CN113483314B - 一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化方法 - Google Patents

一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源与环境技术领域，公开了一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化方法，包括有机朗肯循环发电系统和烟气余热回收系统；有机朗肯循环发电系统包括生物质锅炉、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、储液器、工质泵以及风力发电机组；烟气余热回收系统包括第一级烟气回收组件、吸收式热泵、第二级烟气回收组件和热网回水。与现有技术相比，本发明风能和生物质能混合利用来实现有机朗肯循环系统中发电的环节，换热器—吸收泵用来实现烟气余热回收的环节，改进正弦余弦算法实现优化有机朗肯循环系统中蒸发器蒸发温度，提高了能源利用率和发电效率，同时能够降低系统运行成本。

Description

一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化 方法
技术领域
本发明涉及能源与环境技术领域，具体涉及一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化方法。
背景技术
在当代社会，随着科学技术的不断发展，国家的能源消耗量大，导致能源日益短缺，并且环境污染的情况也日益严重。因此，人们开始开发新的清洁能源或者可再生能源，以减少使用汽油、煤炭等化石能源。我国拥有丰富的生物质能源和风能等可再生能源，利用这些可再生能源可以缓解能源短缺以及环境污染等问题。生物质锅炉会排放大量的废气，将这些废气加以利用，则可以减少能源的浪费。同时，利用寻找最优解的算法可以为系统配置进行优化。因此，加入基于算法的有机朗肯循环发电和余热回收的系统，可以有效提高能源利用率以及降低经济成本。
有机朗肯循环优化技术方面，有提出利用生物质驱动的新型有机朗肯循环冷热电三联供系统。包括生物质锅炉循环部分以及与之相连的有机朗肯循环冷热电联供部分，能够同时实现供冷、供热以及供电。也有提出生物质气化的有机朗肯循环系统，包括气化装置和余热回收发电系统等，对气化气体降温后通过余热回收发电系统对该能量加以利用，提高了能源利用率。
上述两种方案中都存在着一些弊端，比如系统中只利用一种生物质能源来实现供电目的，导致发电效率不够稳定。而且对于上述两种方案中的系统，其系统参数配置均通过人为去选择，无法准确选择一个最优的系统运行参数，没有考虑到系统运行的成本，导致不能最大程度的降低经济成本。
因此，目前急需一种结合优化算法的新型有机朗肯循环系统，既可以提高能源利用率和发电效率的稳定性，也可以降低系统运行的经济成本。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型生物质有机朗肯循环系统及其系统蒸发温度优化方法，风能和生物质能混合利用来实现有机朗肯循环系统中发电的环节，换热器—吸收泵用来实现烟气余热回收的环节，改进正弦余弦算法实现优化有机朗肯循环系统中蒸发器蒸发温度，提高了能源利用率和发电效率，同时能够降低系统运行成本。
技术方案：本发明提供了一种新型生物质有机朗肯循环系统，包括有机朗肯循环发电系统和烟气余热回收系统；
所述有机朗肯循环发电系统包括生物质锅炉、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、储液器、工质泵以及风力发电机组，所述生物质锅炉与蒸发器连接，所述蒸发器、膨胀机和发电机依次连接，所述风力发电机组与所述发电机连接，所述膨胀机与冷凝器连接，所述冷凝器、储液器和工质泵依次连接，所述工质泵通过管道和蒸发器连接；
所述烟气余热回收系统包括第一级烟气回收组件、吸收式热泵、第二级烟气回收组件和热网回水，所述生物质锅炉还与所述第一级烟气回收组件连接，所述第一级烟气回收组件、吸收式热泵、第二级烟气回收组件和热网回水依次连接，所述热网回水输出端还与所述吸收式热泵输入端连接。
进一步地，所述风力发电机组包括风轮和齿轮变速箱，所述风轮输出端与所述齿轮变速箱连接，所述齿轮变速箱输出端与所述发电机连接。
进一步地，所述第一级烟气回收组件、第二级烟气回收组件均为水换热器。
本发明还公开一种基于上述新型生物质有机朗肯循环系统的系统蒸发温度优化方法，所述蒸发器上设置有控制系统，所述控制系统内设置有系统蒸发温度优化方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：并随机初始化种群数为S，随机位置为X，最大迭代次数为N，输入蒸发器的蒸发温度参数；
步骤2：计算每个个体的适应度值，更新最优位置，令迭代次数T＝1；
步骤3：进入主循环，更新调节因子M和自适应权重W；
步骤4：随机产生一个数值R，R的取值范围为[0,1]，若R小于交叉概率P，则进入步骤5，反之进入步骤6；
交叉概率P的关系式为：
Figure BDA0003117368990000021
步骤5：R小于P时，判断个体的适应度值F是否小于所有个体的适应度值的平均值f(x)，若F小于f(x)，进入随机交叉操作，反之进入规律交叉操作更新最优个体位置，
步骤6：随机产生预判变异概率Pos，取值范围[0，N]，判断变异概率Po是否小于预判变异概率Pos，若Po小于Pos，则进行变异操作，反之进入步骤7；
变异概率关系式为：
Figure BDA0003117368990000031
步骤7：形成下一代种群，更新最优位置；
步骤8：判断是否达到最大迭代次数N，若没有则返回步骤3，反之输出最优解，即最优蒸发温度。
优选地，所述步骤3中的调节因子M、自适应权重W关系式分别为：
Figure BDA0003117368990000032
Figure BDA0003117368990000033
其中，a为控制参数，a的取值范围为[0,1]。
优选地，所述步骤5中随机交叉操作与规律交叉操作的关系式分别为：
随机交叉关系式为：
Figure BDA0003117368990000034
规律交叉关系式为：
Figure BDA0003117368990000035
ε＝fm/(fn+fm)
其中，
Figure BDA0003117368990000036
为种群中一个个体，
Figure BDA0003117368990000037
为随机的另一个个体，fn为
Figure BDA0003117368990000038
个体的适应度值，fm为
Figure BDA0003117368990000039
个体的适应度值，μ为随机数，取值范围为[0,1]，ε为比例系数。
有益效果：
1、本发明结合风能和生物质能混合利用的有机朗肯循环发电系统，比只用一种能源发电更加可靠，提高了发电效率的稳定性。且利用换热器—吸收泵实现了对废气的余热回收，可以辅助供暖，提高了能源的利用率。
2、本发明结合改进的正弦余弦算法来优化有机朗肯循环系统中蒸发器的蒸发温度，可以保证有机工质完全蒸发，不会存在气液共存的现象，提高膨胀机的做功效率。减少损失，从而降低系统运行的经济成本。
3、本发明结合改进后的正弦余弦算法(SCA)，相比于原算法，对调节因子M非线性化，随机交叉中加入规律交叉，加快了算法的收敛速度，寻找到最优的蒸发温度，提高了发电效率稳定性，降低了系统的总体成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的优化算法流程；
图3为本发明的一次能源节约率对比图；
图4为本发明的发电效率对比图；
图5为本发明的系统总投资成本对比图。
其中，1-生物质锅炉，2-蒸发器，3-膨胀机，4-风轮，5-齿轮变速箱，6-发电机，7-冷凝器，8-储液器，9-工质泵，10-第一水换热器，11-吸收式热泵，12-第二-水换热器，13-热网回水，14-热负荷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明公开了一种新型生物质有机朗肯循环系统，结构如图1所示，包括有机朗肯循环发电系统和烟气余热回收系统。
有机朗肯循环发电系统包括生物质锅炉1、蒸发器2、膨胀机3、发电机6、冷凝器7、储液器8、工质泵9以及风力发电机组，生物质锅炉1与蒸发器2连接，生物质锅炉1作为热源，蒸发器2中的有机工质吸收获得的热能，转变成高温高压的蒸汽。蒸发器2、膨胀机3和发电机6依次连接，从蒸发器2中排出的高温高压蒸汽进入膨胀机3做功，以此来带动发电机6发电。
风力发电机组包括风轮4、齿轮变速箱5。通过风轮4将风的动能转换成机械能，再利用齿轮变速箱5将风轮4的转速提高到发电机6的额定转速，风力发电机组与发电机6连接，带动发电机6发电。
膨胀机3与冷凝器7连接，通过冷凝器7将膨胀机3排出的降压降温后的蒸汽冷凝。冷凝器7、储液器8和工质泵9依次连接，从冷凝器7流出的液态工质进入储液器8，再进入工质泵9加压。工质泵9通过管道和蒸发器2连接，通过工质泵9加压后的有机工质再次回到蒸发器2。由此完成结合风能和生物质能混合利用的有机朗肯循环发电系统的环节。
烟气余热回收系统包括第一级烟气回收组件、吸收式热泵11、第二级烟气回收组件和热网回水13，生物质锅炉1还与第一级烟气回收组件连接，第一级烟气回收组件、吸收式热泵11、第二级烟气回收组件和热网回水13依次连接，热网回水13输出端还与吸收式热泵11输入端连接。第一级烟气回收组件、第二级烟气回收组件均为水换热器，分别为第一水换热器10、第二水换热器12。
生物质锅炉1和第一水换热器10相连，生物质锅炉1产生的废气通过第一水换热器10，以此来获得高温热水。
第一水换热器10、吸收式热泵11、第二水换热器12和热网回水13依次连接。通过第一水换热器10流出的高温热水，来带动吸收式热泵11工作，热网回水13利用吸收式热泵11吸热，然后进入第二水换热器12进一步加热，从而实现供热的目的，由此完成利用换热器—吸收泵的烟气余热回收系统的环节。
本发明在使用时，首先蒸发器中的有机工质从生物质锅炉1吸收热能，变为高温高压蒸汽，然后进入膨胀机3做功，结合风力发电机组一起带动发电机6发电，从膨胀机3排出的低温低压的蒸汽进入冷凝器7变为液态工质，再进入储液器8中，随后进入工质泵9加压，重新回到蒸发器2。同时，生物质锅炉1产生的废气进入第一水换热器10转化为高温热水，带动吸收式热泵11工作，然后热网回水13从吸收式热泵11中吸热，再进入第二水换热器12进一步加热，实现辅助供热。
本发明还公开一种基于上述新型生物质有机朗肯循环系统的系统蒸发温度优化方法，在蒸发器上设置有控制系统，控制系统内设置有系统蒸发温度优化方法，该方法利用改进正弦余弦算法(SCA)对蒸发器2的蒸发温度进行优化配置。改进的正弦余弦算法(SCA)包括如下步骤：
步骤1：随机初始化种群数为S，随机位置为X，最大迭代次数为N，输入蒸发器的蒸发温度参数。
步骤2：计算每个个体的适应度值，更新最优位置，令迭代次数T＝1。
步骤3：进入主循环，基于改进更新调节因子M和自适应权重W，
调节因子M关系式为：
Figure BDA0003117368990000051
自适应权重关系式为：
Figure BDA0003117368990000052
其中，a为控制参数，a的取值范围为[0,1]。
步骤4：随机产生R的数值，R的取值范围为[0,1]，若R小于交叉概率P，则进入步骤5，反之进入步骤6；
交叉概率P的关系式为：
Figure BDA0003117368990000061
步骤5：R小于P时，判断个体适应度值F是否小于群体平均值f(x)，若F小于f(x)，进入随机交叉操作，反之进入规律交叉操作更新最优个体位置，
随机交叉关系式为：
Figure BDA0003117368990000062
规律交叉关系式为：
Figure BDA0003117368990000063
ε＝fm/(fn+fm)
其中，
Figure BDA0003117368990000065
为种群中一个个体，
Figure BDA0003117368990000066
为随机的另一个个体，fn为
Figure BDA0003117368990000067
个体的适应度值，fm为
Figure BDA0003117368990000068
个体的适应度值，μ为随机数，取值范围为[0,1]，ε为比例系数。
步骤6：随机产生预判变异概率Pos，取值范围为(0，N)，判断变异概率Po是否小于预判变异概率Pos，若Po小于Pos，则进行变异操作，反之进入步骤7；
变异概率关系式为：
Figure BDA0003117368990000064
步骤7：形成下一代种群，更新最优位置。
步骤8：判断是否达到最大迭代次数N，若没有则返回步骤3，反之输出最优解，即最优蒸发温度。
具体有益效果如图3、图4、图5所示。
图3为本发明利用改进正弦余弦算法(SCA)对蒸发器2的蒸发温度进行优化配置后的新型生物质有机朗肯循环系统与另外两种能源系统一次能源节约率比较，两种能源系统分别为有机朗肯循环系统和生物质有机朗肯循环系统，由图3可知，本发明一次能源节约率大于有机朗肯循环系统和生物质有机朗肯循环系统。
图4为本发明利用改进正弦余弦算法(SCA)对蒸发器2的蒸发温度进行优化配置后的新型生物质有机朗肯循环系统与两种能源系统发电效率比较，两种能源系统分别为传统的有机朗肯循环系统和生物质有机朗肯循环系统，由图4可知，本发明使用的新型生物质有机朗肯循环系统，风能和生物质能相结合，提高了发电效率。
图5为本发明利用改进正弦余弦算法(SCA)对蒸发器2的蒸发温度进行优化配置后的新型生物质有机朗肯循环系统与两种能源系统总投资成本比较，两种能源系统分别为传统的有机朗肯循环系统和生物质有机朗肯循环系统，由图5可知，本发明的总投资成本小于传统的有机朗肯循环系统和生物质有机朗肯循环系统。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型生物质有机朗肯循环系统的系统蒸发温度优化方法，其特征在于，所述新型生物质有机朗肯循环系统包括有机朗肯循环发电系统和烟气余热回收系统；
所述有机朗肯循环发电系统包括生物质锅炉(1)、蒸发器(2)、膨胀机(3)、发电机(6)、冷凝器(7)、储液器(8)、工质泵(9)以及风力发电机组，所述生物质锅炉(1)与蒸发器(2)连接，所述蒸发器(2)、膨胀机(3)和发电机(6)依次连接，所述风力发电机组与所述发电机(6)连接，所述膨胀机(3)与冷凝器(7)连接，所述冷凝器(7)、储液器(8)和工质泵(9)依次连接，所述工质泵(9)通过管道和蒸发器(2)连接；
所述烟气余热回收系统包括第一级烟气回收组件、吸收式热泵(11)、第二级烟气回收组件和热网回水(13)，所述生物质锅炉(1)还与所述第一级烟气回收组件连接，所述第一级烟气回收组件、吸收式热泵(11)、第二级烟气回收组件和热网回水(13)依次连接，所述热网回水(13)输出端还与所述吸收式热泵(11)输入端连接；
所述蒸发器(2)上设置有控制系统，所述控制系统内设置有系统蒸发温度优化方法，该方法具体包括如下步骤：
步骤1：并随机初始化种群数为S，随机位置为X，最大迭代次数为N，输入蒸发器的蒸发温度参数；
步骤2：计算每个个体的适应度值，更新最优位置，令迭代次数T＝1；
步骤3：进入主循环，更新调节因子M和自适应权重W；
调节因子M、自适应权重W关系式分别为：
Figure FDA0003857965390000011
Figure FDA0003857965390000012
其中，a为控制参数，a的取值范围为[0,1]；
步骤4：随机产生一个数值R，R的取值范围为[0,1]，若R小于交叉概率P，则进入步骤5，反之进入步骤6；
交叉概率P的关系式为：
Figure FDA0003857965390000013
步骤5：R小于P时，判断个体的适应度值F是否小于所有个体的适应度值的平均值f(x)，若F小于f(x)，进入随机交叉操作，反之进入规律交叉操作更新最优个体位置；随机交叉操作与规律交叉操作的关系式分别为：
随机交叉关系式为：
Figure FDA0003857965390000021
规律交叉关系式为：
Figure FDA0003857965390000022
ε＝fm/(fn+fm)
其中，
Figure FDA0003857965390000023
为种群中一个个体，
Figure FDA0003857965390000024
为随机的另一个个体，fn为
Figure FDA0003857965390000025
个体的适应度值，fm为
Figure FDA0003857965390000026
个体的适应度值，μ为随机数，取值范围为[0,1]，ε为比例系数；
步骤6：随机产生预判变异概率Pos，取值范围[0，N]，判断变异概率Po是否小于预判变异概率Pos，若Po小于Pos，则进行变异操作，反之进入步骤7；
变异概率关系式为：
Figure FDA0003857965390000027
步骤7：形成下一代种群，更新最优位置；
步骤8：判断是否达到最大迭代次数N，若没有则返回步骤3，反之输出最优解，即最优蒸发温度。
2.根据权利要求1所述的新型生物质有机朗肯循环系统的系统蒸发温度优化方法，其特征在于，所述风力发电机组包括风轮(4)和齿轮变速箱(5)，所述风轮(4)输出端与所述齿轮变速箱(5)连接，所述齿轮变速箱(5)输出端与所述发电机(6)连接。
3.根据权利要求1所述的新型生物质有机朗肯循环系统的系统蒸发温度优化方法，其特征在于，所述第一级烟气回收组件、第二级烟气回收组件均为水换热器。
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