有机朗肯循环多目标参数优化及经济环境影响评价

摘要

在将节能贯穿于整个经济社会发展全过程和各领域的中国基本能源政策的政策背景下，如何提高能源效率，尤其是将能源消耗过程中低品位余热资源转换为方便、灵活的电能成为科学和工程界的广泛关注的焦点。有机朗肯循环系统以其工质蒸发温度较低和维护保养要求低的优点为解决大量低温余热资源回收问题提供了较佳的选择。本文在有机朗肯循环热力学反问题研究的基础上，研究了八种有机工质循环的热力性能。从循环热力性能、经济性能和环境性能三个方面出发，创新性的构建了多目标参数优化模型，对循环进行优化设计，改善了联合应用系统的能源利用率，提高了有机朗肯循环性能和循环的适用性。依据此优化模型，将优化设计的耦合热源的有机朗肯循环引入我国具有广阔应用前景的水泥工业的余热利用，明确了有机朗肯循环在该领域的应用前景，为我国的工业领域能源节约提出了很好的技术选择。
　　本文在对有机朗肯循环热力学模型、热力计算分析的基础上，基于热力学反问题，选取了R114、R245fa、R245ca、R123、R601、R11、R141b和R113八种不同有机工质进行热力性能实验，研究发现不同工质循环的热力性能不同，以R123为运行工质的循环热效率最大，受到工质临界温度和蒸发器窄点温差的约束，不同工质的最大蒸发温度不同。循环热效率随着蒸发温度的升高而增大，提高冷凝器的冷凝效果可以提高循环热效率。实验结果符合作者所在实验室提出的临界温度工质筛选准则，并用积分温差的概念进一步解释了临界温度和循环热效率的关系。
　　在模型构建方面，本文充分吸收了全生命周期评价方法“从摇篮到坟墓”的环境影响负荷理论，将热源根据工况条件分为固定参数热源和波动参数热源两类，以循环输出净功、(炯)效率、投资回收期和环境影响负荷作为目标函数，以蒸发温度和冷凝温度作为决策变量，最大化循环输出净功和(炯)效率，最小化投资回收期和环境影响负荷，从热力性能、经济性能和环境性能三个方面构建了确定性多目标优化模型和不确定性多目标优化模型两类多目标优化模型。采用智能优化算法遗传算法、神经网络和遗传算法相结合的算法分别对两类模型进行了求解，并对最优化结果进行比较分析。研究发现，一是热源参数波动较大时，确定性优化的系统性能波动明显大于不确定性优化的系统性能，不确定性优化后的系统性能更加稳定，可以降低对系统设备的要求;二是将热源参数不确定性变化引入循环优化设计中，不再需要对热源参数的变化进行系统敏感性分析，简化了优化设计过程。
　　利用此优化模型，本文将有机朗肯循环引入我国应用规模最为普遍的4000吨/天的新型干法水泥生产线余热回收领域，以水泥生产线的窑头冷却机220℃的余热作为有机朗肯循环的热源，选取五种不同有机工质hexane、isohexane、R601、R123和R245fa作为循环的运行工质，对耦合热源条件的循环进行优化设计，使用净现值和投资回收期对联合应用的经济性能进行了评估，使用全生命周期评价方法对联合应用系统进行了环境性能评价。研究发现，水泥工业余热利用中引入此种优化的有机朗肯循环完全可行，可高效的回收余热，有效提升能源效率。且五种工质中，R601作为运行工质的循环有最好的经济性能和显著的气体减排性;引入有机朗肯循环之后的联合应用系统有很好的经济性能和显著的环境性能;若增大有机朗肯循环的规模，循环的经济性能会进一步提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 工质筛选的研究现状

1．3 性能分析和优化的研究现状

1．3．1 单目标优化研究现状

1．3．2 多目标优化研究现状

1．3．3 经济环境影响评价研究现状

1．4 有机朗肯循环的应用及商业化发展

1．4．1 工业余热应用研究现状

1．4．2 太阳能应用研究现状

1．4．3 生物质能应用研究现状

1．4．4 地热能应用研究现状

1．4．5 商业化发展现状

1．5 当前研究存在的问题

1．6 本课题的主要研究内容

1．7 本论文主要创新点

2．1 引言

2．2 有机朗肯循环的工作原理与组成

2．3 热力学分析

2．3．1 热力学模型

2．3．2 热力学反问题

2．4 换热器

2．4．1 蒸发器

2．4．2 冷凝器

2．5 有机朗肯循环性能分析

2．5．1 有机工质对循环性能的影响

2．5．2 蒸发温度对循环性能的影响

2．5．3 冷凝温度对循环性能的影响

2．6 实验系统

2．7 本章小结

第3章 多目标参数优化模型分析

3．1 引言

3．2 多目标优化问题描述

3．3 多目标优化问题的求解方法

3．3．1 进化算法

3．3．2 神经网络

3．4 当前研究的多目标优化模型

3．5 现有模型的分析

3．6 本章小结

第4章 考虑经济环境影响的多目标优化模型

4．1 引言

4．2 经济性评价模型

4．3 环境性评价模型

4．4 确定性多目标优化模型

4．5 不确定性多目标优化模型

4．5．1 不确定性优化问题

4．5．2 不确定性多目标优化模型

4．6 本章小结

第5章 确定性优化方法和不确定性优化方法

5．1 引言

5．2 确定性多目标优化算法

5．3 不确定性多目标优化算法

5．4 多目标优化结果

5．4．1 确定性多目标优化结果

5．4．2 不确定性多目标优化结果

5．5 两种算法的优化结果比较

5．6 本章小结

第6章 多目标优化及经济环境影响评价的应用

6．1 引言

6．2 水泥生产过程

6．3 ORC系统

6．4 ORC的计算

6．4．1 ORC的热力学验证

6．4．2 ORC的优化结果

6．5 经济性评价

6．6 环境性评价

6．6．1 直接减排量评估

6．6．2 全生命周期评价

6．7 与其他ORC应用研究的比较

6．8 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本论文主要结论

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介