一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法与流程

1.本发明涉及低温余热回收技术领域，具体涉及一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法。


背景技术：

2.随着工业化进程的加快，能源紧缺问题已经成为全球化的问题。伴随着化石燃料的燃烧，环境污染问题日益严重，能源危机已经成为威胁我们生命的紧急问题。人类离不开能源，但是并非所有能源都是可持续的。因此，人们开始将注意力从化石能源转移到清洁，可再生能源和工业废能源，以减少污染并以更有效的方式利用能源。可再生能源，例如风能，太阳能和地热能等能源越来越受到重视。工业生产过程中，内燃机或燃气轮机排放大量高温废气，废气温度通常超过200℃，而工业废水中蕴含大量的中低温热量，但是这些热量回收利用率低，大部分被当作废热排掉，造成能源的浪费。因此需要一种有效的能源回收利用手段，以提高能源利用率，减少环境污染，从而实现可持续发展目标。有机朗肯循环系统(orc)以废热或可再生能源为热源，将热能转换为电能，正是提高能源利用率的一种有效途径。
3.传统有机朗肯循环系统虽然提高了能源利用率，但是系统的热效率和净输出功率受到许多因素影响，如热源温度、工质、透平效率等等，因此系统的性能不够稳定和优越，存在着一定的局限性。
4.蒸发器和冷凝器作为有机朗肯循环系统的关键组分，其温度的变化对系统性影响很大。蒸发温度是有机朗肯循环系统中的重要参数。在有机朗肯循环系统中，蒸发温度直接影响循环工质在蒸发器和膨胀机内的热力学状态参数，进而影响循环工质的流量、循环泵功耗以及单位工质在膨胀机内的焓降等，进而影响系统的热效率和净输出功率。在亚临界有机朗肯循环系统中，蒸发温度受工质临界温度和热源流体进口温度的限制。有机朗肯循环系统运行时，如果蒸发温度无限接近工质临界温度，由于两相区焓升趋于零，可能导致工质流量过大，工质在膨胀机中出现湿气状态，工质稳定性也会受到影响。因此，蒸发温度是影响着系统性能和稳定性的关键因素。
5.冷凝器同样是有机朗肯循环系统中的关键设备，冷凝温度是影响冷却水循环中泵功消耗的关键因素，冷凝温度的降低，透平输出功增加，冷却水流量也增大，导致循环水泵功增大。冷凝温度的变化也影响着系统的净输出功，冷凝温度如果小于最佳冷凝温度，净输出功随冷凝温度的降低而急剧下降。
6.为了提高余热的利用效率，提升有机朗肯循环发电系统的稳定性，因此需要对有机朗肯循环系统的关键运行参数进行优化，使系统运行在最佳蒸发温度和最佳冷凝温度，保持最佳运行状态，进而提升系统的综合性能。
7.现有优化方案中，人工调节参数的难度大而且优化效果很难达到理想，不能全面反应系统性能，算法的运用如遗传算法等虽然提升了寻优速度，但是这类算法出现的年代比较久远，算法本身存在着缺陷，寻优精度不够优越。
8.因此急需一种寻优速度快、精确性高的新型算法用于有机朗肯循环系统的参数优化，最大程度上提升发电系统的热效率和净输出功率，同时又能满足环境保护和节约运行成本的要求。


技术实现要素：

9.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法，能够实现热源深度利用，最大限度的提高余热利用率和系统净输出功率，全面提升系统综合性能。
10.技术方案：本发明提供了一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法，包括如下步骤：
11.步骤1：获取有机朗肯循环系统的当前蒸发器、冷凝器的蒸发温度与冷凝温度，根据质量能量守恒定律，建立蒸发器和冷凝器的动态数学模型；并对模型参数初始化，所述参数包括种群大小，最大迭代次数和维度；
12.步骤2：使用拉丁超立方体抽样初始化种群，确定收敛因子a和系数向量a、c，所述收敛因子a通过如下公式确定：
[0013][0014]
其中，t
max
为最大迭代次数；
[0015]
步骤3：计算灰狼个体的适应度值，保存适应度最好的前3匹狼为α，β和δ；
[0016]
步骤4：基于改进的位置更新策略，对当前灰狼位置进行更新，所述改进的位置更新策略为对位置更新公式进行非线性改进；
[0017]
步骤5：更新a、a和c，计算全部灰狼的适应度值，选取适应度靠前的n个智能个体；
[0018]
步骤6：对适应度靠前的n个智能个体种群进行混沌搜索，更新最优解α，优解β和次优解δ；
[0019]
步骤7：判断是否达到最大迭代次数，如果达到最大迭代次数，则输出最优结果，结束优化过程，否则返回步骤4。
[0020]
进一步地，所述步骤1中建立蒸发器和冷凝器的动态数学模型是以如下条件为前提：假设有机工质及冷却水在蒸发器和冷凝器内均作一维流动，忽略压降和能量损耗等外部条件的影响，采用移动边界法，将蒸发器分为过冷区、两相区以及过热区三个部分，将制冷剂在冷凝器内分为过热区、冷凝区以及过冷区。
[0021]
进一步地，所述步骤2中拉丁超立方体抽样具体步骤如下：
[0022]
步骤2.1：确定维度大小的空间为n，并将每一维分成相互不重迭的m个区间，使得每个区间有相同的概率；
[0023]
步骤2.2：在每一维里的每一个区间中随机的抽取一个点；
[0024]
步骤2.3：再从每一维里随机抽出步骤2.2中选取的点，将它们组成向量。
[0025]
进一步地，所述步骤6中进行混沌搜索具体为：运用tent映射进行局部搜索优化，其公式如下：
[0026][0027]
式中，x
n
的取值范围为[0,1]。
[0028]
进一步地，所述步骤4中为对位置更新公式进行非线性改进，具体为：
[0029][0030]
其中，t
max
是最大迭代次数，x1、x2、x3是灰狼个体朝向α、β和δ前进的方向，是三个向量。
[0031]
进一步地，所述具有导热油循环的有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环系统、预热循环系统与导热油循环系统，所述预热循环系统与所述有机朗肯循环系统连接，用于对有机朗肯循环系统中的工质进行预热；所述导热油循环系统与所述有机朗肯循环系统连接，所述导热油循环系统中的导热油加热后送入所述有机朗肯循环系统中，与流经所述有机朗肯循环系统的工质进行热交换，以实现对工质的蒸发。
[0032]
进一步地，所述有机朗肯循环系统包括蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵、预热器，所述蒸发器与所述膨胀机连接，所述膨胀机与所述发电机连接，所述膨胀机输出端与所述冷凝器连接，所述冷凝器与所述预热器之间通过工质泵连接，所述预热器输出端与所述蒸发器连接，所述预热循环系统与所述预热器连接，所述导热油循环系统与所述蒸发器连接。
[0033]
进一步地，所述预热循环系统由柴油机与所述预热器组成，所述预热器设置有预热器有机工质入口、预热器有机工质出口、预热器夹套水入口以及预热器夹套水出口，所述柴油机设置有柴油机夹套水入口、柴油机夹套水出口，所述柴油机夹套水出口与预热器夹套水入口连接，所述预热器夹套水出口与所述柴油机夹套水入口连接；所述预热器有机工质入口与所述冷凝器通过所述工质泵连接；所述预热器有机工质出口与所述蒸发器连接。
[0034]
进一步地，所述导热油循环系统由换热器、所述蒸发器以及油泵组成，所述换热器设有换热器导热油入口、换热器导热油出口，所述蒸发器设有蒸发器有机工质入口、预热器有机工质出口、蒸发器导热油入口以及蒸发器导热油出口；所述换热器导热油入口与所述蒸发器导热油入口连接，所述蒸发器导热油出口与所述换热器导热油入口通过油泵连接；所述蒸发器有机工质入口与所述预热器有机工质出口连接，所述预热器有机工质出口与所述膨胀机输入端连接。
[0035]
进一步地，所述柴油机上还设置有柴油机余热烟气出口，所述换热器上还设有换热器余热烟气入口以及换热器余热烟气出口，所述柴油机余热烟气出口与所述换热器余热烟气入口连接，所述换热器余热烟气出口直接通过管道排出。
[0036]
有益效果：
[0037]
1、本发明结合改进的灰狼算法针对蒸发温度和冷凝温度进行优化，使系统获得最佳运行参数，提高了系统热效率和净输出功率，同时也提升了系统运行的稳定性，系统的综合性能得到改善。
[0038]
2、本发明运用拉丁超立方体采样对灰狼种群进行初始化，拉丁超立方抽样比起普
通的抽样方法更加的高效。拉丁超立方体采样具有均匀分层的特性，还可以在较少抽样的情况下，得到尾部的样本值，所以拉丁超立方抽样比起普通的抽样方法更加的高效。
[0039]
3、根据传统灰狼算法存在收敛速度较慢、不稳定、易陷入局部最优等问题，本发明运用tent映射进行局部搜索优化，提高算法精确性，防止陷入局部最优。本发明将位置更新公式非线性化，其平衡了全局搜索和局部搜索过程。设计一种非线性收敛因子调整策略，准确反映复杂的追捕过程。
[0040]
4、与传统的有机朗肯循环系统相比，本发明通过增加预热循环系统与导热油循环系统，首先利用预热循环系统对有机朗肯循环系统中的工质余热后再进入蒸发器，便于工质蒸发，另外通过增加导热油循环系统，利用加热后的导热油对有机朗肯循环系统中的工质加热蒸发处理，使得有机朗肯循环系统持续循环，能提升发电系统的稳定性。
[0041]
5、本发明柴油机的夹套水用来对工质进行预热，提高了后续环节中工质的蒸发效果，使工质完全蒸发为高温高压气体后进入膨胀机，提高发电能力的同时提高了低温余热的利用率。
[0042]
6、本发明导热油循环的存在，还充分利用了柴油机余热烟气的热量，导热油在回路中的循环，不停地为工质加热，使其完全蒸发。导热油持续对余热烟气的热量进行吸收，不仅提高了有机朗肯循环中工质蒸发状态的稳定性，也提升了系统对余热能源的持续利用能力，减少能源浪费，与预热环节的相结合，实现对能源的深度利用。
附图说明
[0043]
图1为本发明具有导热油循环的有机朗肯系统结构示意图；
[0044]
图2为本发明的算法流程图；
[0045]
图3为本发明的一次能源节约率对比图；
[0046]
图4为工质为r245fa循环热效率随热源温度变化对比图；
[0047]
图5为工质为r245fa循环效率随热源温度变化对比图。
[0048]
其中，1为蒸发器，2为膨胀机，3为发电机，4为冷凝器，5为工质泵，6为预热器，7为油泵，8为换热器，9为柴油机，11为蒸发器有机工质入口，12为蒸发器有机工质出口，13为膨胀机有机工质入口，14为膨胀机有机工质出口，15为冷凝器有机工质入口，16为冷凝器有机工质出口，17为预热器有机工质入口，18为预热器有机工质出口，19为蒸发器导热油入口，20为蒸发器导热油出口，21为换热器导热油入口，22为换热器导热油出口，23为换热器余热烟气入口，24为换热器余热烟气出口，25为预热器夹套水入口，26为预热器夹套水出口，27为柴油机夹套水入口，28为柴油机夹套水出口，29为柴油机余热烟气出口。。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0050]
本发明提出的一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法，其基于一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统来实现，系统具体结构如图1所示，包括有机朗肯循环系统、预热循环系统和导热油循环系统，预热循环系统与有机朗肯循环系统连接，用于对有机朗肯循环系统中的工质进行预热；导热油循环系统与有机朗肯循环系统连接，导热油
循环系统中的导热油加热后送入有机朗肯循环系统中，与流经有机朗肯循环系统的工质进行热交换，以实现对工质的蒸发。预热循环系统还与导热油循环系统连接，预热循环系统为导热油循环系统连接提供余热，对导热油循环系统中的导热油加热。
[0051]
具体包括蒸发器1、膨胀机2、发电机3、冷凝器4、工质泵5、预热器6、油泵7、换热器8、柴油机9。导热油循环系统由换热器8、蒸发器1和油泵7组成，预热循环系统由柴油机9和预热器6组成。
[0052]
蒸发器1上设有蒸发器有机工质入口11、蒸发器有机工质出口12、蒸发器导热油入口19以及蒸发器导热油出口20。
[0053]
膨胀机2上设有膨胀机有机工质入口13、膨胀机有机工质出口14。
[0054]
冷凝器4设有冷凝器有机工质入口15、冷凝器有机工质出口16。
[0055]
预热器6上设有预热器有机工质入口17、预热器有机工质出口18、预热器夹套水入口25以及预热器夹套水出口26。
[0056]
换热器8上设有换热器导热油入口21、换热器导热油出口22、换热器余热烟气入口23以及换热器余热烟气出口24。
[0057]
柴油机9上设有柴油机夹套水入口27、柴油机夹套水出口28以及柴油机余热烟气出口29。
[0058]
在有机朗肯环节中，蒸发器1的蒸发器有机工质出口12与膨胀机2的膨胀机有机工质入口13相连，膨胀机有机工质出口14与冷凝器有机工质入口15连接，冷凝器有机工质出口16与工质泵5输入端连接，工质泵5输出端与预热器有机工质入口17连接，预热器有机工质出口18与蒸发器有机工质入口11连接。
[0059]
工质在蒸发器1内蒸发为高温高压气体，经蒸发器有机工质出口12流出进入膨胀机2做功，发电机3进行发电工作。工质由膨胀机2的膨胀机有机工质出口14流出，经冷凝器有机工质入口15进入冷凝器4，气态工质此时被冷凝为液态工质，经冷凝器工质出口16后流出。冷凝器有机工质出口16和预热器有机工质入口17相连，二者之间连有工质泵5，目的是将工质加压后送入预热器6内，为工质的循环提供动力。工质由预热器有机工质入口17进入预热器6，被热源预热后，经预热器有机工质出口18流出，送入蒸发器1的蒸发器有机工质入口11，工质在蒸发器1内被热源蒸发为高温高压气体，经蒸发器有机工质出口12进入膨胀机2，由此完成有机朗肯循环。
[0060]
预热循环环节中，预热循环由柴油机9和预热器6组成，柴油机夹套水出口28与预热器夹套水入口25相连，夹套水由柴油机夹套水出口28流出后经预热器夹套水入口25流入预热器6，对流经此处的工质进行预热。预热完毕，夹套水经预热器夹套水出口26流出后经柴油机夹套水入口27进入柴油机对柴油机进行冷却，由此完成预热循环。
[0061]
导热油循环环节中，导热油循环包括换热器8、蒸发器1和油泵7，柴油机9的柴油机余热烟气出口29与换热器余热烟气入口23连接，换热器导热油出口与蒸发器导热油入口连接，蒸发器导热油出口20与换热器导热油入口连接，两者之间连接有油泵7。
[0062]
柴油机9排出的中低温余热烟气由柴油机余热烟气出口29排出，经换热器余热烟气入口23被送入到换热器8，对流经的导热油进行加热后由换热器8的换热器余热烟气出口24排出。导热油在换热器8内被加热后经换热器导热油出口22流出，通过蒸发器导热油入口19进入蒸发器1中，与流经此处的工质进行热交换，以实现对工质的蒸发。导热油经蒸发器
导热油出口20流出蒸发器1，被油泵7加压后由换热器导热油入口21回到换热器8，继续与余热烟气进行换热，升温后的导热油由换热器导热油出口22流出，通过蒸发器导热油入口19进入蒸发器1中，由此实现导热油循环。
[0063]
本发明在使用时，首先柴油机排出的夹套水首先对有机朗肯循环的中的工质进行预热，排出的余热烟气经导热油循环实现对预热器流出工质的蒸发，蒸发后的工质进入膨胀机进行做功发电，工质经冷凝器冷凝后，被工质泵加压，最终回到预热器进行预热，以此循环。
[0064]
对于上述的具有导热油循环的有机朗肯循环系统，其在工作过程中，蒸发器1与冷凝器4的蒸发温度与冷凝温度的变化对系统性影响很大。蒸发温度直接影响循环工质在蒸发器和膨胀机内的热力学状态参数，进而影响循环工质的流量、循环泵功耗以及单位工质在膨胀机内的焓降等，进而影响系统的热效率和净输出功率。冷凝温度是影响冷却水循环中泵功消耗的关键因素，冷凝温度的降低，透平输出功增加，冷却水流量也增大，导致循环水泵功增大。冷凝温度的变化也影响着系统的净输出功，冷凝温度如果小于最佳冷凝温度，净输出功随冷凝温度的降低而急剧下降。为了提高余热的利用效率，提升有机朗肯循环发电系统的稳定性，因此需要对有机朗肯循环系统的关键运行参数进行优化，使系统运行在最佳蒸发温度和最佳冷凝温度，保持最佳运行状态，进而提升系统的综合性能。
[0065]
本发明公开了一种具有导热油循环的有机朗肯循环系统温度优化方法，主要包括如下步骤：
[0066]
步骤1：获取上述有机朗肯循环系统的当前蒸发器1、冷凝器4的蒸发温度与冷凝温度，根据质量能量守恒定律，建立蒸发器1和冷凝器4的动态数学模型；并对模型参数初始化，所述参数包括种群大小，最大迭代次数和维度。建立蒸发器和冷凝器的动态数学模型是以如下条件为前提：假设有机工质及冷却水在蒸发器1和冷凝器4内均作一维流动，忽略压降和能量损耗等外部条件的影响，采用移动边界法，将蒸发器1分为过冷区、两相区以及过热区三个部分，将制冷剂在冷凝器4内分为过热区、冷凝区以及过冷区。
[0067]
步骤2：使用拉丁超立方体抽样初始化种群，确定收敛因子a和系数向量a、c。
[0068]
当|a|>1时，灰狼群体将扩大包围圈，以寻找更好的猎物，此时对应于全局搜索；当|a|<1时，灰狼群体将收缩包围圈，以对猎物完成最后的攻击行为，此时对应于局部搜索。a值的大小与gwo算法的全局搜索和局部搜索能力有很大关系，a随着收敛因子a的变化而不断变化，且收敛因子a随着迭代次数的增加从2线性递减到0。但是在实际搜索过程中，a的线性减少根本无法准确反映复杂的追捕过程。因此，本发明设计一种非线性收敛因子调整策略，
[0069]
收敛因子a通过如下公式确定：
[0070][0071]
其中，t
max
为最大迭代次数。
[0072]
拉丁超立方体抽样具体步骤如下：
[0073]
步骤2.1：确定维度大小的空间为n，并将每一维分成相互不重迭的m个区间，使得每个区间有相同的概率；
[0074]
步骤2.2：在每一维里的每一个区间中随机的抽取一个点；
[0075]
步骤2.3：再从每一维里随机抽出步骤2.2中选取的点，将它们组成向量。
[0076]
步骤3：计算灰狼个体的适应度值，保存适应度最好的前3匹狼为α，β和δ。
[0077]
步骤4：基于改进的位置更新策略，对当前灰狼位置进行更新，所述改进的位置更新策略为对位置更新公式进行非线性改进。
[0078]
对位置更新公式进行非线性改进，具体为：
[0079][0080]
其中，t
max
是最大迭代次数，x1、x2、x3是灰狼个体朝向α、β和δ前进的方向，是三个向量。
[0081]
步骤5：更新a、a和c，计算全部灰狼的适应度值，选取适应度靠前的n个智能个体。
[0082]
步骤6：对适应度靠前的n个智能个体种群进行混沌搜索，更新最优解α，优解β和次优解δ。
[0083]
运用tent映射进行局部搜索优化，其公式如下：
[0084][0085]
式中，x
n
的取值范围为[0,1]。
[0086]
步骤7：判断是否达到最大迭代次数，如果达到最大迭代次数，则输出最优结果，结束优化过程，否则返回步骤4。
[0087]
下面对于图3至图5的仿真效果作如下说明：
[0088]
由图3可以看出：相比于传统的有机朗肯系统，以12个小时为运行时间，改进后的有机朗肯循环系统的能源节约率可提升5％左右。
[0089]
由图4和图5可以看出：以r245fa为工质的有机朗肯循环系统，相比于未改进的系统，改进后的系统的热效率和效率得到提升，且随着热源温度的升高而升高，热源温度为450k时性能最优。
[0090]
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。