有机朗肯循环系统分析优化方法、装置及设备与流程

本申请涉及余热利用技术领域，尤其涉及一种有机朗肯循环系统分析优化方法、装置及设备。

背景技术：

随着能源急剧消耗，环境问题日益严重，开发及利用低品位热能(如太阳能、地热、生物质能和工业余热)受到了广泛关注。由于结构简单、维护成本低和环境友好等优点，朗肯循环为低品位余热回收利用提供了一种可行的方法。其中，有机朗肯循环(organicrankinecycle，orc)利用有机工质沸点较低的特点，能够直接对低温余热进行回收发电利用。

orc主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成，有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去，以实现对余热的利用。

其中，透平作为有机朗肯循环的关键部件，在当前大多数关于有机朗肯循环系统分析方法中，其效率均假设为固定值，但是在实际情况中，透平效率因工质种类和运行参数的不同而有较大的差别，因此，根据现有分析方法，将透平效率假设为固定值会使得分析出的结果出现误差。

技术实现要素：

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供一种有机朗肯循环系统分析优化方法、装置及设备。

根据本申请的第一方面，提供一种有机朗肯循环系统分析优化方法，包括：

获取系统运行参数及系统设计参数；

根据初始透平效率进行热力学计算，得到系统热力学参数；

将所述系统运行参数、系统设计参数及系统热力学参数输入预先设计的一维向心透平效率计算模型得到动态透平效率；

当所述动态透平效率与所述初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将所述初始透平效率的值更新为所述动态透平效率的值；

当所述动态透平效率与所述初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据所述系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标；

根据所述热力性和经济性指标与所述系统运行参数通过多目标优化模型优化系统运行参数及系统设计参数。

可选的，所述将所述系统运行参数、系统设计参数及系统热力学参数输入预先设计的一维向心透平效率计算模型得到动态透平效率，包括：

确定透平设计参数，所述透平设计参数包括速比、反动度、喷嘴速度系数、动叶速度系数、轮径比、动叶入口绝对气流角和动叶出口相对气流角；

根据所述透平设计参数计算损失；

根据所述损失计算所述动态透平效率。

可选的，所述损失包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、摩擦损失和泄露损失；

所述根据所述透平设计参数计算损失，包括：

根据第一公式计算喷嘴损失，所述第一公式为其中ξn表示喷嘴损失，表示喷嘴速度系数，ω表示反动度；

根据第二公式计算损失系数，所述第二公式为其中ξr表示动叶损失，w2表示动叶出口相对速度，δhs表示透平理想焓降，ψ表示动叶速度系数；

根据第三公式计算余速损失，所述第三公式为其中ξe表示余速损失，c2表示动叶出口绝对速度；

根据第四公式计算摩擦损失，所述第四公式为其中，ξf表示摩擦损失，d1表示动叶进口直径，u1表示动叶入口轮周速度，v1表示动叶进口比容，mf表示工质质量流量；

根据第五公式计算泄露损失，所述第五公式为为0.01～0.20之间的任意实数，其中ξ1表示泄露损失，δ为尖端间隙，d2为动叶出口直径，l2为动叶出口叶高。

可选的，所述根据所述损失计算所述动态透平效率，包括：

根据第六公式计算所述动态透平效率，所述第六公式为ηtur＝1-ξn-ξr-ξe-ξf-ξ1，其中ηtur表示动态透平效率。

可选的，所述多目标优化模型采用多目标灰狼算法。

根据本申请的第二方面，提供一种有机朗肯系统分析优化装置，包括：

获取模块，用于获取系统运行参数及系统设计参数；

第一计算模块，用于根据初始透平效率进行热力学计算，得到系统热力学参数；

第二计算模块，用于将所述系统运行参数、系统设计参数及系统热力学参数输入预先设计的一维向心透平效率计算模型得到动态透平效率；

更新模块，用于当所述动态透平效率与所述初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将所述初始透平效率的值更新为所述动态透平效率的值；

第三计算模块，用于当所述动态透平效率与所述初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据所述系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标；

优化模块，用于根据所述热力性和经济性指标与所述系统运行参数通过多目标优化模型优化系统运行参数及系统设计参数。

可选的，所述第二计算模块包括：

确定单元，用于确定透平设计参数，所述透平设计参数包括速比、反动度、喷嘴速度系数、动叶速度系数、轮径比、动叶入口绝对气流角和动叶出口相对气流角；

第一计算单元，用于根据所述透平设计参数计算损失；

第二计算单元，用于根据所述损失计算所述动态透平效率。

可选的，所述损失包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、摩擦损失和泄露损失；

所述第一计算单元包括：

第一计算子单元，用于根据第一公式计算喷嘴损失，所述第一公式为其中ξn表示喷嘴损失，表示喷嘴速度系数，ω表示反动度；

第二计算子单元，用于根据第二公式计算损失系数，所述第二公式为其中ξr表示动叶损失，w2表示动叶出口相对速度，δhs表示透平理想焓降，ψ表示动叶速度系数；

第三计算子单元，用于根据第三公式计算余速损失，所述第三公式为其中ξe表示余速损失，c2表示动叶出口绝对速度；

第四计算子单元，用于根据第四公式计算摩擦损失，所述第四公式为其中，ξf表示摩擦损失，d1表示动叶进口直径，u1表示动叶入口轮周速度，v1表示动叶进口比容，mf表示工质质量流量；

第五计算子单元，用于根据第五公式计算泄露损失，所述第五公式为为0.01～0.20之间的任意实数，其中ξ1表示泄露损失，δ为尖端间隙，d2为动叶出口直径，l2为动叶出口叶高。

可选的，所述第二计算单元包括：

第六计算子单元，用于根据第六公式计算所述动态透平效率，所述第六公式为ηtur＝1-ξn-ξr-ξe-ξf-ξ1，其中ηtur表示动态透平效率。

根据本申请的第三方面，提供一种有机朗肯系统分析优化设备，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请第一方面所述的有机朗肯系统分析优化方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：首先获取系统运行参数以及系统设计参数，然后根据初始透平效率进行热力学计算，得到热力学参数，将热力学参数、系统运行参数和系统设计参数输入到预先设计的一维向心透平效率计算模型中得到动态透平效率，当动态透平效率和初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将初始透平效率的值更新为动态透平效率的值，当所述动态透平效率与所述初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据所述系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标，最后根据热力性和经济性指标与系统运行参数通过多目标优化模型对系统运行参数及系统设计参数进行优化。基于此，整个分析优化过程所采用的透平效率是根据系统运行参数、系统设计参数以及系统热力学参数通过一维向心透平效率计算模型计算得到的动态透平效率，动态透平效率与当前的系统更加匹配，因此整个分析过程所得到的结果与实际的情况误差较小，分析结果更加准确。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是本申请的实施例一提供的一种有机朗肯循环系统分析优化方法的流程示意图。

图2是本申请的实施例二提供的一种有机朗肯循环系统分析优化装置的结构示意图。

图3是本申请的实施例三提供的一种有机朗肯系统分析优化设备的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

由于有机朗肯循环系统具有结构简单、维护成本低、环境友好等优点，因此，有机朗肯循环为低品位余热回收利用提供了一种可行的方法。在当前大多数有机朗肯循环分析方法中，透平效率均假设为固定值，但是在实际情况中，透平效率因工质种类和运行参数的不同而有较大差别，因此，本申请采用一维透平效率计算模型计算透平效率，采用动态透平效率取代传统的有机朗肯循环分析中的固定透平效率，综合考虑有机朗肯循环系统的热力性能和经济性能，采用多目标优化算法对系统性能进行分析。

实施例一

请参阅图1，图1是本申请的实施例一提供的一种有机朗肯循环系统分析优化方法的流程示意图。

如图1所示，本实施例提供的有机朗肯循环系统分析优化方法包括：

步骤11、获取系统运行参数及系统设计参数；

步骤12、根据初始透平效率进行热力学计算，得到系统热力学参数；

步骤13、将系统运行参数、系统设计参数及系统热力学参数输入预先设计的一维向心透平效率计算模型得到动态透平效率；

步骤14、当动态透平效率与初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将初始透平效率的值更新为动态透平效率的值；

步骤15、当动态透平效率与初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标；

步骤16、根据热力性和经济性指标与系统运行参数通过多目标优化模型优化系统运行参数及系统设计参数。

首先获取系统运行参数以及系统设计参数，然后根据初始透平效率进行热力学计算，得到热力学参数，将热力学参数、系统运行参数和系统设计参数输入到预先设计的一维向心透平效率计算模型中得到动态透平效率，当动态透平效率和初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将初始透平效率的值更新为动态透平效率的值，当动态透平效率与初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标，最后根据热力性和经济性指标与系统运行参数通过多目标优化模型对系统运行参数及系统设计参数进行优化。基于此，整个分析优化过程所采用的透平效率是根据系统运行参数、系统设计参数以及系统热力学参数通过一维向心透平效率计算模型计算得到的动态透平效率，动态透平效率与当前的系统更加匹配，因此整个分析过程所得到的结果与实际的情况误差较小，分析结果更加准确。

需要说明的是，系统运行参数可以包括热源参数、冷源参数、系统参数等，具体可以是热源温度、冷源温度、蒸汽温度、冷凝温度、蒸发压力等；系统设计参数可以包括换热器的面积、窄点温度、透平选型等。

步骤12到步骤15是对透平效率的一个循环迭代的过程，首先，初始透平效率的原始值可以是一个根据经验设定的假定值，然后根据初始透平效率值求取系统热力学参数，将系统热力学参数输入到一维向心透平效率计算模型中，得到动态透平效率，然后判断动态透平效率与初始透平效率的相对误差是否小于误差预设值，其中误差预设值可以设置为0.01，当判定结果为否时，将初始透平效率的值更新为动态透平效率的值，然后再根据新的初始透平效率计算系统热力学参数，经过一维向心透平效率计算模型得到新的动态透平效率后，再判断动态透平效率与初始透平效率的相对误差是否小于误差预设值，直到判断结果为是，此时的动态透平效率为最终透平效率，此时的系统热力学参数为最终的系统热力学参数，最后根据系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标。

进一步地，步骤13可以包括：

确定透平设计参数，透平设计参数包括速比、反动度、喷嘴速度系数、动叶速度系数、轮径比、动叶入口绝对气流角和动叶出口相对气流角；

根据透平设计参数计算损失；

根据损失计算动态透平效率。

其中，损失可以包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、摩擦损失和泄露损失，而根据损失计算动态透平效率可以包括：

根据第一公式计算喷嘴损失，第一公式为其中ξn表示喷嘴损失，表示喷嘴速度系数，ω表示反动度；

根据第二公式计算损失系数，第二公式为其中ξr表示动叶损失，w2表示动叶出口相对速度，δhs表示透平理想焓降，ψ表示动叶速度系数；

根据第三公式计算余速损失，第三公式为其中ξe表示余速损失，c2表示动叶出口绝对速度；

根据第四公式计算摩擦损失，第四公式为其中，ξf表示摩擦损失，d1表示动叶进口直径，u1表示动叶入口轮周速度，v1表示动叶进口比容，mf表示工质质量流量；

根据第五公式计算泄露损失，第五公式为为0.01～0.20之间的任意实数，其中ξ1表示泄露损失，δ为尖端间隙，d2为动叶出口直径，l2为动叶出口叶高。

进一步地，根据损失计算动态透平效率，可以包括：

根据第六公式计算动态透平效率，第六公式为ηtur＝1-ξn-ξr-ξe-ξf-ξ1，其中ηtur表示动态透平效率。

另外，本实施例中综合考虑有机朗肯循环系统热力性能与经济性能，其中，热力性和经济性指标可以包括净输出功、热效率、投资成本、系统产品单价。

在步骤16中，选择单位输出功系统投资成本与系统产品单价为目标函数，蒸发温度与冷凝温度为优化变量，对耦合动态透平效率的有机朗肯循环系统进行优化。多目标优化模型表示如下：

其中，sic为单位输出功系统投资成本，cp,total为系统产品单价。

约束条件可以包括：

蒸发温度应小于热源温度，且小于工质临界温度，蒸发器的窄点温差大于设计的最小传热温差(本例中取值为5k)；

冷凝温度应大于环境温度小于蒸发温度，本实施例中冷凝温度取303.15k-323.15k。

约束条件可以表示如下：

其中，theat表示热源温度，tcritical表示工质临界温度，δtheat表示蒸发器窄点温度，tamb表示热源温度。

需要说明的是，本实施例采用多目标灰狼算法对有机朗肯循环系统进行多目标优化，灰狼算法是模拟狼群集体捕猎行为而发胀的一种元启发式算法，具有机制简单、收敛速度快等优点。

分别建立灰狼的社会等级、包围猎物、狩猎行为的数学模型如下：

首先是社会等级，在设计灰狼算法的过程中，为了模拟灰狼的社会等级，根据适应度值将狼群中的灰狼个体分为四种不同类型：适应度最佳的个体定义为α狼，适应度次最优和第三优的个体分别定义为β狼和δ狼，其余个体被记为ω狼。在灰狼算法中，寻优过程主要由α、β、δ狼引导完成，ω狼负责跟随前面三只头狼以寻找最优解。

其次是包围猎物，灰狼在狩猎过程中需要包围猎物，包围时首先要确定自己与猎物的距离，公式为其中，t表示当前迭代次数；表示猎物的位置向量，表示灰狼的位置向量，为摆动因子，可以表示为其中的为[0,1]中的随机向量。

灰狼根据自身与猎物之间的距离进行位置更新：其中表示收敛系数向量，且为[0,1]中的随机向量，在迭代过程中随的带次数的增加从2下降到0，比如，当的带次数为5时，其取值为2、1.5、1、0.5、0。

最后是狩猎行为，在灰狼算法中，灰狼并不知道猎物(最优解)的具体位置，为了模拟狩猎行为，嘉定适应度较好的三只狼α、β、δ狼最靠近猎物，根据三者的位置信息实现对猎物的定位。因此，在每次迭代过程中保存适应度最优的三只狼α、β、δ狼，并根据他们的位置信息更新其他灰狼(ω狼)的位置，其数学模型如下：

灰狼算法的具体流程如下所示：

初始化灰狼数量、变量数目、最大迭代次数、帕累托存档数；随机生成初始种群并存储，初始化参数a、c、a、t；计算所有灰狼个体的适应度和它们的位置向量；确定非支配解并将其保存在出事帕累托存档中；计算每个帕累托存档个体的拥挤距离，选出三只狼：α、β、δ狼；根据公式计算三只狼的位置矢量；根据公式和公式更新当前灰狼位置矢量；计算所有更新后的灰狼个体的适应度，确定新的非支配解，保存在帕累托存档中，删除除帕累托存档中被支配的解；计算每个帕累托存档个体的拥挤距离；当帕累托存档大小大于允许大小时，先根据拥挤距离将帕累托存档大小裁剪至允许大小，然后再根据拥挤距离进行非支配排序，选择并更新全局最优解；当帕累托存档大小不大于允许大小时，直接根据拥挤距离进行非支配排序，选择并更新全局最优解；在根据拥挤距离进行非支配排序，选择并更新全局最优解后，判断迭代准则是否满足，若是，则输出帕累托最优解，若否，则回到上述确定非支配解并将其保存在出事帕累托存档中步骤循环。

其中，帕累托最优解是指一系列的单位输出功系统投资成本与系统产品单价的组合。

实施例二

请参阅图2，图2是本申请的实施例二提供的一种有机朗肯循环系统分析优化装置的结构示意图。

如图2所示，本实施例提供的有机朗肯循环系统分析优化装置包括：

获取模块21，用于获取系统运行参数及系统设计参数；

第一计算模块22，用于根据初始透平效率进行热力学计算，得到系统热力学参数；

第二计算模块23，用于将系统运行参数、系统设计参数及系统热力学参数输入预先设计的一维向心透平效率计算模型得到动态透平效率；

更新模块24，用于当动态透平效率与初始透平效率的相对误差大于或等于误差预设值时，将初始透平效率的值更新为动态透平效率的值；

第三计算模块25，用于当动态透平效率与初始透平效率的相对误差小于误差预设值时，根据系统运行参数、系统设计参数、热力学参数计算热力性和经济性指标；

优化模块26，用于根据热力性和经济性指标与系统运行参数通过多目标优化模型优化系统运行参数及系统设计参数。

进一步地，第二计算模块包括：

确定单元，用于确定透平设计参数，透平设计参数包括速比、反动度、喷嘴速度系数、动叶速度系数、轮径比、动叶入口绝对气流角和动叶出口相对气流角；

第一计算单元，用于根据透平设计参数计算损失；

第二计算单元，用于根据损失计算动态透平效率。

进一步地，损失包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、摩擦损失和泄露损失；

第一计算单元包括：

第一计算子单元，用于根据第一公式计算喷嘴损失，第一公式为其中ξn表示喷嘴损失，表示喷嘴速度系数，ω表示反动度；

第二计算子单元，用于根据第二公式计算损失系数，第二公式为其中ξr表示动叶损失，w2表示动叶出口相对速度，δhs表示透平理想焓降，ψ表示动叶速度系数；

第三计算子单元，用于根据第三公式计算余速损失，第三公式为其中ξe表示余速损失，c2表示动叶出口绝对速度；

第四计算子单元，用于根据第四公式计算摩擦损失，第四公式为其中，ξf表示摩擦损失，d1表示动叶进口直径，u1表示动叶入口轮周速度，v1表示动叶进口比容，mf表示工质质量流量；

第五计算子单元，用于根据第五公式计算泄露损失，第五公式为为0.01～0.20之间的任意实数，其中ξ1表示泄露损失，δ为尖端间隙，d2为动叶出口直径，l2为动叶出口叶高。

进一步地，第二计算单元包括：

第六计算子单元，用于根据第六公式计算动态透平效率，第六公式为ηtur＝1-ξn-ξr-ξe-ξf-ξ1，其中ηtur表示动态透平效率。

实施例三

请参阅图3，图3是本申请的实施例三提供的一种有机朗肯系统分析优化设备的结构示意图。

本实施例提供的有机朗肯系统分析优化设备，包括：

处理器31，以及与处理器相连接的存储器32；

存储器用于存储计算机程序，计算机程序至少用于执行本申请实施例一的有机朗肯系统分析优化方法；

处理器用于调用并执行存储器中的计算机程序。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。