新型蒸汽动力循环系统数字化设计

获奖团队介绍

学校：西安交通大学
指导老师：伊春海、杨艳、王斯民
团队成员：王博文､周佳炜､毕中磊､童钰皓

简介

本案例依托 MWORKS.Sysplorer 搭建水和 R134a 为工质的朗肯循环模型，完成各组件调试与系统整体仿真分析，通过参数优化确定最优运行工况。项目以火电厂为案例，开展 ORC 低温余热回收的经济与环境分析，验证了该系统的高收益与减排价值，同时实现动静设备协同优化，具备良好工程实用性。

仿真结果与参数优化分析

一、以水为工质场景性能分析

汽轮机流入与流出流量完全重合，均为 10.69kg/s，说明水蒸气在汽轮机内无流量损失。蒸汽经汽轮机等熵膨胀做功，入口压力为 5.34MPa，出口压力降至 0.01MPa，实现了高温高压蒸汽到低温低压气体的转化，汽轮机稳定输出轴功 6811.24KW。各组件参数匹配度高，工质顺利完成吸热、膨胀、放热、压缩的完整朗肯循环，验证了水工质循环模型搭建的合理性与仿真准确性。

汽轮机流入和流出流量

汽轮机蒸汽入口和出口压力

汽轮机轴功

二、以 R134a 为工质的蒸汽动力循环系统仿真结果

该工况下 R134a 工质流量约 6.7kg/s，在蒸发器中被工业废热加热至 3.4MPa、92.33℃，经汽轮机等熵膨胀后，压力降至 0.8MPa、温度降至 31.32℃，对外做功功率约 120KW，各项参数变化符合热力过程规律。仿真结果表明，该模型完全适配工业 100℃以下低温废气的低品位热量回收要求，且模型参数可根据真实工况灵活调整，能适配不同的工业余热回收应用场景。

部分仿真结果

三、参数优化及系统优化

1. 改变蒸发温度寻找最大热效率（0.97 处）

固定汽轮机出口压力、冷凝温度，改变 R134a 工质的进口压力并进行仿真模拟，计算对应热效率，与进口压力 3.4MPa 工况对比，通过二分法逐步逼近，寻找热效率最大值。结果显示，R134a 进口压力在 3.893MPa（0.97 倍其临界压力）时，系统热效率达到最优的 10.14%，对应最优蒸发温度为 100.1℃，借助仿真软件实现参数优化，节省了实验的人力、物力成本。

出口压力为 0.8MPa 下热效率-进口压力图

2. 并联汽轮机

针对常规朗肯循环单蒸发器配单汽轮机，易出现蒸发器内能利用不充分的问题，搭建单蒸发器带动两台汽轮机的并联模型，开展仿真模拟验证系统效能。结果显示，并联后单台汽轮机对外做功保持不变，蒸发器提供的内能从 1205.40KW 增至 2411.80KW，可向多处输出轴功，能利用更多余热，提升了余热回收率，为工程中汽轮机型号不便更换时的系统优化提供了可行方案。

并联模拟结果（左：两汽轮机轴功；右：内能变化）

版本说明

V0.0.1，2026-03-02 18:15

初始版本