畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）orc換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)多目標(biāo)同步優(yōu)化

1、orc換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)多目標(biāo)同步優(yōu)化摘 要： 冇機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在中低溫余熱回收利用中冇很大的潛力，本文建立了 orc系統(tǒng)的多目標(biāo) 優(yōu)化模型，以orc系統(tǒng)的燉效率和系統(tǒng)的比投資成本為目標(biāo)，對(duì)orc系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和換熱設(shè)備進(jìn)行協(xié) 同優(yōu)化；分析了優(yōu)化變量對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響，應(yīng)用多h標(biāo)遺傳算法求解得到兩個(gè)h標(biāo)下的pareto 優(yōu)解。 關(guān)鍵詞 遺傳算法；多h標(biāo)優(yōu)化；有機(jī)朗肯循壞；熱力學(xué)性能；經(jīng)濟(jì)性0前言隨著社會(huì)的發(fā)展，能源需求量的增長(zhǎng)，由于資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)及不當(dāng)使用造成的日益嚴(yán)重的 能源環(huán)境問(wèn)題，成為當(dāng)今世界人類需要解決的重大課題。通過(guò)采用熱集成、熱回收等技術(shù)對(duì)中 低溫余熱進(jìn)行回收利用，可以提高能

2、源綜合利用效率，降低能源成本。其中，回收利用中低溫 余熱資源對(duì)進(jìn)一步提升能源利用效率有巨大的潛力。有機(jī)朗肯循環(huán)（orc）發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié) 構(gòu)設(shè)備簡(jiǎn)單、余熱回收效率較高等特點(diǎn)，是理想的屮低溫?zé)崮芑厥瞻l(fā)電技術(shù)。orc系統(tǒng)運(yùn)行 優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以提高orc的熱力學(xué)性能和降低成本。orc的熱力學(xué)性能由系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù) 和工質(zhì)性質(zhì)決定，而orc的成本是由組成系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)決定。因此，orc系統(tǒng) 的全局優(yōu)化應(yīng)該是系統(tǒng)操作參數(shù)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、兒何參數(shù)的綜合優(yōu)化。許多研允者在針對(duì)orc系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算中，通過(guò)給定的換熱器傳熱系數(shù)并忽略換熱器壓 降的條件下，對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器部分進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算2®。但是實(shí)

3、際上，由于熱源溫度較低，低溫 熱源驅(qū)動(dòng)的orc系統(tǒng)屮超過(guò)85%以上熱源釋放的熱量需要換熱器承擔(dān)，并且orc屮換熱設(shè)備 的畑損占總炯損的7090%左右ri0jh,且在orc的初始投資成本中換熱設(shè)備投資占整個(gè)系統(tǒng) 投資的4090%ll2j3jo換熱器的簡(jiǎn)化計(jì)算忽視了換熱器性能對(duì)系統(tǒng)的影響，并且orc系統(tǒng)的 操作參數(shù)決定了換熱器的設(shè)計(jì)面積，對(duì)設(shè)備的成本影響較大。對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)常規(guī)的強(qiáng)化傳熱方法，可以大幅度提高換熱器的性能, 以管殼式換熱器為例，在能夠?qū)崿F(xiàn)換熱要求的情況下，最多可以降低換熱器總成本的50%以上 ,4-,51o然而單純從換熱器自身出發(fā)的傳熱過(guò)程強(qiáng)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的再

4、設(shè)計(jì)工況并不能 保證系統(tǒng)運(yùn)行的綜合性能最優(yōu)。orc系統(tǒng)屮的換熱器運(yùn)行工況受系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行負(fù)荷、及冷熱源條件的影響。因 此，建立orc系統(tǒng)操作參數(shù)和換熱器的同步優(yōu)化模型是十分重要的。orc系統(tǒng)與換熱設(shè)備集 成優(yōu)化需要考慮在變工況條件下orc換熱設(shè)備的優(yōu)化，具有優(yōu)化變量多的特點(diǎn)，采用常規(guī)的 線性規(guī)劃方法難以進(jìn)行求解。利用遺傳算法在解決非線性多目標(biāo)優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)，利用多目標(biāo) 遺傳算法給出了 pareto非為解前沿。本文采用了板式換熱器的orc系統(tǒng)，且以orc系統(tǒng)煙效率作為熱力學(xué)目標(biāo)和比投資成本 作為經(jīng)濟(jì)學(xué)目標(biāo)，對(duì)orc系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)(蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過(guò)熱度)及板式換熱器的 結(jié)構(gòu)參數(shù)(蒸發(fā)器

5、、冷凝器的板長(zhǎng)、板寬、板間距)進(jìn)行同步優(yōu)化，以期求解最佳的運(yùn)行參數(shù) 和換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用多冃標(biāo)遺傳算法給出了 pareto非劣解前沿，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行決策 分析，提供換熱器的參考設(shè)計(jì)工況，為orc換熱設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。1系統(tǒng)描述圖1為純工質(zhì)orc系統(tǒng)的t-s圖，整個(gè)orc包括膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵和蒸發(fā)器等。 orc工作過(guò)程如圖1屮所示的12345-671過(guò)程，其中，1-2為工質(zhì)在膨脹機(jī)中的膨脹做功 過(guò)程；24為工質(zhì)在冷凝器中的定壓放熱過(guò)程；4-5為泵對(duì)工質(zhì)的加壓過(guò)程；5-7為工質(zhì)在熱回 收蒸汽發(fā)生器中的定壓預(yù)熱、蒸發(fā)和過(guò)熱過(guò)程。圖1 orc系統(tǒng)t-s圖fig.l t-s diagr

6、am of orc system2.0rc系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型2.1系統(tǒng)熱力學(xué)模型蒸發(fā)器中有機(jī)工質(zhì)的理想狀態(tài)是定壓蒸發(fā)過(guò)程，按照溫度的變化情況，采用分段方式進(jìn) 行計(jì)算。將蒸發(fā)器分為預(yù)熱段、蒸發(fā)段和過(guò)熱段分段方式見(jiàn)圖loqeva = m(h! - h5)(1)冷凝器中理想狀態(tài)下有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中是定壓冷凝過(guò)程，按照溫度的變化情況，采用 分段方式進(jìn)行計(jì)算。將冷凝器分為預(yù)冷段和冷凝段，分段方式見(jiàn)圖1。qcon = m2 - 人4)(2)膨脹機(jī)是orc系統(tǒng)中的動(dòng)力輸出部件，其熱力過(guò)程見(jiàn)圖lo tur = m 仇1 一 b)工質(zhì)泵是orc系統(tǒng)中能量消耗部件，其熱力過(guò)程見(jiàn)圖lopump = m ( h5

7、- /i4 )(4)一般地，就參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題而言，優(yōu)化模型一般包括三個(gè)要素：目標(biāo)函數(shù)minf(x).等式約 束心丿和不等書(shū)約束即如下式所示:min <7io),/2(x)st l(x) = 0 gm < o式中，力和£仕丿分別為不同屬性的目標(biāo)函數(shù)。2.1目標(biāo)函數(shù)在orc系統(tǒng)的優(yōu)化研究中，評(píng)價(jià)指標(biāo)是熱力系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)，本文選収合 適的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)是多目標(biāo)優(yōu)化的關(guān)鍵。(1)熱力學(xué)目標(biāo)炯效率：通常的熱量平衡和能量轉(zhuǎn)換效率并不能反映出炯的利用程度，炯效率用來(lái)表示余 熱資源有效能的利用程度，炯效率定義為收益炯與支付炯的比值：(2)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)木文所研究的orc屮的換

8、熱設(shè)備均采用板式換熱器。比投資成本(specific investment cost, sic)：比投資成本定義為建造該系統(tǒng)的總造價(jià)與凈 發(fā)電量的比值，表征系統(tǒng)單位發(fā)電量所需要的投資成本，表示為：sic =(7)cco7n+gabo 廠net式中,ccom總設(shè)備購(gòu)置成木;ctabor人力成本，在缺少資料的時(shí),一般取(0.10.3) ceom；總設(shè)備購(gòu)置成本(cd orc系統(tǒng)的總設(shè)備購(gòu)置成本主要考慮換熱設(shè)備(che)、工質(zhì)泵 (cpump)和膨脹機(jī)(q“)等主要部件的成本1，7-'81,可以表示為：ccom = 5e + pump + tur(9)ccom = 5e + cpump +

9、qur(10)che = 10,000 + 3244091r 422m/071 pump vvpump1.41 + 1.411-81rlpup(idc仙= 60000冊(cè)(12)其中，換熱設(shè)備換熱器總換熱面積由蒸發(fā)器和冷凝器兩部分組成，根據(jù)熱平衡方程計(jì)算血積，換熱器的血積計(jì)算公式如式如下。evaevaqconucomtconeva(15)2.2約束條件該多目標(biāo)優(yōu)化模型中的約束條件包括不等式約束和等式約束。其中，各變量的變化范圍界 限、冷源流體溫度匹配關(guān)系共同組成了該問(wèn)題的不等式約束；模型中各種設(shè)備的質(zhì)量、能量平 衡方程以及工質(zhì)的物性方程共同組成了該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的等式約束。2.3決策變量本文將o

10、rc系統(tǒng)中板式換熱器(蒸發(fā)器、冷凝器)的結(jié)構(gòu)參數(shù)板長(zhǎng)厶、板寬w、通道間 距b和orc系統(tǒng)操作參數(shù)系統(tǒng)蒸發(fā)壓力peva.冷凝壓力pcon.循壞過(guò)熱度7；卯作為多目標(biāo)優(yōu) 化的決策變量。其屮，將蒸發(fā)器和冷凝器與熱源和冷源的夾點(diǎn)做相等固定處理，減少優(yōu)化變 量，便于優(yōu)化求解。3結(jié)果及分析使用matlab (2014b)自帶的基于遺傳算法的多目標(biāo)求解工具箱(gamulliobj)對(duì)該 模型進(jìn)行求解。根據(jù)問(wèn)題的復(fù)雜程度和規(guī)模，多冃標(biāo)遺傳算法計(jì)算參數(shù)確定如下表1,下表2 給岀了各決策變量的取值范圍和多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)化參數(shù)。表1變量的取值范圍table 1 range of variables變量eva(mpa

11、)p rcon(mpa)tsup(°c)%(m)eva(m)eva(m)叱(m)leon(m)con(m)下限1.50.21().5().150.002().50.150.002上限2.50.5510.50.00510.50.005表2 ga基本參數(shù)table 2 basic parameters of ga參數(shù)值初始種群人小100最大進(jìn)化代數(shù)300交叉概率0.7變異概率0.001最優(yōu)前端個(gè)體系數(shù)0.3適應(yīng)度函數(shù)偏差值10'63.1變量對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響3.1.1系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響圖2、3、4分別給出了蒸發(fā)壓力p“、冷凝壓力pg”、過(guò)熱度t$“對(duì)系統(tǒng)性能的影響 變化圖

12、。系統(tǒng)炯效率和系統(tǒng)比投資成本的影響關(guān)系。不難看到，系統(tǒng)炯效率隨著蒸發(fā)壓力增 大而增大（圖2）,隨著冷凝壓力的正大而減小（圖3）,受過(guò)熱度影響不大（圖4）。系統(tǒng)比 投資成本隨著蒸發(fā)壓力和冷凝壓力的增大而增大（圖2、3,隨過(guò)熱度增大而減小（圖4）。(鄉(xiāng) x/>)2spcon«0 2mp 15mwcon»0 15mt$up«vj f-v- b«vas2mm bcon»2mm3tptv>(mp)圖2蒸發(fā)壓力対系統(tǒng)性能的影響圖fig.2 performance of orc with pressure0 40om n'xom0 340

13、32030圖3冷凝壓力對(duì)系統(tǒng)性能的彩響fig.3 performance of orc with pressure000 923s20汀89900 ptv>>2 5vp wtv>«0.l5m b“ 2mm bcor2mmpcon«0 2up l<yi«0.9m loon «0.5m weofl 05<nof evaporationof condensationom0mn “0400«：044tsup tec>圖4過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響fig.4 performance of orc with temperat

14、ure of superheat degree3.2換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響由于換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)orc系統(tǒng)的影響是通過(guò)壓降和總傳熱系統(tǒng)這兩個(gè)參數(shù)間接作用的, 僅以板片間距為代表來(lái)分析換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)orc系統(tǒng)性能的影響。圖5和6分別給出了 蒸發(fā)器和冷凝器換熱板板片間距對(duì)系統(tǒng)性能的影響。板片間距對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析表明，換 熱器板間距對(duì)改善系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能效果明顯，但對(duì)于循環(huán)熱力性能空間改善有限。ooo r000 7000 000 $000 -4000 3000-|btv>(mp)|pty>»2 5mp pcon0 2mp tsup«l«vs

15、1;0.5mwtv««0 15m loon«0 5m bcon»2mmwc©n»0.15m圖5蒸發(fā)器換熱板板片間距00< g egsooi42300i0m2003p»y>«2 5v ppcon«0 2u ptmp l.jw«va«0.l5ml«a«o 5mbv®2melccn»0 5mwcon»0 !5m0004ooos0<50«0 43 t1 x0«041040boor(vp)對(duì)系統(tǒng)性能的影響圖f

16、ig.5 performance of orc with bcva圖6冷凝器換熱板板片間距對(duì)系統(tǒng)性能的影響fig.6 performance of oirc with bcon3.2多目標(biāo)優(yōu)化圖7給出了 orc的多h標(biāo)優(yōu)化求解pareto解。多目標(biāo)求解得到的非劣解數(shù)目眾多，決 策者需要對(duì)系統(tǒng)煙效率和系統(tǒng)比投資成本的具體看重程度。顯然，由于目標(biāo)函數(shù)的相悖性， 要想得到系統(tǒng)炯效率最大且系統(tǒng)比投資成本最小的解（即圖7屮a點(diǎn)），是不可能的。此處， 距離a點(diǎn)距離最小的pareto非為解（即圖7中b點(diǎn)）通過(guò)最小距離法求得。事實(shí)上，在缺乏具體的系統(tǒng)實(shí)施參數(shù)的情況下，b點(diǎn)一般是決策者經(jīng)常選取的非劣解，它較好的

17、同時(shí)考慮了系統(tǒng)炯效率和系統(tǒng)比投資成本的大小，此時(shí)系統(tǒng)的比投資成本和系統(tǒng)炯效率分別為5574/kw和42.57%o另外，c點(diǎn)為系統(tǒng)炯效率最大，d點(diǎn)的系統(tǒng)比投資成本最小?？梢钥吹?pareto 前沿上的非劣解越向兩端延伸，其距離理想點(diǎn)a的距離越大，其實(shí)也就是越單一目標(biāo)的權(quán)重 越來(lái)越重，不同屬性指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)越來(lái)越弱。對(duì)應(yīng)地，b、c、d非劣解對(duì)應(yīng)的決策變量的數(shù)值解如上表3所示。表3給出了設(shè)計(jì)參數(shù)、系統(tǒng)煙效率最大、系統(tǒng)比投資成木最小和多目標(biāo)優(yōu)化條件下系統(tǒng)決策變量的取值。表3與圖7相結(jié)合，很好的反映了單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo) 優(yōu)化的區(qū)別與改進(jìn)。多目標(biāo)優(yōu)化中，雖然煙效率較單目標(biāo)優(yōu)化是減小的，但是較系統(tǒng)比投資 成

18、本卻有減下；同理，多目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)比投資成本較單目標(biāo)優(yōu)化是增大的，但較其畑效率卻有提高o衣3不同優(yōu)化h標(biāo)下的決策變戢優(yōu)化結(jié)果table 3 the value of decision variables in the various optimization scenarios決策變量sic最小i最大多目標(biāo)優(yōu)化（理想點(diǎn)圖3-6 b點(diǎn)）peval .6072.49772.2427peon0.20120.20060.2012tsup4.98624.87774.9742lewi0.94530.87910.937weva0.21950.42370.2469eva0.00250.0040.0026leon

19、0.67150.56210.65270.23710.33840.251bcon0.00260.00330.00255/c/(/kw)5477.55820.935570.4“ ex0.38490.43740.42575885750570054500.370.380.390.40.410.420.430.44惘效率g5065刃55圖7 orc系統(tǒng)多u標(biāo)優(yōu)化pareto最優(yōu)解曲線fig.7 pareto optimal solution curve of orc4結(jié)論1）orc運(yùn)行參數(shù)屮蒸發(fā)壓力和冷凝壓力對(duì)系統(tǒng)熱力性和經(jīng)濟(jì)性影響較大，循環(huán)過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響較小。2）板片間距對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析表

20、明，隨著板片間距的增大，傳熱性能得到改善，壓降變 大。改善換熱器的傳熱系數(shù)，可以有效減小換熱器面積降低換熱設(shè)備購(gòu)置成本，對(duì)改善系 統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能效果明顯。減小壓降雖然有利于循環(huán)狀態(tài)點(diǎn)的改善，但對(duì)于使用r245fa為工質(zhì) 的orc系統(tǒng)而言，循環(huán)熱力性能空間改善有限。3）通過(guò)遺傳算法求解，對(duì)orc系統(tǒng)的熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)多目標(biāo)優(yōu)化可以找到pareto非劣解。參考文獻(xiàn)1 許瑋瑋，唐曉東，李小紅，等.低溫余熱回收升級(jí)利用技術(shù)綜述j.廣州化工, 2011(23):34-36.xu weiwei, tang xiaodong, li xiaohong, ct al. review of the technolog

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