮后期擴展需要，平臺預留了燃料電池發電部分，采用氫氧燃料電池，通過太陽能制氫和生物質制氫獲取氫源。

（3）熱冷轉換及儲能。提供冷量的能源設備載體是吸收式溴化鋰制冷機組。微型燃氣輪機的排氣，經過ORC 余熱發電機組后，進入吸收式溴化鋰制冷機組轉換為冷量，提供給實驗平臺中央空調系統使用。當冷量需求增加時，微型燃氣輪機的排氣可通過旁路管道直接進入溴化鋰制冷機組，富裕的冷量通過冰蓄冷技術進行儲存。太陽能平板集熱器收集的熱能，采用相變蓄熱技術儲存。太陽能光伏發電量，采用蓄電池儲存，并根據不同負載需求使能源利用達到最大化。

（4）智能控制。工質進出設備的流量、溫度和壓力均可測量，重要測量數據遠傳到計算機上虛擬，實現遠程監控。并且配置高仿真操作界面，形象展示整個系統流程及設備運行情況。通過采集控制信號實現設備上位啟停操作，同時具備操作各設備的開關功能。采集各系統實時能源數據獲得動態報告，方便觀察各系統的實時運行效率情況。針對歷史記錄可以實現存儲，可隨時調取某一段時間內的系統數據，進行測試和分析。

3.2 模塊化應用

從實驗教學角度出發，本實驗教學平臺可以分為4 個模塊，即：太陽能模塊、制冷模塊、微藻固碳模塊和仿真控制模塊。

3.2.1 太陽能模塊

太陽能模塊包括太陽能光伏利用模塊和光熱利用模塊。太陽能光伏利用模塊由太陽能電池陣列（單塊陣列最大功率285 W，共計4 塊）、離網逆變電源、計量裝置、配電系統、光伏蓄電池、環境數據檢測等部分組成。太陽能通過太陽電池陣列轉化為直流電力儲存到蓄電池，當使用時，一部分再通過離網逆變電源將直流電轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波交流電，接入樓層配電箱，供辦公照明用電；另一部分通過變壓電源供給直流負荷。該模塊可供學生測試數據有：風速、風向、環境溫度、太陽能電池溫度、太陽總輻射、太陽直接輻射、充電電流、充電電壓、逆變輸出功率、逆變輸出電壓、工作電流、工作電壓特性等指標。學生通過此模塊能掌握太陽能離網發電系統的原理與應用。

太陽能光熱利用模塊主要設備是太陽能集熱器和相變蓄熱器。5 塊平板型太陽能集熱器串聯組成，采光總面積為10 m2；相變蓄熱器額定熱容量為150 MJ。太陽輻射達到一定強度時，集熱器溫度上升，當溫度達到控制器的設定溫度時，集熱器循環水泵開始啟動，將儲熱水箱的水輸送到集熱器陣列，同時太陽能集熱器的熱水流回相變蓄熱器，使用時通過供水管路供應熱水。即利用光熱轉換技術將光能轉換為熱能，再利用相變蓄熱技術儲存熱能。該模塊可供學生測試的數據有：集熱器熱性能、相變蓄熱設備性能、管內溫度、管路流量、管路壓力等。學生通過此模塊能掌握太陽能光熱利用系統原理、太陽能集熱器的布置、集熱循環管路設計、循環泵選型等工程設計方法。

3.2.2 制冷模塊

制冷模塊包含吸收式制冷系統和轉輪除濕系統。吸收式制冷系統的主要設備有：溴化鋰吸收式制冷機組，冷卻水塔，空調箱，冷卻水泵，冷凍水泵等。本系統是煙氣余熱利用的第一個系統，系統輸入側是微燃機排出的煙氣，溫度為275 ℃，流量為0.31 kg/s，煙氣驅動溴化鋰吸收式制冷機組產出 7 ℃冷凍水后排出，溫度約為185 ℃。7 ℃的冷凍水由冷凍水泵輸送到空調箱中與空氣換熱，達到制冷目的。系統最大制冷量44.1 kW。該系統可供學生測試的數據有：冷水進出口溫度、冷凍水流量、煙氣進出口溫度，煙氣流量等。學生通過此系統能掌握中央空調系統的組成與工作原理，并會計算吸收式制冷系統的COP 值。

轉輪除濕系統入口是來自ORC 余熱發電機組排出的煙氣，煙氣溫度約為120 ℃，流量為0.31 kg/s。煙氣先經過一臺熱管換熱器，將熱量傳遞給轉輪除濕器再生空氣，再生空氣溫度為90 ℃，濕度為6.6%，經轉輪后降至48 ℃，濕度45%，排到室外。該系統可供學生測試的數據有：轉輪進出口溫度和濕度、送風溫度和濕度、煙氣進出溫度、電加熱溫度等。學生通過此系統能掌握處理風與再生風通過轉輪進行熱濕交換完成除濕過程，并會計算系統的除濕量。

3.2.3 微藻固碳模塊

微藻固碳模塊的主要設備有：臺式離心機、分光光度計、CO2濃度測試儀、采收罐、真空冷凍干燥機、NH4-N 分析儀、COD 分析儀等。該模塊采用微藻固碳技術對轉輪除濕系統排放的CO2進行利用，實現碳減排。該模塊可供學生測試的數據有：CO2濃度、氣體流速、培養溫度、PH 值、光合生成率、CO2利用率、微藻增長率、CO2溶解和微藻消耗速率等。學生通過此系統能測量光生物反應器內微藻生長及固定煙氣CO2的性能，包括獲得不同光照強度下的微藻生長速率、微藻懸浮液中的CO2溶解和微藻消耗速率等特性參數隨時間的變化關系。

3.2.4 仿真試驗模塊

仿真試驗模塊的主要設備有：多核嵌入式控制器、多槽3U PXI Express 機箱、數據采集儀、高精度RTD熱敏溫度處理器、壓力電壓扭矩器采集儀等。本模塊構建了以微型燃氣輪機作為原動機的冷熱電分布式能源系統虛擬仿真試驗，能在夏季工況和冬季工況條件下，對冷熱電分布式能源系統的一次能源利用率、?效率隨燃氣輪機發電機組發電功率的變化進行模擬計算。學生通過此模塊能掌握冷熱電分布式能源系統一次能源利用率、 ?效率的分析計算方法，計算冷熱電分布式能源系統在夏季工況和冬季工況下經濟性的差異。

4 初步成效

自平臺建成的2 年來，除服務于正常實驗教學任務外，承擔國家級大學生創新訓練計劃15 項、校級大學生科研訓練計劃項目32 項，其中7 個項目獲得優秀。根據2 年的統計，學生成功申請了發明專利12 項，發表SCI 論文4 篇，EI 論文7 篇。平臺服務于大學生工程訓練、自主創新設計訓練、大學生社會實踐等，在全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽中，獲得特等獎1 項、一等獎4 項、二等獎6 項。依托該平臺，實驗技術人員獲得省級實驗教學改革課題2 項，重慶市教學成果二等獎1 項，計算機軟件著作權證書2 項。平臺研發的“分布式能源系統變工況性能虛擬仿真分析實驗”入選為市級虛擬仿真實驗教學項目。

5 結語

實驗教學平臺以低品位能源梯級利用為主線，以新能源利用和節能減排為主題，協調統一冷熱電三聯產，涵蓋并綜合了本校能源動力類專業的全部專業方向。該實驗教學平臺主要服務于能源動力類及相關專業大學生的實驗教學、科研訓練等創新實踐活動。平臺建成后已取得初步成效，促進了能源動力類大學生實踐創新能力的培養。下一步將結合能源科學前沿和行業新發展，對該平臺進行拓展建設，以便更加深入、更加廣泛地服務于能源科學與工程學科學生實踐創新能力培養。