CN112855297A - 一种热源分流式余热发电系统及其优化控制方法 - Google Patents

一种热源分流式余热发电系统及其优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热源分流式余热发电系统及其优化控制方法，热源分流式余热发电系统包括蒸发器和预热器，蒸发器与膨胀机连接，预热器与工质泵连接，工质泵与冷凝器连接，膨胀机与冷凝器连接，冷凝器与冷水泵连接，冷水泵与冷水管连接；其优化控制方法包括：基于Matlab的遗传算法设置变量的变化区间、对变化区间内的种群个体进行编码、利用遗传算法得到最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'、优化工艺热水支管和蒸发器内的流量。本发明根据余热发电循环过程中净输出功最大的运行优化目标，确定两个分流单元的分流比，再调整四个阀门的阀位流量，从而达到最佳的工况运行。

Description

一种热源分流式余热发电系统及其优化控制方法
技术领域
本发明涉及余热发电技术领域，具体涉及一种热源分流式余热发电系统及其优化控制方法。
背景技术
有机朗肯循环(ORC)是一种化工工业上利用余热进行发电的技术。在有机朗肯循环系统设计和设备选型结束后，由于外界环境和一些运行条件的不确定性，往往实际运行工况会和设计工况有所差别，主要体现在冷源和热源的变化的情况下实际运行时很难获得最大净输出功。而且现有的研究并未从理论和优化算法上对有机朗肯循环(ORC)的实际运行进行仿真和优化。因此本发明提出了一种热源分流余热发电系统，以遗传算法作为优化控制方法，采用遗传算法优化非设计工况下热源分流余热发电系统的独立变量，以得到最佳控制独立变量条件下运行的最大净输出功率。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种随着工艺热水条件和室外气象条件的变化，相应调节蒸发器和预热器的换热量，以实现余热发电系统的最大净输出功的热源分流式余热发电系统及其优化控制方法
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种热源分流式余热发电系统，其包括蒸发器和预热器，蒸发器的热端进口与工艺热水的进水管连接，蒸发器的热端出口与预热器的热端进口连接；预热器的热端出口与工艺热水的出水管连接；蒸发器的冷端进口与预热器的冷端出口连接，蒸发器的冷端出口与膨胀机连接，预热器冷端进口与工质泵出口连接，冷凝器热端出口与工质泵入口连接；膨胀机与冷凝器的热端进口连接，冷凝器的冷端进口与冷水泵连接，冷水泵与冷水管连接；冷凝器的冷端出口与出水管连接；
蒸发器的热端进口与预热器的热端出口之间设置有工艺热水支管，工艺热水支管的一端与工艺热水的进水管连接，另一端与工艺热水的出水管连接，蒸发器的热端进口上设置有阀门A，工艺热水支管上设置有阀门B，阀门B和阀门A均与控制柜电连接，膨胀机与发电机连接。
进一步地，蒸发器的热端出口与预热器的热端进口之间设置有阀门D，阀门D与蒸发器的热端出口之间设置有双向阀门C，双向阀门C与工艺热水支管连接，阀门D和双向阀门C与控制柜电连接。
提供一种热源分流式余热发电系统的优化控制方法，其包括以下步骤：
S1：基于Matlab的遗传算法工具箱GATBX，设置工具箱GATBX的参数，规定变量的变化区间，变量包括工艺热水的蒸发温度tevap、一次分流比rsp1和二次分流比rsp2；
S2：对变化区间内的种群个体进行编码；
S3：以净输出功的计算函数Wnet＝f(tevap，rsp1，rsp2)作为目标函数，计算种群中每个个体的适应度，计算的净输出功越大，分配的适应度越高；
S4：根据适应度选择参与繁衍的个体，选出适应度最高的个体，淘汰适应度最低的个体；
S5：对被选出的个体进行遗传，得到新一代种群，并对新一代种群进行解码；
S6：判定新一代种群中的个体是否继续进行遗传，若是，则返回步骤S2，将新一代种群中的个体作为新的变化区间内的种群个体；
S7：否则，找出新一代种群中适应度最高的个体作为解，输出该解对应的最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'；
S8：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'优化工艺热水支管和蒸发器内的流量，使热源分流式余热发电系统输出最大的净输出功Wnet。
进一步地，步骤S8包括：
S81：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'计算工质泵频率和工艺热水支管的流量，调整蒸发器的蒸发压力使蒸发温度达到最优蒸发温度tevap'；
S82：计算此时工艺热水的一次分流比rsp1；若rsp1＞0，则调整阀门A和阀门B的流量，满足
Figure BDA0002900668860000031
mhwB为工艺热水流经阀门B的流量，mhw为工艺热水的总流量；否则，关闭阀门B；
S83：执行步骤S82后，计算工艺热水的二次分流比rsp2；若rsp2＞0，则调整双向阀门C的方向，打开从蒸发器热端出口流出的工艺热水流向工艺热水支管的通道，并控制双向阀门C的流量，满足
Figure BDA0002900668860000033
mhwA为工艺热水流经阀门A的流量；
S84：否则，则调整双向阀门C的方向，打开阀门B流出的工艺热水流向阀门D的通道，并控制双向阀门C的流量满足
Figure BDA0002900668860000032
进一步地，工具箱GATBX的参数为：种群个数、种群最大代数、突变率和交叉率。
本发明的有益效果为：本发明可实现在不同的冷水和热水条件下高效利用工艺热水热量，实现热源发电。预热器中过冷的有机工质吸收工艺热水的热量，变为有机饱和液体，蒸发器中的有机工质吸收工艺热水的热量，变为有机饱和蒸汽，高温高压的有机蒸汽推动膨胀机做功发电，同时变为低温低压的有机乏汽，有机乏汽在冷凝器中被冷凝为有机凝液，有机凝液被工质泵送至预热器持续吸收工艺热水的热量，冷水通过冷水泵送入冷凝器对有机工质进行持续降温。阀门A和阀门B组成一次分流单元，在工艺热水进入蒸发器前进行热水分流，进行一次热量分配；双向阀门C和阀门D组成二次分流单元，在预热器前进行二次热水分流，对进入预热器的热水进行二次分配。控制单元用于控制各分流单元阀门的阀位，同时控制工质泵的泵速以调整蒸发温度。
本发明的优化控制方法根据余热发电循环过程中净输出功最大的运行优化目标，确定两个分流单元的分流比，再调整四个阀门的阀位流量，从而达到最佳的工况运行。
附图说明
图1为热源分流式余热发电系统的原理图。
图2为工况1进行遗传算法优化的进化过程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的热源分流式余热发电系统包括蒸发器和预热器，蒸发器的热端进口与工艺热水进水管连接，蒸发器的热端出口与预热器的热端进口连接；预热器的热端出口与工艺热水出水管连接；蒸发器的冷端进口与预热器的冷端出口连接，蒸发器的冷端出口与膨胀机连接，预热器的冷端进口与冷凝器的热端出口连接，膨胀机与冷凝器的热端进口连接，冷凝器的冷端进口与冷水泵连接，冷水泵与冷水管连接；冷凝器的冷端出口与出水管连接；蒸发器的热端进口与预热器的热端出口之间设置有工艺热水支管，蒸发器的热端进口上设置有阀门A，工艺热水支管上设置有阀门B，阀门B和阀门A均与控制柜电连接，膨胀机与发电机连接。
预热器的冷端进口与冷凝器的热端出口之间设置有工质泵，工质泵与控制柜电连接。蒸发器的热端出口与预热器的热端进口之间设置有阀门D，阀门D与蒸发器的热端出口之间设置有双向阀门C，双向阀门C与工艺热水支管连接，阀门D和双向阀门C与控制柜电连接。
本发明可实现在不同的冷水和热水条件下高效利用工艺热水热量，实现热源发电。预热器中过冷的有机工质吸收工艺热水的热量，变为有机饱和液体，蒸发器中的有机工质吸收工艺热水的热量，变为有机饱和蒸汽，高温高压的有机蒸汽推动膨胀机做功发电，同时变为低温低压的有机乏汽，有机乏汽在冷凝器中被冷凝为有机凝液，有机凝液被工质泵送至预热器持续吸收工艺热水的热量，冷水通过冷水泵送入冷凝器对有机工质进行持续降温。阀门A和阀门B组成一次分流单元，在工艺热水进入蒸发器前进行热水分流，进行一次热量分配；双向阀门C和阀门D组成二次分流单元，在预热器前进行二次热水分流，对进入预热器的热水进行二次分配。控制单元用于控制各分流单元阀门的阀位，同时控制工质泵的泵速以调整蒸发温度。
上述热源分流式余热发电系统的优化控制方法包括以下步骤：
S1：基于Matlab的遗传算法工具箱GATBX，设置工具箱GATBX的参数，规定变量的变化区间，变量包括工艺热水的蒸发温度tevap、一次分流比rsp1和二次分流比rsp2；工具箱GATBX的参数为：种群个数、种群最大代数、突变率和交叉率；
一次分流比
Figure BDA0002900668860000061
一次分流比通过改变阀门A和阀门B的阀位进行控制，mhwB为工艺热水流经阀门B的流量，mhw为工艺热水的总流量。
在蒸发器的热端出口进行二次分流，如果预热器需要的换热量小于工艺热水所给的换热量，则双向阀门C控制热水向工艺热水支管流，蒸发器热端出口处的热水一部分分流，不与预热器进行换热；如果预热器需要的换热量大于热水所给的换热量，则双向阀门C控制工艺热水支管内的热水流向阀门D，一次分流不进行蒸发器换热的热水进行分流，与蒸发器热端出口的热水混合为流入预热器，给预热器提供热量。
如果二次分流双向阀门C控制热水流向工艺热水支管流，定义二次分流比范围1>rsp2≥0，
Figure BDA0002900668860000062
如果双向阀门C控制工艺热水支管内的热水流向阀门D，定义二次分流比范围rsp2<0，
Figure BDA0002900668860000063
S2：对变化区间内的种群个体进行编码；
S3：以净输出功的计算函数Wnet＝f(tevap，rsp1，rsp2)作为目标函数，计算种群中每个个体的适应度，计算的净输出功越大，分配的适应度越高，净输出功的计算函数可以看做是蒸发温度tevap、一次分流比rsp1和二次分流比rsp2的函数；
S4：根据适应度选择参与繁衍的个体，选出适应度最高的个体，淘汰适应度最低的个体；
S5：对被选出的个体进行遗传，得到新一代种群，并对新一代种群进行解码；
S6：判定新一代种群中的个体是否继续进行遗传，若是，则返回步骤S2，将新一代种群中的个体作为新的变化区间内的种群个体；
S7：否则，找出新一代种群中适应度最高的个体作为解，输出该解对应的最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'；
S8：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'优化工艺热水支管和蒸发器内的流量，使热源分流式余热发电系统输出最大的净输出功Wnet。
步骤S8具体包括：
S81：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'计算工质泵频率和工艺热水支管的流量，调整蒸发器的蒸发压力使蒸发温度达到最优蒸发温度tevap'；
S82：计算此时工艺热水的一次分流比rsp1；若rsp1＞0，则调整阀门A和阀门B的流量，满足
Figure BDA0002900668860000071
mhwB为工艺热水流经阀门B的流量，mhw为工艺热水的总流量；否则，关闭阀门B；
S83：执行步骤S82后，计算工艺热水的二次分流比rsp2；若rsp2＞0，则调整双向阀门C的方向，使从蒸发器热端出口流出的工艺热水流向工艺热水支管，并控制双向阀门C的流量，满足
Figure BDA0002900668860000072
mhwA为工艺热水流经阀门A的流量；
S84：否则，则调整双向阀门C的方向，使阀门B流出的工艺热水流向阀门D，并控制双向阀门C的流量满足
Figure BDA0002900668860000081
本发明的优化控制方法根据余热发电循环过程中净输出功最大的运行优化目标，确定两个分流单元的分流比，再调整四个阀门的阀位流量，从而达到最佳的工况运行。
设计6种热源分流式余热发电系统的运行工况：
工况1：工艺热水温度为：105℃，工艺热水流量为：1167t/h，冷水入口温度为：20℃；
工况2：工艺热水温度为：120℃，工艺热水流量为：1167t/h，冷水入口温度为：20℃；
工况3：工艺热水温度为：100℃，工艺热水流量为：1080t/h，冷水入口温度为：20℃；
工况4：工艺热水温度为：100℃，工艺热水流量为：1224t/h，冷水入口温度为：20℃；
工况5：工艺热水温度为：100℃，工艺热水流量为：1167t/h，冷水入口温度为：18℃；
工况6：工艺热水温度为：100℃，工艺热水流量为：1167t/h，冷水入口温度为：22℃。
将上述6种非设计工况与设计工况进行净输出功的优化。
以工况1为例进行遗传算法优化，遗传算法运行参数设置为：种群个数(规模)设置为100，种群最大代数为50代，突变率为0.01，交叉率为0.7。变量范围一次分流比为0～1，二次分流比为-1～1，蒸发温度为65℃～80℃。进化过程如图2所示，从图中可以看到，随着遗传代数增大三个独立变量逐渐向一个很小的范围收敛。在此结果之下，再缩小独立变量的计算范围可以获得更加精确的结果。在运行参数的设置中，增大种群数量和增加遗传代数都可以获得更精确的结果。
通过上述方法，得到6个工况优化结果下表所示。
工况优化结果
Figure BDA0002900668860000091
通过优化计算后得到净输出功工况3和工况5由于与设计工况非常接近，因此没有进行分流，但是优化了蒸发温度，净输出功提升不明显。其余工况经过优化后净输出功均有明显提升，明显体现出热源温度大幅变化和流量大幅变化时对系统得到净输出功的优势。
因此，此方法可以在设计工况冷热源改变时计算最佳的蒸发温度，可以在设计工况冷热源大幅度改变时优化蒸发温度，一次分流比和二次分流比。控制箱通过控制工质泵改变转速进行调整蒸发温度；通过分流比计算各支路流量，进而控制阀门进行相应的调整。
以工况1为例：
阀门A支路流量应调整为：0.031×1167＝36.177t/h；
阀门B干路流量应调整为：1167-36.177＝1130.823t/h；
阀门C的方向为阀门B向阀门D流，流量为36.177t/h；
阀门D干路流量为：1167t/h。

Claims (5)

1.一种热源分流式余热发电系统，其特征在于，包括蒸发器和预热器，所述蒸发器的热端进口与工艺热水的进水管连接，所述蒸发器的热端出口与预热器的热端进口连接；所述预热器的热端出口与工艺热水的出水管连接；所述蒸发器的冷端进口与预热器的冷端出口连接，所述蒸发器的冷端出口与膨胀机连接，所述预热器冷端进口与工质泵出口连接，所述冷凝器热端出口与工质泵入口连接；所述膨胀机与冷凝器的热端进口连接，所述冷凝器的冷端进口与冷水泵连接，所述冷水泵与冷水管连接；所述冷凝器的冷端出口与出水管连接；
所述蒸发器的热端进口与预热器的热端出口之间设置有工艺热水支管，所述工艺热水支管的一端与工艺热水的进水管连接，另一端与工艺热水的出水管连接，所述蒸发器的热端进口上设置有阀门A，所述工艺热水支管上设置有阀门B，所述阀门B和阀门A均与控制柜电连接，所述膨胀机与发电机连接。
2.根据权利要求1所述的热源分流式余热发电系统，其特征在于，所述蒸发器的热端出口与预热器的热端进口之间设置有阀门D，所述阀门D与蒸发器的热端出口之间设置有双向阀门C，所述双向阀门C与工艺热水支管连接，所述阀门D和双向阀门C与控制柜电连接。
3.一种权利要求1-2任一项所述的热源分流式余热发电系统的优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于Matlab的遗传算法工具箱GATBX，设置工具箱GATBX的参数，规定变量的变化区间，变量包括工艺热水的蒸发温度tevap、一次分流比rsp1和二次分流比rsp2；
S2：对变化区间内的种群个体进行编码；
S3：以净输出功的计算函数Wnet＝f(tevap，rsp1，rsp2)作为目标函数，计算种群中每个个体的适应度，计算的净输出功越大，分配的适应度越高；
S4：根据适应度选择参与繁衍的个体，选出适应度最高的个体，淘汰适应度最低的个体；
S5：对被选出的个体进行遗传，得到新一代种群，并对新一代种群进行解码；
S6：判定新一代种群中的个体是否继续进行遗传，若是，则返回步骤S2，将新一代种群中的个体作为新的变化区间内的种群个体；
S7：否则，找出新一代种群中适应度最高的个体作为解，输出该解对应的最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'；
S8：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'优化工艺热水支管和蒸发器内的流量，使热源分流式余热发电系统输出最大的净输出功Wnet。
4.根据权利要求3所述的热源分流式余热发电系统的优化控制方法，其特征在于，所述步骤S8包括：
S81：根据最优蒸发温度tevap'、最优一次分流比rsp1'、最优二次分流比rsp2'和最大净输出功Wnet'计算工质泵频率和工艺热水支管的流量，调整蒸发器的蒸发压力使蒸发温度达到最优蒸发温度tevap'；
S82：计算此时工艺热水的一次分流比rsp1；若rsp1＞0，则调整阀门A和阀门B的流量，满足
Figure FDA0002900668850000021
mhwB为工艺热水流经阀门B的流量，mhw为工艺热水的总流量；否则，关闭阀门B；
S83：执行步骤S82后，计算工艺热水的二次分流比rsp2；若rsp2＞0，则调整双向阀门C的方向，打开从蒸发器热端出口流出的工艺热水流向工艺热水支管的通道，并控制双向阀门C的流量，满足
Figure FDA0002900668850000031
mhwA为工艺热水流经阀门A的流量；
S84：否则，则调整双向阀门C的方向，打开阀门B流出的工艺热水流向阀门D的通道，并控制双向阀门C的流量满足
Figure FDA0002900668850000032
5.根据权利要求3所述的热源分流式余热发电系统的优化控制方法，其特征在于，所述工具箱GATBX的参数为：种群个数、种群最大代数、突变率和交叉率。
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