CN111832804B - 一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，上层优化为系统设计点热力参数优化，利用非支配排序遗传算法进行上层决策变量多目标优化；下层优化为板式换热器配置优化，上层传递的相关决策变量为下层边界条件，对于每一个上层变量值，基于插值函数技术进行下层决策变量优化。本发明能够有效解决多个目标、多个参数、多个层次的非凸优化问题。

Description

一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法

技术领域

本发明涉及一种有机朗肯循环系统设计优化方法，适用于对系统热力参数、换热器配置参数两个层次进行多目标优化。

背景技术

随着不断增长的能源需求，不断上涨的能源价格以及诸如全球变暖等一系列环境问题迫使我们寻求更加清洁、可持续的能源。将热能转化为电能是一种有前途的方法。对于废热资源之中占比较高的中低温废热，有机朗肯循环(ORC)技术具有诸多优点。尽管对于有机朗肯循环的研究已有几十年历史，但有机朗肯循环系统仍存在整体效率低、投资成本高等许多不足之处。评价有机朗肯循环系统的指标比如系统效率和投资成本就是相互矛盾的，传统的优化方法难以对这类问题进行全局性的优化。

发明内容

本发明的目的在于解决有机朗肯循环系统和换热器双层递阶优化问题，而提出一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，能够有效解决多个目标、多个参数、多个层次的非凸优化问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，其特征在于，上层优化为系统设计点热力参数优化，利用非支配排序遗传算法进行上层决策变量多目标优化；下层优化为板式换热器配置优化，上层传递的相关决策变量为下层边界条件，对于每一个上层变量值，基于插值函数技术进行下层决策变量优化；

上层优化：上层对有机朗肯循环系统设计点热力参数优化；基于标准ORC结构，其4个决策变量为：蒸发温度T_evap、过热度DT_superheat、冷凝温度T_cond、过冷度DT_supercool；2个优化目标为：系统循环热效率η_system、系统建设成本C_total；其多目标优化问题目标函数可表示为：

其优化问题约束函数可表示为：

其中T_{evap_min}、T_{evap_max}为蒸发温度上下限值，DT_{superheat_min}、DT_{superheat_max}为过热度上下限值，T_{cond_min}、T_{cond_max}为冷凝温度上下限值，DT_{supercool_min}、DT_{supercool_max}为过冷度上下限值；

下层优化：下层对有机朗肯循环系统中关键部件板式换热器(蒸发器、冷凝器)配置优化；基于标准板式换热器结构，其6个配置决策变量为：换热版之间流道数N_C，奇数流道通道总数P^I，偶数流道通道总数P^II，给水连接相对位置φ、热流入口位置Y_h；优化目标为：换热器总换热面积A_HE；其优化问题目标函数可表示为：

min A_HE＝f₃(N_C，P^I，P^II，φ，Y_h)

其优化问题约束函数可表示为：

其中N_{C_min}、N_{C_max}为换热版之间流道数范围；ΔP_hot、cold为冷热侧压降，ΔP_{hot、cold_min}、ΔP_{hot、cold_max}为冷热侧压降范围；v_hot、cold为冷热侧流速，v_{hot、cold_min}为冷热侧流速最小值；ε为换热器效率，ε_min、ε_max为换热器效率范围。

进一步的，上层优化中，系统循环热效率为电力净输出与蒸发器输入能量比值，η_system＝W_net/Q；系统建设成本为系统各个主要部件成本之和，C_total＝C_turbine+C_generator+C_pump+C_HE。其中各个部件成本均可由如下表达式计算：

其中Z为部件基本参数，对于换热器部件基本参数Z代表换热器面积由下层优化计算得出，F_p为压力修正系数，F_M为材料修正系数，B_i、K_i、C_i均为费用计算系数，CEPI为化工工厂成本指数。

进一步的，下层优化中，换热器总换热面积可由换热版之间流道数求得，A＝(B_C-1)A_plate；冷热侧压降

其中f为范宁摩擦因子，P为通道数，W为流速,L_v为换热板端口垂直距离，D_e为流道等效直径，ρ为液体密度；冷热侧流速

其中W为流速，ρ为液体密度。换热器效率ε＝ε(N_C，P^I，P^II，φ，Y_h)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：(1)优化具有层次性，在兼顾上下层不同的优化目标的前提下，两层优化过程相对独立；(2)更加有效全面权衡两个层级中多个目标存在必然矛盾；(3)多目标优化结果得到一个帕累托解集，将会包含着更多的信息。

附图说明

图1是有机朗肯循环系统结构示意图。

图2是板式换热器配置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，有机朗肯循环系统一般包括热源换热器、冷源换热器、工质泵、膨胀发电机。

如图1所示，热源换热器在系统中为蒸发器。图中热源换热器入口参数设计点1，对应设计参数有T₁、P₁；图中热源换热器出口参数设计点2，对应设计参数有T₂、P₂。

对应优化决策变量有如下关系：T₂＝T_evap+DT_superheat，P₁＝P₂。

如图1所示，冷源换热器在系统中为冷凝器。图中冷源换热器入口参数设计点3，对应设计参数有T₃、P₃；图中冷源换热器出口参数设计点4，对应设计参数有T₄、P₄。

对应优化决策变量有如下关系：T₄＝T_cond-DT_supercool，P₃＝P₄。

参见图2，换热板之间形成流道，奇数流道标注为I，偶数流道标注为II，奇数流道通道总数P^I，偶数流道通道总数P^II。给水连接相对位置φ表示第一个进入偶数流道相对第一个进入奇数流道相对位置，如图2所示，有4个可行位置。Y_h＝1热流从奇数流道I进入换热器，Y_h＝0热流从偶数流道II进入换热器。

本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，其特征在于，上层优化为系统设计点热力参数优化，利用非支配排序遗传算法进行上层决策变量多目标优化；下层优化为板式换热器配置优化，上层传递的相关决策变量为下层边界条件，对于每一个上层变量值，基于插值函数技术进行下层决策变量优化；

上层优化：上层对有机朗肯循环系统设计点热力参数优化；基于标准ORC结构，其4个决策变量为：蒸发温度T_evap、过热度DT_superheat、冷凝温度T_cond、过冷度DT_supercool；2个优化目标为：系统循环热效率η_system、系统建设成本C_total；其多目标优化问题目标函数表示为：

其优化问题约束函数可表示为：

其中T_{evap_max}、T_{evap_min}为蒸发温度上下限值，DT_{superheat_max}、DT_{superheat_min}为过热度上下限值，T_{cond_max}、T_{cond_min}为冷凝温度上下限值，DT_{supercool_max}、DT_{supercool_min}为过冷度上下限值；

下层优化：下层对有机朗肯循环系统中关键部件板式换热器配置优化；基于标准板式换热器结构，其6个配置决策变量为：换热板之间流道数N_C，奇数流道通道总数P^I，偶数流道通道总数P^II，给水连接相对位置φ、热流入口位置Y_h；优化目标为：换热器总换热面积A_HE；其优化问题目标函数表示为：

minA_HE＝f₃(N_C，P^I，P^II，φ，Y_h)

其优化问题约束函数表示为：

其中：N_{C_min}为换热板之间流道数最小值，N_{C_max}为换热板之间流道数最大值；ΔP_hot为热侧压降，ΔP_{hot_max}为热侧压降最大值，ΔP_{hot_min}为热侧压降最小值；ΔP_cold为冷侧压降，ΔP_{cold_max}为冷侧压降最大值，ΔP_{cold_min}为冷侧压降最小值；v_hot为热侧流速，v_{hot_min}为热侧流速最小值；v_cold为冷侧流速，v_{cold_min}为冷侧流速最小值；ε为换热器效率，ε_max为换热器效率最大值，ε_min为换热器效率最小值。

2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，其特征在于，上层优化中，系统循环热效率为电力净输出与蒸发器输入能量比值，η_system＝W_net/Q；系统建设成本为系统各个主要部件成本之和，C_total＝C_turbine+C_generator+C_pump+C_HE，其中C_total为系统建设成本，C_turbine为膨胀机成本，C_generator为发电机成本，C_pump为工质泵成本，C_HE为换热器成本；其中各个部件成本均由如下表达式计算：

其中：Z为部件基本参数，对于换热器部件基本参数Z代表换热器面积由下层优化计算得出，F_p为压力修正系数，F_M为材料修正系数，B₁、B₂、K₁、K₂、K₃、C₁、C₂、C₃均为费用计算系数。

3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统双层多目标优化方法，其特征在于，下层优化中，换热器总换热面积由换热板之间流道数求得，A_HE＝(N_C-1)A_plate，其中：A_HE为换热器的总换热面积，N_C为换热板之间通道数；冷侧压降

其中f为范宁摩擦因子，P为通道数，W为流速，L_v为换热板端口垂直距离，D_e为流道等效直径，ρ为液体密度；冷侧流速

换热器效率ε＝ε(N_C，P^I，P^II，φ，Y_h)。

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