本发明涉及能源、动力机械工程领域,特别提供了热力系统参数优化设计方法。
背景技术：
热力系统是吸收高温热源的热量对外输出功量和向低温热源排出废热的装置，热力装置也称热机，主要包括高温换热器、膨胀机、低温换热器、液体循环泵，热力装置内部灌注有工质，工质在热机内的进行热力循环，高压液体工质在高温换热器中蒸发，吸收热源的热量，变成高压蒸汽，通过膨胀机对外界输出功，带动发电机发电，低压工质气体通过低温换热器冷凝，变成液体，再经过液体循环泵，把液体工质提升压力后，送入高温换热器吸热蒸发，完成一个热力循环，如此不停循环工作。目前的热电厂，基本采用这种循环。热力系统的热力参数，主要包括高温、低温的热源温度，高、低温换热器的平均传热温差和传热流速率，输出功率，评价系统性能的热效率。目前的热力学理论，通过热力学第一定律，即能量守恒方程，提供循环的吸热、放热和输出功的平衡关系，提供卡诺热机效率，和分别为高温和低温热源的温度，卡诺热机是高、低温换热器无传热温差的效率，即循环工质的高温与高温热源的温度相等，工质的低温与低温热源的温度相等，这需要换热器换热面积无限大或工质与热源有无限长换热时间，实际热机是无法做到的。实际热机不允许平衡时间无限长，其吸热和放热以及循环都必须在有限时间内完成，那么，在有限时间内热机的最大输出功率和效率界限又是什么,1975年,加拿大学者curzon和ahlborn首先考虑了这问题，以内可逆卡诺循环模型,导出了具有有限速率和有限循环周期的热机效率界限，即著名的效率，在输出最大功率时的卡诺热机效率为【13】。此后，我国的陈林根【15】、严子俊、陈金灿【16】等与各国的一大批学者，对有限热力分析法进行了大量研究，拓展了内可逆模型的研究成果。但是，目前学者采用的有限时间分析法，在引进时间变量时，是对循环的每个环节分别给一个时间量，例如能量流经过高温换热器用时为，经过低温换热器用时为，在忽略膨胀机和液体循环泵中工质能量交换时间后，循环周期定为，在此基础上，利用两个换热器的传热方程，能量方程，求解得输出最大功率时的卡诺热机效率为；但是由于其变量多，推导的功率、效率与循环工质的高温、低温的关系为隐函数关系，难以明晰应用于实际热力系统的工程优化设计。文献（陈金灿,严子浚，有限时间热力学理论的特征及发展中几个重要标志，厦门大学学报(自然科学版)，2001，vol.40，no.2,，232-240）这样评价现在的有限热力分析法：“由于有限热力分析法引入了时间变量，考察的不可逆过程比可逆过程复杂得多，尤其演化规律更是复杂多样，使热力系统性能分析难度加大，目前也只有对所求解问题进行大量简化，才可能获得一些解析解，而且解的表达式复杂难于被工程界接受，所以限制了它的应用。”至于，同时内不可逆和有限热容的外不可逆模型的与工程实际条件相近的有限热力分析法的成果还相对缺乏；
另外，热力系统中换热器的设计参数只是在系统中保证能量平衡实现，对于高、低温换热器性能匹配缺乏系统性能优化的理论指导；
实际热力系统的效率只能根据完成系统和实验获得，是被动式，缺乏主动优化设计指导理论和预测变得工况的能力；
2014年本申请人在发明专利申请件“一种热力系统热力参数的优化方法，”（申请号201410087258.x）中，根据科学界已有研究结果,即内卡诺循环外不可逆传热热机输出功率最大时的效率为和卡诺循环热机最高效率时的输出功率为0，提出了兼顾热机效率与功率的优选效率原则，并以单位输出功率成本最低原则，导出的高低温换热器的最佳两器总传热系数比值；由于发明专利单一性的要求，申请号201410087258.x件中不能包括关于如何用无量纲方法表示热机热力参数的演变关系和如何在保持冷、热源条件下由内可逆卡诺循环模型导出的最大输出功率前提下，通过调节高低温换热器的最佳两器总传热系数比值，获得相当于两器总传热系数比值时热机的最大输出功率,同时又能获得优化的效率；所以根据审查员的意见，此部分内容另案申请。
参考文献
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［4］陈金灿,严子浚，有限时间热力学理论的特征及发展中几个重要标志，厦门大学学报(自然科学版)，2001，vol.40，no.2,，232-240
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技术实现要素：
为了克服现有以可逆过程和平衡态假定建立的热力学理论不能描述存在传热过程实际热力系统的热力学问题和现有有限时间热力分析法不能提供实际热力系统的传热速率与热力系统效率清晰显函数关系的不足，并补充已经申请的“一种热力系统热力参数的优化方法”发明专利中不能同案申请的内容，本申请提出一种热力系统参数的优化调整方法，采用定态热力系统的内可逆热机模型，求解并用无量纲表示热力系统的功率、效率与高、低温热源，循环工质的高温、低温，换热器传热系数关系的分析法，通过无量纲热力参数关系图，寻求使热力系统获得高效率同时有高的输出功率时，确定高温、低温换热器传热系数匹配值。
为实现上述目标，本发明采用下述的技术方案是：
一种热力系统参数的优化调整方法，所述的热力系统是工作在温度为的高温热源和温度为的低温热源之间的热机，热机包括有高温换热器、膨胀机、低温换热器、液体循环泵，并依序串联组成的工质循环系统，热力循环时高压液体工质在高温换热器中吸收高温热源的热量变为高压蒸汽，通过膨胀机时对外输出功量同时变为低压低温蒸汽，再通过低温换热器时向低温热源排放废热并凝结成液体，低温低压液体工质经过液体循环泵加压，再输入到高温换热器吸热，如此循环往复；为了对热力系统进行描述和分析，需要引用如下一些参数：高、低温换热器的总传热系数分别记为和，总传热系数是传热系数与换热面积的乘积；低温换热器与高温换热器的总传热系数的比值，记为，，简称为两器总传热系数比值；当工质循环到达稳定态时由高温换热器吸入的热流率，简称为吸热率，记为；由低温换热器排放的热流率，简称为放热率，记为；工质通过膨胀机时膨胀过程的输出功率扣除液体循环泵消耗的功率的净输出功率记为，简称为输出功率；高温换热器工质蒸发吸热过程的等效平均热力温度，记为，简称为等效吸热温度；低温换热器工质冷凝放热过程的等效平均热力温度，记为，简称为等效放热温度；热力系统的输出功率与吸热率的比值定义为效率，记为；热力系统的最大效率为卡诺热机效率，记为，，此时，实际热力系统的输出功率为0；在等效吸热温度与等效放热温度的组合改变时，热力系统的输出功率和效率也随之变化，记热力系统出现的最大输出功率为，与最大输出功率所对应的效率为，；所述的等效吸热温度，定义为工质在高温换热器换热过程终止点与起始点的比焓差值与比熵差值的商值，脚注a、b分别表示过程的起、止，定义式为；所述的等效放热温度，定义为工质在低温换热器换热过程终止点与起始点的比焓差值与比熵差值的商值，定义式为：；
其特征在于：以大多数实际热力/热泵系统是连续运行，能量随工质流动而迁移，在系统循环中不发生聚集和空缺现象的事实为依据，采用定态有限时间热力分析法，即以热力系统的内可逆卡诺循环热机模型，建立稳定态的能流率平衡方程和高、低温换热器传热流率方程，导出热力系统的输出功率、效率、吸热率、放热率、工质的等效吸热温度、工质的等效放热温度、以及高温热源温度、低温热源温度之间的关系，以及最大输出功率和最大输出功率时的效率的数学表达式；其次，通过参数的无量纲处理，表示热力系统的各无量纲参数之间关系；再次，用无量纲对比输出功率、无量纲等效吸热、放热温度、与效率的关系图，简记为图，以及固定最佳效率时无量纲等效吸热、放热温度、，无量纲输出功率和无量纲吸、放热率、，以及无量纲最大输出功率、效率与变量的直角坐标图，简记为图，来说明对输出功率等参数的影响，并用其寻求在保持最佳效率效率同时获得最合适的输出功率和对应的值；
所述的一种热力系统参数的优化调整方法，其特征是：所述的定态有限时间热力分析法，是以稳定态热力系统的内可逆卡诺循环热机模型进行分析的方法，分析法的具体步骤是：
（1）建立方程组
能流率平衡方程式：
，(1)
高温换热器传热流率方程式：
，(2)
低温换热器传热流率方程式：
，(3)
内可逆热机模型的特性方程：
，(4)
内可逆热机效率公式：
，(5)
利用式(1)-(5)的5个方程，以等效放热温度或等效吸热温度为独立的中间变量，在和已知的条件下，求解出功率、效率的数学表达式分别为
(6)
(7)
内可逆循环热机的等效吸热温度与等效放热温度关系为
(8)
（2）求最大输出功率数学表达式
利用输出功率函数式(6)对变量求极值方程，
(9)
获得最大输出功率时的等效放热温度数学计算式为
(10)
把式(6)中的用式(10)的关系替换，获得最大输出功率的计算式(11)，
(11)
（3）求最大输出功率时的效率数学表达式
把式(8)中的用式(10)的关系替换，得最大输出功率时效率的计算式(12)，
(12)
所述的一种热力系统参数的优化调整方法，其特征是：所述的通过参数的无量纲处理，表示热力系统的各参数之间关系；用高温热源温度为分母无量纲各种温度，用高温换热器的总传热系数与假定传热温差等于高温热源温度的乘积为能流率的无量纲基数，则无量纲高温热源温度、无量纲低温热源温度、无量纲等效吸热温度、无量纲等效放热温度、无量纲吸热流率、无量纲放热流率、无量纲输出功率、无量纲对比输出功率、无量纲最大输出功率、最大输出功率时所对应的无量纲等效放热温度、无量纲对比最大输出功率的定义式分别为：
，，，，，，，，，、；
无量纲处理后，式(8)的无量纲式为
(13)
式（7）效率的无量纲式为
(14)
式（6）输出功率p的无量纲式为
(15)
由对极值方程求出无量纲最大输出功率步骤如下：
(16)
(17)
由上式解得最大输出功率时所对应的无量纲放热温度为，或由式（10）的无量纲得
(18)
把式(17)中的用式(18)的关系替换，则得到无量纲最大输出功率表达式为
(19)
把式(14)中的用式(18)的关系替换，得最大输出功率时的效率计算式(12)
(20)
根据式(15)和，解出，并据式(19)，令=1，解出
(21)
由式（19）和式（21）解得无量纲对比最大输出功率，
(22)
式(22)表明对比最大输出功率仅仅是对比总传热系数的函数；
所述的一种热力系统参数的优化调整方法，其特征是：所述的无量纲对比输出功率、无量纲等效吸热、放热温度、与效率的关系图，简记为图；图的左纵轴表示和，左纵坐标范围0-1.0；右纵轴表示，右纵坐标范围下限0，上限根据的最大值；横坐标轴为，横坐标范围为0-()；生成图的具体操作步骤是：根据式(17)在给定和情况下，解出；继而据式(13)解出；把得到的代入式(15)解出；并据式(19)令=1解出；再据的无量纲定义式，求解出对应于选定值的值，继而画出的曲线；无量纲对比输出功率，反映不同、和不同值时输出功率的对比相对变化规律；
图中的曲线为抛物线，在区间，随增大而增大，在区间，随增大而减小，在效率为时达到极大值，最佳效率只能在区间选取，；参照等权重法，建议
(23)
由图2看出，值大的抛物线在上方，即在相同效率时上方的曲线输出功率大；因此，可以在确定了最佳效率后，通过适当地增大获得较高的输出功率；
所述的一种热力系统参数的优化调整方法，其特征是：所述的固定最佳效率时无量纲等效吸热、放热温度、，无量纲输出功率和无量纲吸、放热率、，以及无量纲最大输出功率、效率与变量的直角坐标图，简记为图，生成图的具体操作方法是：
（1）建立的直角坐标图，左纵轴表示和效率，右纵轴表示和，两纵轴的坐标范围都为0-1.0；横轴表示变量，选取坐标范围≥0，通常选取0-5.0；
（2）在给定的高、低温热源温度、，已知了、的前提下，并在确定了最佳效率不变的前提下，解出、、、、，参数的下角标opt表示与最佳效率对应，具体操作是：
由式（14）解得
（23）
据式（23）只要给定变量的任何数值，就可以得到对应的值，据式（13）得到对应于的为
(24)
同理，据式(15)得对应于和的输出功率无量纲函数为
(25)
据式（2）得对应于和的高温吸热流率为
(26)
据式（4）导出对应于和的高温吸热流率为(4)
(27)
（3）在给定最佳效率条件下，据式（23）-(27)、(19)，分别求出、、、、、随变化的不同值，并标记在多参数随变化图上；
（4）在图的曲线上选定设计认可的值的对应点，记作点；通常选择的便捷方法是，在=1点作垂线与曲线的交点，记为b点；过b点作横轴的平行线，即的水平线交于点a；过点a作垂线与横轴交于点，与、、、、曲线分别交于、、、、；至此，效率为，输出功率等于=1时最大输出功率的无量纲输出功率，对应的值，无量纲等效吸热温度、无量纲等效放热温度、无量纲吸热流率、无量纲放热流率均已求出。
本发明所述的一种热力系统参数优化方法的创新点：
(1)采用定态有限时间热力分析法，即以热力系统的内可逆卡诺循环热机模型，建立稳定态的能流率平衡方程和高、低温换热器传热流率方程，导出热力系统的输出功率、效率、吸热率、放热率、等效吸热温度、等效放热温度、以及高温热源温度、低温热源温度之间的关系，以及最大输出功率和最大输出功率时的效率的数学表达式；
（2）其次，通过参数的无量纲处理，推导了热力系统的各无量纲参数之间关系；再次，用无量纲对比输出功率、无量纲等效吸热、放热温度、与效率的关系图，图，以及选定最佳效率时无量纲的等效吸热、放热温度、，输出功率和吸、放热率、，以及无量纲最大输出功率、效率与变量的直角坐标图，图，来说明对输出功率等参数的影响，具有普遍性；
（3）详细说明了用图寻求在保持最佳效率效率同时获得最合适的输出功率和对应的值，以及无量纲等效吸热温度、无量纲等效放热温度、无量纲吸热流率、无量纲放热流率；
总之，利用本发明的方法，可以把实际热力系统热力与传热耦合的复杂问题，通过等效温度的热力学等价变换和定态有限时间热力分析法，求解得各热力参数之间的关系，并通过无量纲关系和作图法，在选定最佳效率同时又能获得高输出功率，能精确求得对应的低温换热器与高温换热器的总传热系数的比值，以及完整的热力系统运行参数、、、，此方法为热力系统的优化设计提供了新理论根据和容易的操作方法，应用于实际将会产生巨大效益；
综上所述，本发明的内容具有先进性、创新性和实用性，有较大的理论学术意义和实际应用价值；需要声明一点，在2014年本申请人在发明专利申请件“一种热力系统热力参数的优化方法，”（申请号201410087258.x）中对本申请的部分内容已经提到，由于发明专利单一性的要求，根据审查员意见，此次申请内容在为原申请专利的申请书中撤销，作为分案申请，但是，本次申请内容有较多的补充和完善。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步说明
图1本发明实施例的内可逆循环热机热力分析模型图；
图2本发明实施例的热力系统的温度、对比输出功率与效率关系图图；
图3本发明实施例的的直角坐标图，兼在保持最佳效率前提下通过调整值增加输出功率的优化原理说明图。
具体实施方式
图1所示为一种热力系统参数优化方法的实施例物理模型的温度-热流图，图中，高、低温热源的温度、均为已知参数，工质循环中吸热过程的等效吸热温度、放热过程的等效放热温度分别为、，系统稳定态时热机循环的输出功率为，吸热率为，放热率为；高温换热器、低温换热器的换热面积与传热系数乘积的总传热系数分别为、。基于热机定态运行的物理特点，定态有限时间分析法认为高温换热、低温换热、工质压缩与绝热膨胀的各环节的能流通过的时间是相同的，所以对图1所示的热力系统模型直接采用定态的能流率方程组进行分析：
（1）建立方程组
能流率平衡方程式：
，(1)
高温换热器传热流率方程式：
，(2)
低温换热器传热流率方程式：
，(3)
内可逆热机模型的特性方程：
，(4)
内可逆热机效率公式：
，(5)
利用式(1)-(5)的5个方程，以等效放热温度或等效吸热温度为独立的中间变量，在和已知的条件下，求解出功率、效率的数学表达式分别为
(6)
(7)
内可逆循环热机的等效吸热温度与等效放热温度关系为
(8)
（2）求最大输出功率数学表达式
利用输出功率函数式(6)对变量求极值方程，
(9)
获得最大输出功率时的低温放热温度数学计算式为
(10)
把式(6)中的用式(10)的关系替换，获得最大输出功率的计算式(11)，
(11)
（3）求最大输出功率时的效率数学表达式
把式(8)中的用式(10)的关系替换，得最大输出功率时的效率计算式(12)，
(12)。
图2本发明实施例的热力系统的温度、对比输出功率与效率关系图图；
为了便于用无量纲直角坐标图清晰表示热力系统的各参数之间关系，对本发明的热力系统模型所用的热力参数进行无量纲和归一化处理，用高温热源温度为分母无量纲各种温度，用高温换热器的总传热系数与假定传热温差等于高温热源温度的乘积为能流率的无量纲基数，则无量纲高温热源温度、无量纲低温热源温度、无量纲等效吸热温度、无量纲等效放热温度、无量纲吸热流率、无量纲放热流率、无量纲输出功率、无量纲对比输出功率、无量纲最大输出功率、最大输出功率时所对应的无量纲放热温度、无量纲对比最大输出功率的定义式分别为：
，，，，，，，，，、；
无量纲处理后，式(8)的无量纲式为
(13)
式（7）效率的无量纲式为
(14)
式（6）输出功率p的无量纲式为
(15)
由对极值方程求出无量纲最大输出功率为
(16)
(17)
由上式解得最大输出功率时所对应的无量纲放热温度为，或由式（10）无量纲得
(18)
把式(17)中的用式(18)的关系替换，则得到最大无量纲输出功率表达式为
(19)
把式(14)中的用式(18)的关系替换，得最大输出功率时的效率计算式(12)
(20)
根据式(15)和，解出，并据式(19)，令=1，解出
(21)
由式（19）和式（21）解得无量纲对比最大输出功率，
(22)
式(22)表明互对比最大输出功率仅仅是对比总传热系数的函数；
式(20)的表达式是利用定态有限时间分析法导出的结果，与curzon和ahlborn，以及严子俊等用传统的，即设定热流是区分先后依不同时间通过高、低温换热器的有限时间分析法所导出的著名的效率表达式完全一致；
所述的温度、对比输出功率与效率关系图图，图的左纵轴表示和，左纵坐标范围0-1.0；右纵轴表示，右纵坐标范围下限0，上限根据的最大值确定；横坐标轴为，横坐标范围为0-()；生成图的具体操作步骤是：根据式(17)在给定和情况下，解出；继而据式(13)解出；把得到的代入式(15)解出；并据式(19)令=1解出；再据的无量纲定义式，求解出对应于选定值的值，继而画出的曲线；对比无量纲输出功率，反映不同、和不同值时输出功率的互对比相对变化规律；
图2中的曲线为抛物线，图中自上而下有三条抛物线，分别对应的值是1.547、1.0、0.5；分析曲线群，看出相同的值时，值越大对应的也越大，即表示输出功率也越大；三条抛物线极值点的连线垂直于横轴，即的垂直破折线；以为界，曲线在区间，随增大而增大，在区间，随增大而减小，设计希望高效率和高输出功率，因此最佳效率只能在区间选取；根据和=0.1023，即可据图2中的曲线求出对应于不同值的和输出功率p；的垂线与=1.547时的曲线交点a，即=1.0；
图2中的有三组自左向右喇叭口的曲线，三组曲线自上而下分别对应的值是0.5、1.0、1.547；每组曲线的上曲线表示，下曲线表示；由表示高温换热器的传热温差，表示高温换热器的传热温差，值越大也越大，而越小；大意味在换热器总传热系数不变的前提下，换热器会通过的热流率更大，反之则反；
图3为本发明实施例的的直角坐标图，兼在保持最佳效率前提下通过调整值增加输出功率的优化原理说明图；
所述的无量纲等效温度、效率、无量纲输出功率和无量纲换热率与变量的直角坐标图，简称为多参数随变化图，记作图，生成图的具体操作方法是：
（1）建立的直角坐标图，左纵轴表示和效率，右纵轴表示和，两纵轴的坐标范围都为0-1.0；横轴表示变量，选取坐标范围≥0，通常选取0-5.0；
（2）在给定的高、低温热源温度=1000k、=300k，已知了、的前提下，并在确定了最佳效率不变的前提下，解出、、、、，参数的下角标opt表示与最佳效率的对应值，具体操作是：
由式（14）解得
（23）
据式（23）只要给定变量的任何数值，就可以得到对应的值，据式（13）得到对应于的为
(24)
同理，据式(15)得对应于和的输出功率无量纲函数为
(25)
据式（2）得对应于和的高温吸热流率为
(26)
据式（4）导出对应于和的高温吸热流率为(4)
(27)
（3）在给定最佳效率条件下，据式（23）-(27)、(19)，分别求出、、、、、随变化的不同值，并标记在图上；
（4）在图的曲线上选定设计认可的值的对应点，记作点；在本实施例中，选择的便捷方法是：在=1点作垂线与曲线的交点，记为b点；过b点作横轴的平行线，即线交于点a；过点a作垂线与横轴交于点，与、、、、曲线分别交于、、、、；至此，效率为、无量纲输出功率所对应的值，以及无量纲等效吸热温度、无量纲等效放热温度、无量纲吸热流率、无量纲放热流率均已求出；
本实施例中，a点的，，；相对于，时无量纲输出功率为，提高输出功率的倍率为，换热器总传热系数比增加的倍率为，如果低温换热器换热系数不变时，需要增加低温换热器面积到，就可以在最佳效率=0.57615时，使输出功率提高25.51%，这种设计有巨大经济效益。