CN116465215B - 一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，包括竖窑高温废气输入模块、高温废气回收模块以及控制调节模块；高温废气回收模块包括制热模块、有机朗肯循环模块和锂电池储存模块；利用高温废气回收模块回收竖窑内的高温废气，对该部分废气进行回收利用、热量进行转换，并对竖窑进行反向供电。利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子值，并得到精度指标最小情况下的余热锅炉输出功率、使用时间，通过控制调节模块调节余热锅炉输出功率与使用时间。与现有技术相比，本发明将有机朗肯循环系统应用到竖窑的废气回收利用中，在调节竖窑降温程度的同时，还能实现对于高温废气的回收利用，并发电反向供于竖窑，实现多功能目标。

Description

一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统

技术领域

本发明属于能源多级回收利用领域，尤其涉及一种结合有机朗肯循环的多功能竖窑废气降温循环利用调节系统。

背景技术

随着社会进步和科学技术的不断发展，生活生产中所需要的能源消耗也逐渐增大，当前人类能源主要使用的还是石油、天然气、煤矿等不可再生资源，持续性消耗并非长久之计，且资源使用过程中造成了较高的环境负担。因此，利用可再生的生物质资源或者太阳能、风能等清洁自然资源成了能源行业发展的必然趋势。生物质锅炉的工作过程会产生大量的废气，废气中包含大量的热能未能被充分利用便排出，在浪费了资源的同时也有害于环境。所以需要一种方法，对工业废气热能进行回收利用，保护环境的同时提高能源的利用率。

随着我国工业化的迅猛发展，各式石灰竖窑在各行各业中普遍应用。在生产管理和运行中，窑炉系统的顺行性、达产达效性、机械化和自动化程度、节能环保指标等存在诸多待解课题。尤其是在国家控制环境污染、节能降耗的大背景下，烧固体燃料的机械化立窑和气烧活性石灰窑是各企业面临的选择。与气烧活性石灰窑相比，虽然机械化立窑煅烧产品活性低，不能很好满足炼钢和炼铁的要求，但其具有投资小、见效快、能耗低等优点，而且石灰窑烧结用灰占比很大，所以机械化立窑是用户的首选，应用市场非常广阔。本发明旨在发明一种结合有机朗肯循环的多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，进行余热回收，提高能源的利用率，确保竖窑在最佳的温度条件下运作。

发明内容

发明目的：针对背景技术中指出的问题，本发明提供了一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，在调节竖窑降温程度的同时，还能实现对于高温废气的回收利用，并进行发电，反向供于竖窑，实现多功能目标。

技术方案：本发明公开一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，包括竖窑高温废气输入模块、高温废气回收模块以及控制调节模块；所述高温废气回收模块包括制热模块、有机朗肯循环模块和锂电池储存模块；

所述制热模块包括余热锅炉、换热器、工质泵、热网回水，所述余热锅炉收集竖窑高温废气输入模块的高温废气后经过第一个换热器将废气的部分热量传递给冷气体，在一个大的密闭容器内充入高温烟气，由于管道内高温烟气和容器内冷热空气的温度差，形成热交换，通过工质泵加压后将高温烟气转化为热水，从第二个换热器中输出，再通过热网回水带动工质泵工作，由此完成制热，将热负荷输出给用户；

所述有机朗肯循环模块包括蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液器以及工质泵，蒸发器输入端与所述余热锅炉输出端连接，所述蒸发器利用所提供的竖窑高温废气向膨胀机输出的蒸汽，带动发电机发电并将电能存储在锂电池储存模块中；通过冷凝器将膨胀机排出的降压降温后的蒸汽冷凝，从冷凝器流出的液态工质进入储液器，再进入工质泵加压；所述工质泵和蒸发器相连，通过工质泵加压后的有机工质再次回到蒸发器；

所述锂电池储存模块采用锂电池，将多余电力储存到锂电池中；

所述控制调节模块将竖窑最适温度、竖窑当前温度、余热锅炉当前输出功率以及余热锅炉使用时间作为输入，利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子的值，并得到精度指标最小情况下的余热锅炉输出功率、使用时间，进一步通过控制调节模块调节所述余热锅炉输出功率与使用时间；所述精度指标目标函数为：

minE²＝(C_N-C_T)²

其中，E²表示最小精度指标，C_N表示竖窑最适温度，C_T表示竖窑降温后温度，C表示竖窑当前温度，表示温度转化因子，P_C表示设备当前输出功率，T表示设备使用时间。

进一步地，利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子的值，对温度转化因子进行寻优，算法中不断更新的蝗虫位置就是指的温度转化因子的值；具体步骤为：

蝗虫的生命周期包括两个阶段：幼年和成年；若幼虫期的特征是小步和缓慢的动作，那成年阶段的特征则是远距离且突然的运动；幼虫和成虫的运动构成了GOA的集约化和多样化，蝗虫成群结队的行为在数学上遵循：

P_i＝S_i+G_i+A_i (1)

P_i表示第i只蝗虫的位置，S_i是其中G_i表示第i只蝗虫受到的重力，A_i表示第i只蝗虫受到的风平流。为了得到蝗虫的随机行为，式(1)可以重写如下：

P_i＝r₁S_i+r₂G_i+r₃A_i (2)

其中，r₁,r₂和r₃是[0,1]范围内的随机数；

社会互动S_i定义如下:

式中，N为蝗虫数量，d_ij＝|P_j-P_i|定义了第i阶和第j阶之间的欧氏蝗虫距离,单位向量是从第i到第j个蝗虫，s代表社会力量列出以下等式：

f和l是吸引强度和吸引长度；蝗虫之间的互动可以定义为吸引和排斥，这之前的距离被认为在[0,15]内，吸引力在[2.079,4]的区间内逐渐减小，斥力发生在[0,2.079]的范围内，当两个蝗虫之间的距离正好是2.079，两者都没有排斥或吸引(没有力)，这个区域叫做舒适区；

重力Gi由下式给出：

其中g表示引力常数，表示向地心的单位矢量；

Ai风平流由下式给出:

其中，u表示漂移常数，是单位向量即风的方向；

将S,G,A的值替换后，如下所式可得:

由于蝗虫很快就会到达舒适区，而蜂群系统并没有聚集到目标位置，该方程的增强版本如下：

其中，ub_d和lb_d分别表示第d维的上界和下界，表示最佳解可在d维空间中找到；注意s类似于方程1中的S分量，G等于零，A总是趋向于最佳解/>参数c用于根据迭代次数相应减小蝗虫之间的排斥区、吸引区和舒适区；考虑c作为单个参数，并使用以下方式表示：

其中，c_max和c_min代表c的最大值和最小值，t为当前迭代，t_max为迭代的最大次数；

蝗虫的位置是根据它的当前位置、全球最佳位置和位置蜂群中的其他蝗虫来更新；

迭代寻优，直到满足最大迭代次数时，输出最优温度转化因子的值。

有益效果：

本发明采用的算法具有较高的搜索效率和较快的收敛速度，且算法本身特殊的自适应机制能够很好地平衡全局和局部搜索过程，具有较好的寻优精度；以优化竖窑工作温度为目标，并且通过控制余热锅炉功率进行温度调控，保证竖窑在最适温度下运行工作，提高系统的能源利用率；通过换热器-吸收泵实现了废气的余热回收，辅助降温提高能源利用率。

本发明将有机朗肯循环系统应用到竖窑的废气回收利用方面，在调节竖窑降温程度的同时，还能实现对于高温废气的回收利用，并进行发电，反向供于竖窑，实现多功能目标。其次，该调节器属于环境友好型，能够回收竖窑中的排放废气，减少环境污染。并且该调节器本身排放也很少，为绿色能源设备，并对外进行电力供应，可以与竖窑进行配套使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明余热回收效率优化算法流程图；

图3为温度优化前后的竖窑温度变化比较图；

图4为锂电池充放电情况柱状图；

图5为算法优化前后制热量、制冷量占回收热量百分比的比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，结合有机朗肯循环系统，包括竖窑高温废气输入模块、高温废气回收模块以及控制调节模块；高温废气回收模块包括制热模块、有机朗肯循环模块和锂电池储存模块。制热模块将竖窑高温废气中未被利用的废气经处理转为生活热水输出给用户，有机朗肯循环模块输出冷冻水到空调或其他需冷负荷场所，最后可将多余电力储存到锂电池储存模块中。

制热模块包括余热锅炉1、换热器5、工质泵6、热网回水7，所述余热锅炉1收集竖窑高温废气输入模块的高温废气后经过第一个换热器5将废气的部分热量传递给冷气体，在一个大的密闭容器内充入高温烟气，由于管道内高温烟气和容器内冷热空气的温度差，形成热交换，通过工质泵10加压后将高温烟气转化为热水，从第二个换热器5中输出，再通过热网回水7带动工质泵10工作，由此完成制热，将热负荷输出给用户。

有机朗肯循环模块包括蒸发器2、膨胀机3、冷凝器8、储液器9以及工质泵6，蒸发器2输入端与余热锅炉1输出端连接，膨胀机3压缩气体膨胀降压，向外输出机械功使气体温度降低，通过发电机4发电并将电能存储在锂电池储存模块中。通过冷凝器8将膨胀机3排出的降压降温后的蒸汽冷凝，从冷凝器8流出的液态工质进入储液器9，再进入工质泵6加压；工质泵6和蒸发器2相连，通过工质泵6加压后的有机工质再次回到蒸发器2。

锂电池储存模块采用锂电池10，将多余电力储存到锂电池10中。

竖窑内产生的高温废气输入到余热锅炉1后，进行发电为系统提供初始动力，同时电网进行补充，多余的电负荷可以在锂电池10中储存，必要时进行发电或者回馈电网。余热锅炉1和工质泵6回收的余热，通过换热器5进行回收利用，可变成生活热水，输出给用户。

上述多功能竖窑废气降温循环利用调节系统的竖窑高温废气回收利用方法，包括以下步骤：

控制调节模块将竖窑最适温度、竖窑当前温度、余热锅炉1当前输出功率以及余热锅炉1使用时间作为输入，利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子的值，并得到精度指标最小情况下的余热锅炉1输出功率、使用时间，进一步通过控制调节模块调节余热锅炉1输出功率与使用时间。

建立竖窑降温精度的目标函数，通过竖窑内部前后变化温差之比，来实现调控温度的合理性，一般将该变化范围控制在40-50％左右的降温区间较为符合现场需求；所述精度指标目标函数为：

minE²＝(C_N-C_T)²

其中，E²表示最小精度指标，C_N表示竖窑最适温度，C_T表示竖窑降温后温度，C表示竖窑当前温度，表示温度转化因子，P_C表示设备当前输出功率，T表示设备使用时间。

对竖窑降温精度优化过程包括以下步骤：

蝗虫优化算法模仿了蝗虫的自然觅食和群集行为。蝗虫是一种著名的危险害虫，会影响和破坏作物生产和农业栽培。它们的生命周期包括两个阶段：幼年和成年。若幼虫期的特征是小步和缓慢的动作，那成年阶段的特征则是远距离且突然的运动。幼虫和成虫的运动构成了GOA的集约化和多样化。蝗虫成群结队的行为在数学上遵循:

P_i＝S_i+G_i+A_i (1)

P_i表示第i只蝗虫的位置，S_i是其中G_i表示第i只蝗虫受到的重力，A_i表示第i只蝗虫受到的风平流。为了得到蝗虫的随机行为，式1可以重写如下:

P_i＝r₁S_i+r₂G_i+r₃A_i (2)

其中r₁,r₂和r₃是[0,1]范围内的随机数。

社会互动S_i定义如下:

式中，N为蝗虫数量，d_ij＝|P_j-P_i|定义了第i阶和第j阶之间的欧氏蝗虫距离,单位向量是从第i到第j个蝗虫，s代表社会力量列出以下等式：

f和l是吸引强度和吸引长度。蝗虫之间的互动可以定义为吸引和排斥。这之前的距离被认为在[0,15]内。吸引力在[2.079,4]的区间内逐渐减小，斥力发生在[0,2.079]的范围内。当两个蝗虫之间的距离正好是2.079，两者都没有排斥或吸引(没有力)，这个区域叫做舒适区。

重力Gi由下式给出：

其中g表示引力常数，表示向地心的单位矢量。

Ai风平流由下式给出：

其中u表示漂移常数，是单位向量即风的方向。

将S,G,A的值替换后，如下所式可得:

上式不能直接用来求解优化问题。由于蝗虫很快就会到达舒适区，而蜂群系统并没有聚集到目标位置。该方程的增强版本如下：

其中，ubd和lbd分别表示第d维的上界和下界。表示最佳解可在d维空间中找到。注意S类似于方程1中的S分量，G等于零，A总是趋向于最佳解/>参数c类似于PSO中的惯性权重ω，BA中的响度A0,GWO中的/>它被用来减少蝗虫在目标(食物)周围的移动。因此，它很好的平衡了集约化和多样化。参数c用于根据迭代次数相应减小蝗虫之间的排斥区、吸引区和舒适区。考虑c作为单个参数，并使用以下方式表示:

其中c_max和c_min代表c的最大值和最小值，t为当前迭代，t_max为迭代的最大次数。

蝗虫的位置是根据它的当前位置，全球最佳位置和位置蜂群中的其他蝗虫来更新。这有助于避免GOA陷入局部最优状态。

如图3所示，温度调控前曲线变化比较陡峭，而且降的可能太低甚至未到200度。温控调控后，温度变化平缓，且在200读左右波动，更加稳定。

如图4所示，锂电池向竖窑供电系统，正半轴表示放电，负半轴表示充电，电量一直在400kw上下波动。

如图5所示，算法优化前制热量、制冷量占回收热量的百分比很低，废气利用率很低，排放多污染环境，优化后制热量、制冷量占回收热量的百分比接近50％，废气利用率大大提高。

综上所述，本发明的有机朗肯循环发电系统对废气的回收效率和能源的总利用率，相较于传统的发电系统均具有明显的提高，相对更节约成本且具备更好的环保效应，减少了能源浪费。

Claims (2)

1.一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，其特征在于，包括竖窑高温废气输入模块、高温废气回收模块以及控制调节模块；所述高温废气回收模块包括制热模块、有机朗肯循环模块和锂电池储存模块；

所述制热模块包括余热锅炉(1)、换热器(5)、工质泵(6)、热网回水(7)，所述余热锅炉(1)收集竖窑高温废气输入模块的高温废气后经过第一个换热器(5)将废气的部分热量传递给冷气体，在一个大的密闭容器内充入高温烟气，由于管道内高温烟气和容器内冷热空气的温度差，形成热交换，通过工质泵(6)加压后将高温烟气转化为热水，从第二个换热器(5)中输出，再通过热网回水(7)带动工质泵(6)工作，由此完成制热，将热负荷输出给用户；

所述有机朗肯循环模块包括蒸发器(2)、膨胀机(3)、冷凝器(8)、储液器(9)以及工质泵(6)，蒸发器(2)输入端与所述余热锅炉(1)输出端连接，所述蒸发器(2)利用所提供的竖窑高温废气向膨胀机(3)输出的蒸汽，带动发电机(4)发电并将电能存储在锂电池储存模块中；通过冷凝器(8)将膨胀机(3)排出的降压降温后的蒸汽冷凝，从冷凝器(8)流出的液态工质进入储液器(9)，再进入工质泵(6)加压；所述工质泵(6)和蒸发器(2)相连，通过工质泵(6)加压后的有机工质再次回到蒸发器(2)；

所述锂电池储存模块采用锂电池(10)，将多余电力储存到锂电池(10)中；

所述控制调节模块将竖窑最适温度、竖窑当前温度、余热锅炉(1)当前输出功率以及余热锅炉(1)使用时间作为输入，利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子的值，并得到精度指标最小情况下的余热锅炉(1)输出功率、使用时间，进一步通过控制调节模块调节所述余热锅炉(1)输出功率与使用时间；所述精度指标目标函数为：

min E²＝(C_N-C_T)²

其中，E²表示最小精度指标，C_N表示竖窑最适温度，C_T表示竖窑降温后温度，C表示竖窑当前温度，表示温度转化因子，P_C表示设备当前输出功率，T表示设备使用时间。

2.根据权利要求1所述的一种多功能竖窑废气降温循环利用调节系统，其特征在于，利用蝗虫优化算法找到使精度指标最小的温度转化因子的值，对温度转化因子进行寻优，算法中不断更新的蝗虫位置就是指的温度转化因子的值；具体步骤为：

蝗虫的生命周期包括两个阶段：幼年和成年；若幼虫期的特征是小步和缓慢的动作，那成年阶段的特征则是远距离且突然的运动；幼虫和成虫的运动构成了GOA的集约化和多样化，蝗虫成群结队的行为在数学上遵循：

P_i＝S_i+G_i+A_i (1)

P_i表示第i只蝗虫的位置，S_i是其中G_i表示第i只蝗虫受到的重力，A_i表示第i只蝗虫受到的风平流，为了得到蝗虫的随机行为，式(1)可以重写如下：

P_i＝r₁S_i+r₂G_i+r₃A_i (2)

其中，r₁,r₂和r₃是[0,1]范围内的随机数；

社会互动S_i定义如下:

式中，N为蝗虫数量，d_ij＝|P_j-P_i|定义了第i阶和第j阶之间的欧氏蝗虫距离,单位向量是从第i到第j个蝗虫，s代表社会力量列出以下等式：

f和l是吸引强度和吸引长度；蝗虫之间的互动可以定义为吸引和排斥，这之前的距离被认为在[0,15]内，吸引力在[2.079,4]的区间内逐渐减小，斥力发生在[0,2.079]的范围内，当两个蝗虫之间的距离正好是2.079，两者都没有排斥或吸引(没有力)，这个区域叫做舒适区；

重力Gi由下式给出：

其中g表示引力常数，表示向地心的单位矢量；

Ai风平流由下式给出:

其中，u表示漂移常数，是单位向量即风的方向；

将S,G,A的值替换后，如下所式可得:

由于蝗虫很快就会到达舒适区，而蜂群系统并没有聚集到目标位置，该方程的增强版本如下：

其中，ub_d和lb_d分别表示第d维的上界和下界，表示最佳解可在d维空间中找到；注意s类似于方程1中的S分量，G等于零，A总是趋向于最佳解/>参数c用于根据迭代次数相应减小蝗虫之间的排斥区、吸引区和舒适区；考虑c作为单个参数，并使用以下方式表示：

其中，c_max和c_min代表c的最大值和最小值，t为当前迭代，t_max为迭代的最大次数；

蝗虫的位置是根据它的当前位置、全球最佳位置和位置蜂群中的其他蝗虫来更新；

迭代寻优，直到满足最大迭代次数时，输出最优温度转化因子的值。