蒸汽-水双热源余热发电分流系统及热经济性优化设计方法

本发明涉及余热发电，具体涉及一种蒸汽-水双热源余热发电分流系统及热经济性优化设计方法。

背景技术：

1、为了减少碳排放和实现碳中和，有机朗肯循环(orc)作为一种很有前途的余热回收技术，得到了广泛的研究。通过orc，可回收可再生能源，如太阳能、地热能或工业生产中的废热能，同时，可获得电能。一个简单的orc系统可以通过四个部分输出功率：蒸发器、冷凝器、膨胀器和工作流体泵。整个系统安全性高，结构简单，热力学性能较好，有利于节能减排。在余热回收的实际应用中，同时从不同热源同时进行热量回收是具有挑战性的。许多工业过程，如化学制造和钢铁冶炼，以蒸汽和水的形式产生大量的余热。在上述情况中，蒸汽可能来源于燃烧和化学过程，热水可能来源于工艺冷却过程。因此，蒸汽热源和热水热源共存是常见的。通过从蒸汽和水中回收余热，可以降低能源消耗和成本，并可以提高工业过程的整体效率。以蒸汽和热水作为联合热源的orc系统结构设计研究很少。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种蒸汽-水双热源余热发电分流系统及热经济性优化设计方法，一方面，可对热水热源进行分流，从而最大限度的利用热水余热；另一方面，能够实现在最小的发电成本下输出更多的净输出功。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明提供一种蒸汽-水双热源余热发电分流系统，所述蒸汽-水双热源余热发电分流系统包括高压环路和低压环路，所述高压环路的热水输入端和所述低压环路的热水输入端同时连通外部热水管，所述高压环路和所述低压环路分别设置有第一发电机和第二发电机，所述第一发电机/所述第二发电机用于根据热水在所述高压环路/所述低压环路中生成高温高压的有机蒸汽推动第一膨胀机/orc膨胀机进行发电。

4、可选择地，所述高压环路还包括第一蒸发器、第一预热器、第二预热器、第一工质泵、第一冷凝器、第三发电机和第二膨胀机；

5、所述第一膨胀机的出口连通所述第一蒸发器的蒸汽入口以形成b通路；

6、所述第一蒸发器的蒸汽出口连通第二预热器的蒸汽入口以形成c通路；

7、所述第二预热器的蒸汽出口连通外部热水管以形成d通路；

8、所述第一蒸发器完成液出口与所述第二膨胀机的入口连通以形成1通路；

9、所述第二膨胀机的出口与所述第一冷凝器的气体入口连通以形成2通路；

10、所述第一冷凝器的气体出口与第一工质泵的入口连通以形成3通路；

11、所述第一工质泵的出口与所述第一预热器的凝液入口以形成4通路；

12、所述第一预热器的凝液出口与所述第二预热器的凝液入口连通以形成5通路；

13、所述第二预热器的凝液出口与所述第一蒸发器的原料液入口连通以形成6通路；

14、所述第一预热器的水源入口作为所述高压环路的热水输入端连通外部热水管的出口以形成a”通路，其水源出口连通外部热水管的入口以形成b”通路，热水热源经a”通路进入第一预热器，经第一预热器加热后经b”通路进入外部热水管；

15、所述第一膨胀机的输入为高压饱和蒸汽热源，高压饱和蒸汽热源通过所述第一膨胀机做功产生第一电源，并通过第一发电机发电；并且，所述高压饱和蒸汽热源经所述蒸汽膨胀机做功后降压为湿蒸汽，湿蒸汽经b通路进入所述第一蒸发器，以使所述第一蒸发器中的有机工质从饱和液态蒸发为饱和气态，饱和气态经1通路进入orc膨胀机，以推动所述orc膨胀机做功发电并将所述饱和蒸汽变为低温低压的有机乏汽，有机乏汽经2通路进入所述第一冷凝器，并在所述第一冷凝器中被冷凝为有机凝液，有机凝液经3通路进入第一工质泵中，被所述第一工质泵加压并通过4通路进入第一预热器中吸收热水热源的热量，以形成有机工质，有机工质经5通路进入第二预热器中，并且蒸发器蒸汽出口的蒸汽热源通过c通路进入第二预热器中，以使得第二预热器中的蒸汽余热能够加工有机工质，加工后的蒸汽形成热水经d通路进入外部热水管。

16、可选择地，所述高压环路还包括第一冷水泵和第一冷却塔，所述第一冷水泵的输出端连通所述第一冷凝器的冷水输入端以形成m’通路，所述第一冷凝器的冷水输出端连通所述第一冷却塔的输入端以形成n通路，所述第一冷却塔的输出端连通所述第一冷水泵的输入端以形成m通路；

17、所述第一冷却塔中的冷水经过m通路进入第一冷水泵中，经第一冷水泵加压后通过m’通路进入第一冷凝器中，以给第一冷凝器提供水冷源，并且，水冷后的液体经过n通路进入所述第一冷却塔中。

18、可选择地，所述低压环路包括第三预热器、第二蒸发器、orc膨胀机、第二冷凝器、第二冷水泵和第二工质泵；

19、所述第二蒸发器的水源入口作为所述低压环路的热水输入端连通外部热水管的出口以形成a’通路，其水源出口连通第三预热器的水源入口以形成b’通路；

20、所述第三预热器的水源出口与外部热水管的入口连通以形成c’通路；

21、所述第二蒸发器的完成液出口连通所述orc膨胀机的入口以形成1’通路；

22、所述orc膨胀机的出口连通所述第二冷凝器的气体入口以形成2’通路；

23、所述第二冷凝器的气体出口连通第二工质泵的入口以形成3’通路；

24、所述第二工质泵的出口连通第三预热器的凝液入口以形成4’通路；

25、所述第三预热器的凝液出口与所述第二蒸发器的原料液入口以形成5’通路；

26、热水热源经a’通路进入第二蒸发器，以使第二蒸发器中饱和液态有机工质吸收所述热水热源的热量变为饱和气态；第二蒸发器出口的热水经b’通路进入第三预热器，被第三预热器中的过冷有机工质吸收热水热源的热量，第三预热器出口的水源经c’通路进入外部热水管；

27、饱和气态经1’通路进入orc膨胀机，以推动orc膨胀机做功产生第二电源并通过第二发电机发电，同时饱和气态变为低温低压的第二有机乏汽，第二有机乏汽经2’通路进入第二冷凝器中，并在第二冷凝器中被冷凝为第二有机凝液，第二有机凝液经3’通路进入第二工质泵，第二工质泵对第二有机凝液加压后生成过第二冷有机工质，并通过4’通路进入至第三预热器中，第二过冷有机工质在第三预热器中吸收热水热源的热量后成为第二有机工质并通过5’通路进入第二蒸发器中。

28、可选择地，所述低压环路还包括第二冷水泵和第二冷却塔，所述第二冷水泵的输出端连通所述第二冷凝器的冷水输入端以形成m1’通路，所述第二冷凝器的冷水输出端连通所述第二冷却塔的输入端以形成n1通路，所述第二冷却塔的输出端连通所述第二冷水泵的输入端以形成m1通路；

29、所述第二冷却塔中的冷水经过m1通路进入第二冷水泵中，经第二冷水泵加压后通过m1’通路进入第二冷凝器中，以给第二冷凝器提供水冷源，并且，水冷后的液体经过n1通路进入所述第二冷却塔中。

30、本发明还提供一种基于上述的蒸汽-水双热源余热发电分流系统的热经济性优化设计方法，所述热经济性优化方法包括：

31、s1：根据蒸汽-水双热源余热发电分流系统中已知参数和边界条件，划定热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围；

32、s2：根据热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围，利用粒子群算法，确定蒸汽-水双热源余热发电分流系统的第一最大净输出功和第一最大净输出功所对应的第一发电成本及其对应的高压环路部分第一蒸汽热源出口参数和第一热水热源出口参数，以及低压环路中第一蒸发器出口热水温度；

33、s3：根据热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围，利用第二代非支配排序遗传算法，确定蒸汽-水双热源余热发电分流系统的最优净输出功和最优发电成本所对应的高压环路部分第二蒸汽热源出口参数和第二热水热源出口参数，以及低压环路中第二蒸发器出口热水温度；

34、s4：根据已知参数、边界条件、高压环路部分第一/第二蒸汽热源出口参数和第一/第二热水热源出口参数，以及低压环路中第一/第二蒸发器出口热水温度，确定所述蒸汽-水双热源余热发电分流系统中各器件的参数。

35、可选择地，所述s2包括：

36、s21：根据热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围得到所述粒子群算法的所有初始粒子；

37、s22：以目标函数确定所有粒子的适应值，所述适应值即为各粒子对应输出的净输出功；

38、s23：根据热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围、热水热源出口参数范围、低压环路中蒸发器出口热水温度范围以及粒子的适应值，确定最优适应值，以及所述最优适应值所对应的粒子向量，其中，所述粒子向量包括热水分流比、高压环路部分蒸汽热源出口参数、热水热源出口参数和低压环路中蒸发器出口热水温度；

39、s24：输出所述最优适应值为第一最大净输出功，根据所述第一最大净输出功确定其所对应的第一发电成本；

40、s25：输出所述最优适应值所对应的粒子向量为高压环路部分第一蒸汽热源出口参数和第一热水热源出口参数，以及低压环路中第一蒸发器出口热水温度。

41、可选择地，所述目标函数包括：

42、tpin＝min{(tc-tevap),(td-t5),(ta′-t5),(tb″-t4)}

43、tpin＝min{(tc-tevap),(td-t5),(ta′-t5),(ta′mid-tevap),(tb′-t4)}

44、其中，tpin表示夹点温度，tc表示第一蒸发器的蒸汽出口温度，tevap表示蒸发温度，td表示第二预热器的蒸汽出口温度，t5表示第一预热器的凝液出口温度，ta′表示热水热源入口温度，tb″表示第一预热器的水源出口温度，t4表示第一工质泵的出口温度，ta′mid表示第一预热器中工质为饱和液态时对应的热水温度，tb′表示第一蒸发器水源出口温度；

45、所述已知参数包括：蒸汽入口参数和热水入口参数，所述热水入口参数包括热水入口流量；

46、s23包括：

47、根据热水分流比范围和所述热水入口流量，得到进入高压环路的热水流量范围和进入低压环路的热水流量范围；

48、根据高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，利用热力学第一定律，确定蒸发温度和工质流量之间的关系；

49、根据热水总换热量的高低，判断夹点温差的位置；

50、根据夹点温差的位置，以及目标函数，确定高压环路的蒸发温度和工质流量；

51、根据高压环路的蒸发温度和工质流量，确定高压环路的净输出功和发电成本；

52、根据夹点温差和低压环路中蒸发器出口热水温度范围，得到低压环路的蒸发温度；

53、根据低压环路的蒸发温度，确定低压环路的净输出功和发电成本；

54、净输出功wnet表示为：

55、wnet＝f(td,pd,rsp,tb″,tb′)

56、发电成本epc表示为：

57、epc＝f(td,pd,rsp,tb″,tb′)

58、其中，td表示第二预热器的蒸汽出口温度，pd表示第二预热器的蒸汽出口压力，rsp表示热水分流比，tb″表示第一预热器的水源出口温度，tb′表示第一蒸发器水源出口温度。

59、可选择地，所述s3包括：

60、s31：根据所述高压饱和蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，利用第二代非支配排序遗传算法，得到横纵坐标分别为蒸汽-水双热源余热发电分流系统净输出功和发电成本的帕累托前沿曲线；

61、s32：利用多目标优化的决策方法对所述帕累托前沿曲线进行最优解决策，得到最优净输出功和最优发电成本，以及最优净输出功和最优发电成本所对应的高压环路部分第二蒸汽热源出口参数和第二热水热源出口参数、低压环路中第二蒸发器出口热水温度。

62、可选择地，所述s31包括：

63、根据热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围，确定第二代非支配排序遗传算法的设计参数；

64、根据所述第二代非支配排序遗传算法的设计参数，创建n个初始种群；

65、对所述n个初始种群中的n个父代个体运用模拟二进制交配法交叉操作、变异多项式操作、锦标赛选择操作，得到n个子代个体；其中，个体表示所述热水分流比范围、高压环路部分蒸汽热源出口参数范围和热水热源出口参数范围，以及低压环路中蒸发器出口热水温度范围；

66、将所述n个子代个体和n个父代个体组成2n个个体；

67、生成2n个个体对应的所有解；

68、利用精英策略确定所有解的pareto等级，并对所有解的pareto等级进行排序；

69、对排序结果的每个集合中的边界个体拥挤度设置为无穷，其他个体计算拥挤度；

70、利用拥挤度确定较优的新个体放入父代种群中，直到填满父代种群；

71、判断当前迭代是否满足最大迭代次数，若是，根据当前父代种群中的个体，得到横纵坐标分别为蒸汽-水双热源余热发电分流系统净输出功和发电成本的帕累托前沿曲线，否则，继续进行迭代。

72、本发明具有以下有益效果：

73、一方面，本发明可对热水热源进行分流，从而最大限度的利用热水余热；另一方面，本发明可在不同蒸汽-水热源条件下对余热发电分流系统进行优化设计，合理分配热源在各环路中的换热量，以实现利用现有的余热输出最大净输出功，同时也对系统的净输出功和经济性两个目标进行优化，实现在最小的发电成本下输出更多的净输出功。