一种有机朗肯循环工质筛选方法、系统、设备及介质

本发明涉及热力循环，特别是涉及一种有机朗肯循环工质筛选方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、有机朗肯循环(organic rankine cycle，orc)作为一种很有前景的发电技术受到了很多科研人员的关注。与朗肯循环不同的是它利用有机溶剂作为工质，采用多种类型的热源驱动例如余热、太阳能、地热、化石能源、生物质能源等。和传统的电力循环相比，它可以实现分布式有限发电，这意味着可以利用低品位热源(废热、可再生能源等)实现中小规模的发电。简单的orc系统主要由工质输送泵、蒸发器、涡轮机和冷凝器组成，由冷凝器出来的低压饱和液体首先由泵加压，然后在蒸发器中蒸发。蒸发器出口的工作流体的热力学状态可以是饱和气体或过热气体，然后进入涡轮机膨胀做功以产生电能，通过散热到冷凝器中低压下冷凝成饱和液体，然后进入循环。

2、工质是实现余热热功转换至关重要的工作流体，它可以将热量从较低的温度转移到较高的温度。在20世纪20年代工质(制冷循环中简称制冷剂)开始了商业使用如cfcs、hcfcs、pfcs等。随着研究的不断深入，基于低碳环保的理念，为了更好的实现低碳化近零排放目标，根据《蒙特利尔议定书》的基加利修正案内容，逐步取消了氢氟碳类化合物cfcs、hcfcs和pfcs等工质应用。为了满足寻找氟利昂制冷剂替代品的需求，制冷剂性能的标准参考数据库refprop应运而生，数据库中含有目前研究工质的热力学物性。refprop由美国国家标准技术研究所(nist)开发，可应于查询或计算工质的物性。截至2018发布的refprop10.0，在库纯工质扩充至147种。

3、提高低温余热发电循环系统高效转换的关键在于高效环保工质的筛选。良好的工质不仅能够提高余热转换效率，还能满足国家减排的环境要求。目前工质筛选主要考虑工质的化学稳定性、热物性、环境、安全等方面，对于工质的基础物性，主要考虑密度、蒸发潜热、粘度等等。密度越大的工质，增加其质量流量能够减小设备尺寸；在相变操作中，蒸发潜热高可使大部分可用热量得以增加，为了提高效率，无需通过再生进料加热来调节蒸汽的过热和膨胀。工质在液相和汽相中的粘度都应保持在较低的水平，以便获得较高的传热系数以降低功耗。工质应低于最低环境工作温度，以确保工作流体将保持在液相中，临界温度、压力要高于最大操作压力。此外，还要兼顾工质安全环境性能，要求工质需要毒性低，可燃性指数低。在orc装置中，普遍应用的一种稳健的工质评价指标则是比较各种工质的热效率，这种方法不需要状态方程或大量的实验数据，在研究中得到了广泛应用。当前研究主要通过宏观尺度的工质性质、经济、能量、结构性能的比较进行筛选，在基础物性方面主要考虑工质的化学性质、热物性、安全性能、环境性能等，针对工艺方案考虑了其传递性质、传热性质、效率等，性能评估兼顾了能量分析、分析、环境分析等。然而这些方法工作量大而繁琐，对于工质筛选的精度和速度无法保证。

4、目前对于有机朗肯循环工质筛选方法的研究，专利cn113255211a提出一种基于bp神经网络与多目标优化的有机朗肯循环工质筛选方法，该方法侧重于参数优化，专利cn112765793a提出超临界有机朗肯循环的混合工质筛选方法，该方法限定了有机朗肯循环的应用范围在超临界区域。上述筛选方法均未涉及工质结构特性的分析，以及与有机朗肯循环性能之间关系模型的构建。如果能够将量子化学与工质的筛选相结合，微观角度分析工质潜能，确定工质物性与性质之间的构效关系，可为工质的高效筛选提供重要的理论支撑和方向指导。

5、综上所述，目前亟需实现有机朗肯循环工质的准确、高效筛选。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种有机朗肯循环工质筛选方法、系统、设备及介质，以实现有机朗肯循环工质的准确、高效筛选。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种有机朗肯循环工质筛选方法，包括：

4、获取潜能工质数据集；

5、根据工质的基础物性，从所述潜能工质数据集中筛选满足热源温度范围的工质，得到第一工质候选集；

6、根据工质的干湿特性，从所述第一工质候选集中剔除湿工质，得到第二工质候选集；

7、根据工质的量子化学性质，从所述第二工质候选集中剔除强氢键作用的工质，得到最终工质集；

8、对所述最终工质集中的所有工质分别进行有机朗肯参数优化，得到对应的有机朗肯循环最优热效率；

9、以所述最终工质集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数为自变量，以对应的有机朗肯循环最优热效率为因变量，构建非线性的工质筛选模型；

10、采用所述工质筛选模型从目标工质数据集中筛选最优工质。

11、可选地，根据工质的基础物性，从所述潜能工质数据集中筛选满足热源温度范围的工质，得到第一工质候选集，具体包括：

12、获取所述潜能工质数据集中所有工质的基础物性参数；所述基础物性参数包括：临界温度；

13、从所述潜能工质数据集中剔除所述临界温度不在热源温度范围内的工质，得到第一工质候选集。

14、可选地，根据工质的干湿特性，从所述第一工质候选集中剔除湿工质，得到第二工质候选集，具体包括：

15、获取所述第一工质候选集中所有工质的温熵数据，并根据所述温熵数据绘制温熵图；

16、根据所述温熵图和熵的热力学关系式确定工质的干湿特性参数；所述干湿特性参数包括：对比热容比例因子；其中，当所述对比热容比例因子等于1时为等熵工质，当所述对比热容比例因子大于1时为干工质，当所述对比热容比例因子小于1时为湿工质；

17、从所述第一工质候选集中剔除所述对比热容比例因子小于1的工质，得到第二工质候选集。

18、可选地，根据工质的量子化学性质，从所述第二工质候选集中剔除强氢键作用的工质，得到最终工质集，具体包括：

19、采用量子化学计算软件计算所述第二工质候选集中所有工质的表面电荷分布情况和氢键强度；

20、从所述第二工质候选集中剔除所述表面电荷分布情况和所述氢键强度符合强氢键作用特征的工质，得到最终工质集。

21、可选地，对所述最终工质集中的所有工质分别进行有机朗肯参数优化，得到对应的有机朗肯循环最优热效率，具体包括：

22、将所述最终工质集中的所有工质分别添加到流程模拟软件中建立有机朗肯循环；

23、根据有机朗肯循环的操纵变量确定优化约束；所述操纵变量包括：涡轮机进口温度、涡轮机出口温度、工质泵的压力、蒸发器入口压力、蒸发器饱和蒸汽压和涡轮机出口汽化分率；

24、基于局部确定性优化算法bobyqa，根据所述优化约束对各所述有机朗肯循环进行有机朗肯参数优化，得到对应的有机朗肯循环最优热效率。

25、可选地，以所述最终工质集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数为自变量，以对应的有机朗肯循环最优热效率为因变量，构建非线性的工质筛选模型，具体包括：

26、以所述最终工质集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数为自变量，以对应的有机朗肯循环最优热效率为因变量，采用最小二乘法或支持向量机构建非线性的工质筛选模型。

27、可选地，采用所述工质筛选模型从目标工质数据集中筛选最优工质，具体包括：

28、获取目标工质数据集；所述目标工质数据集中包括若干种根据物性数据库refprop初步筛选得到的适用于有机朗肯循环的工质；

29、根据物性数据库refprop确定所述目标工质数据集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数；

30、采用所述工质筛选模型，根据所述目标工质数据集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数预测对应的有机朗肯循环最优热效率，得到若干有机朗肯循环最优热效率预测值；

31、将所述有机朗肯循环最优热效率预测值最大的工质作为最优工质。

32、一种有机朗肯循环工质筛选系统，包括：

33、潜能工质数据集获取模块，用于获取潜能工质数据集；

34、第一工质候选集确定模块，用于根据工质的基础物性，从所述潜能工质数据集中筛选满足热源温度范围的工质，得到第一工质候选集；

35、第二工质候选集确定模块，用于根据工质的干湿特性，从所述第一工质候选集中剔除湿工质，得到第二工质候选集；

36、最终工质集确定模块，用于根据工质的量子化学性质，从所述第二工质候选集中剔除强氢键作用的工质，得到最终工质集；

37、有机朗肯参数优化模块，用于对所述最终工质集中的所有工质分别进行有机朗肯参数优化，得到对应的有机朗肯循环最优热效率；

38、工质筛选模型构建模块，用于以所述最终工质集中各工质的基础物性参数和干湿特性参数为自变量，以对应的有机朗肯循环最优热效率为因变量，构建非线性的工质筛选模型；

39、最优工质筛选模块，用于采用所述工质筛选模型从目标工质数据集中筛选最优工质。

40、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的有机朗肯循环工质筛选方法。

41、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的有机朗肯循环工质筛选方法。

42、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

43、本发明提供一种有机朗肯循环工质筛选方法，首先获取潜能工质数据集，其次分别根据工质的基础物性、干湿特性和量子化学性质，对潜能工质数据集中的工质进行多次筛选，得到最终工质集，然后进行有机朗肯参数优化，得到对应的有机朗肯循环最优热效率，进而根据最终工质集中各工质的基础物性参数、干湿特性参数和对应的有机朗肯循环最优热效率构建非线性的工质筛选模型，以实现最优工质的筛选。本发明提供的有机朗肯循环工质筛选方法基于工质物性和微观机理分析，具有准确性好，筛选效率高的优势。