一种热力系统参数优化方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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，带动发动机发电，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η。= ι-?/τη，τη和ιγ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nCA效率，在输出最大功率时的卡诺热机效率为
。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 研宄，拓展了内可逆模型的研宄成果。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τ i， 经过低温换热器用时为τ 2，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τ为τ1+τ2，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，V〇 1.40，Ν〇. 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；
[0003] 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；
[0004] 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。
[0005] 参考文献
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【发明内容】
[0018] 为了克服现有热力学理论有效率概念而无传热速率的缺陷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，以及热 物理领域缺少热力系统参数优化的有效方法，本发明提出一种热力系统参数优化方法，可 以建立热力系统的功率、效率与高、低温热源，循环工质的高温、低温，换热器传热系数的清 晰关系，并提供最佳效率选择原则和提高输出功率的换热器匹配方法，使热力系统获得高 效率同时有高的输出功率。
[0019] 为实现上述目标，本发明采用下述的技术方案是：
[0020] 一种热力系统参数优化方法，所述的热力系统是工作在温度为Th的高温热源和温 度为?Υ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；高、低温换热器的总传热系数分别记为1和K 2，总传 热系数是传热系数k与换热面积A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κ，κ = K2A1，简称为总传热系数比值；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ΦΗ;由低温换热器排放的热流率，简称为放热率，记为Φ ^ 工质膨胀过程膨胀机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Ρ，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T1，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T2，简称为等效放热温度；热 力系统的输出功率P与吸热率φη的比值定义为效率，记为η ;热力系统的最大效率为卡诺 热机效率，记为n c，η1-τ/rH，此时，实际热力系统的输出功率为〇 ;在等效吸热温度T1与等效放热温度T2的组合改变时，热力系统的输出功率与效率是不断变化的，记热力系统 出现的最大输出功率为Pniax，与最大输出功率对应的效率为n eA
[0021] 其特征在于：一种热力系统参数优化方法，是采用两步优选法选择最佳效率η _， 最佳输出功率PtjpJP最佳总传热系数比值K 第一步，选择最佳效率η 第二步，以单 位输出功率成本最低原则，协同优化选择最佳输出功率？_和最佳总传热系数比值κ _， 即，在最佳效率保持固定的前提下，通过增加总传热系数比值κ，使输出功率达到满 意的输出功率，并使K的增加所增加换热器面积和制造成本的收益最大；
[0022] 所述的两步优选法的第一步，首先，确定热力系统的最佳效率η _的范围是介于 11〇\与n c之间，即n CA< η _< n 其次，用热力系统的最大效率n c与最大输出功率的 效率n eA的权重方程式（1)通过优选权重因子计算最佳效率，最佳效率权重方程为 [0023] n opt = q n c+d-q) nCA ⑴
[0024] 式中，q为最大效率n。的权重因子，q在〇. 25-0. 75之间；再次，推荐采用等权重 方程式（2)计算最佳效率，即q = 1/2，
[0025] nopt= (n c+n ca)/2 ⑵
[0026] 所述的两步优选法的第二步，首先，建立对应于等权重方程确定的最佳效率η _ 的输出功率与总传热系数比值κ的函数关系，获得式（3)，
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