基于有机朗肯循环低温余热利用研究

22I圣言汔恰按LD0NGFANGTURBINE2010年第2期刘经武戴义平1东方汽轮机有限公司，四川ELEL，618000；2西安交通大学，陕西西安，710049摘要文章应用PR方程编制了有机工质热物性计算程序，对多种有机工质的朗肯循环进行了热力计算，研究了各主要参数对朗肯循环性能影响的规律。在给定余热条件下，采用模拟退火算法对循环的主要参数进行优化，得出了整个循环在净输出功率最大时的最优参数值，并比较了R236FA为工质的有机朗肯循环和常规朗肯循环的对外做功能力。关键词朗肯循环；有机工质；热物性；参数优化模拟退火算法RESEARCHOFLOWTEMPERATUREEXHAUSTHEATUTILIZEDBASEDONTHEORGANICRANKINECYCLELIUJINGWU。，DAIYIPING1DONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN6I80002XIABJIAOTONGUNIVERSITYXIAN710049ABSTRACTINTHISSTUDY,WEWORKEDOUTACALCULATIONPROGRAMFORTHERMALPROPERTIESOFORGANICWORKINGFLUIDSBYAPPLYINGPREQUATIONWITHWHICHTHETHERMODYNAMICCALCULATIONSFORRANKINECYCLEOFVARIOUSORGANICWORKINGFLUIDSWEREPROCESSEDTOINVESTIGATETHELAWOFTHEINFLUENCEOFVARIOUSPARAMETERSONTHEPERFORMANCEOFRANKINECYCLEONTHECONDITIONOFGIVENEXHAUSTEDHEAT，WEOPTIMIZEDTHEMAINPARAMETERSOFCYCLEWITHSIMULATEDANNEALINGALGORITHM，THATCONCLUDEDTHEOPTIMALVALUEOFPARAMETERSWHILETHEPUREOUTPUTPOWEROFWHOLECYCLEARRIVEDATTHEPEAKMEANWHILE，WEMADEACOMPARISONBETWEENWORKINGCAPABILITYOFTHEORGANICRANKINECYCLEWITHR236FAASWORKINGFLUIDANDTHENORMALRANKINECYCLEKEYWORDSRANKINECYCLE，ORGANICWORKINGFLUID，THERMODYNAMICPROPERTIES，PARAMETERSOPTIMIZATION，SIMULATEDANNEALINGALGORITHM0引言随着我国经济的迅速发展，能源紧缺将是我国所面临的严重问题。水泥、硫酸、玻璃等工业产品的生产过程中，有大量的余热资源被排放到环境中，造成严重的浪费和环境污染。有机工质，沸点较低，可以回收利用温度比较低的余热，与常规朗肯循环相比，回收效率更高。所以，开展余热资源的回收利用研究，是我们所面临的重要研究课题之一。文献1分析了几种工质在低温余热中的利用，讨论了工质温度变化和冷却水温升高对循环输出功的影响，并进行了优化；文献2介绍了生物质能低温热能利用，讨论了与其他低温热能利用的不同点，得出了工质选择的规律文献3分作者简介刘经武1983一，男，工程师，2007年毕业于西安交通大学能源与动力工程学院，现从事汽轮机辅机设计开发工作。201O年第2期析比较了R1231二氧化碳为工质的低温余热利用，分析工质流量对循环输出功、循环热效率的影响。本文的目标是编制有机工质热物性计算程序，在此基础上对多种工质的朗肯循环进行热力计算，研究主要热力参数对循环输出功的影响，在给定的余热条件下采用模拟退火算法对循环参数进行优化。1热物性程序编制索言汔扮揍DONGFANGTURBINE23PR方程是二常数方程一旦一旦1一6VV66V一6压缩因子方程一1Z2一3B22BZABBB02余函数方程A。_口刀N一NV0441446BRTN3。刀NTNV041446BRN4本文编制了由P，V，H，中任意两个参数本文是应用PR方程和余函数编写工质热物性求其它参数的程序，并将计算结果与西安交通大程序，利用关联式和混合法则编制废气的温焓学能动学院热工教研室的计算结果进行比较，见程序。表L。结果表明，本文编制的计算程序精度较高。1应用PR方程编制工质热物性程序表1氨气饱和焓与教研室数据的比较2应用关联式和混合法则编写废气的温焓程序公式5是计算硝酸废气的温焓关联式，由于废气是混合气体，所以要用混合法则，如式6所示。温焓关联式711F5混合法则，Z，6根据上面的公式编制了废气的温焓程序，可以由温度求焓，也可以由焓求对应的温度。计算结果与文献5的数据进行比较，见表2。结果表明，本文编制的程序计算精度较高。表2本文计算的废气焓值与参考数据比较2有机朗肯循环分析有机工质沸点低，较之常规朗肯循环有许多优点转速低、效率高、耐低温、循环压力高、在透平膨胀过程中工质不会进入两相区等。图1给出了有机工质朗肯循环的示意图。图1有机朗肯循环示意图21朗肯循环的数学模型蒸发器进口到余热锅炉出口的热平衡方程|IL。H，；DDH，省煤器进口到出口的热平衡方程JLL33H22。H2透平做功WDOH，H冷凝器热平衡方程789Q|IL一。泵做功D一。2010年第2期1O1122朗肯循环的热力系统计算假设条件为1忽略管道压损及热损；2透平及泵效率不变；3换热器余热锅炉和冷凝器最小温差为5“C。已知条件为1热源的质量流量1721KGS，温度1452余热锅炉的节点温差1O，接近点温差5“C；3泵效率06，透平效率09。根据假设和已知条件，编制了朗肯循环热力计算程序，计算了不同工质在相应透平进口压力、温度下的循环参数，见表3。表3对应不同工质参数的计算结果响很大，因此需要分析透平进口压力、温度和环23有机朗肯循环性能参数研究境温度对循环净输出功的影响。在有机朗肯循环中，热力参数对循环性能影1透平进口压力的影响2010年第2期图2给出了在透平进口温度为125下，有机工质随透平进口压力变化的曲线。从图2可以看出，随着压力的增大，循环输出功率先增加后减小，存在一个最佳透平进口压力，使循环输出功最大。2透平进口温度的影响图3给出了在透平进口压力为594KPA时，有机朗肯循环输出功率随透平进口温度变化的曲线。从图3可以看出，随着温度升高，有机工质循环净输出功不断减小。由于废气放热量一定，随着透平进口温度增加，透平进出口焓差虽然增加，但是透平流量减小的比较大，导致输出功率随着温度的增加而减小。1600140012001000鲁800600400200020002004006008001000120014001600压力KPA图2循环输出功率随压力的变化曲线图3循环输出功随温度变化曲线圣言汔论嵌DONGFANGTURBINE253环境温度的影响图4给出了透平压力和温度一定时，循环净输出功率随环境温度变化的曲线。从图4可以看出，环境温度每增H4“C，循环净输出功率减少30，可见环境温度的影响是非常大的。这是因为环境温度的升高使透平出口压力升高，透平出口温度升高，从而使透平中的焓降减少，导致循环输出功率减少。170016001500140013001200要11001000900800700600500400300200286288290292294296298300302304温度K图4循环输出功率随环境温度变化曲线3有机朗肯循环的优化在余热利用中，我们希望将余热最大程度地转化为有用功，因此需要对循环的主要热力参数进行优化，得出循环性能最优的运行参数。在参数优化中，选取循环输出净功率为目标函数，优化的参数为透平进口压力和进口温度。采用模拟退火算法对朗肯循环进行参数优化。模拟退火算法源于固体退火过程的模拟，采用METROPOLIS接受准则，并用一组称为冷却参数表的参数控制算法进程，使算法在多项式时间里给出一个近似的最优解。温度是METROPOLIS算法中的一个重要控制参数，该参数的大小控制了随机过程向局部或全局最优解移动的快慢。冷却参数表、邻域结构和新解产生器、接受准则和随机数产生器是模拟退火算法的主要构成。图5给出了模拟退火算法的流程图。伽姗渤枷季I姗姗珊瑚26I圣言乞扮揍LDONGFANGTURBINE表4给出了在相同余热条件下，采用不同工质朗肯循环的优化结果，从表中可以看出，循环净输出功最大的工质是R236FA，对应的压力为2010年第2期1508407KPA，温度为88343C，输出功为175397KW，比采用常规朗肯循环净输出功率多265。图5模拟退火算法流程图表4各种工质优化结果2010年第2期4结论本文研究了透平进口温度、压力和环境温度对有机朗肯循环输出功的影响，在给定余热条件下，采用模拟退火算法对循环的参数进行了优化，得到了最优运行状态所对应的参数和功率，得到以下结论1在本文所使用的有机工质朗肯循环中，循环净输出功随着透平进口压力的提高，先是增加，而后减少，随着透平进口温度从相应压力下的饱和温度增加到最高温度，循环净输出功不断减小。环境温度对有机朗肯循环影响较大，大概有30的功率随着环境温度升高而减少。2在给定的余热条件下，通过优化，得出采用R236FA为工质，循环的输出净功率最大。参考文献1】HDMADHAWA，HETTIARACHCHI，MIHAJLOGOLUBOVIC，WILLIAMMWOREK，YASUYUKIIKEGAMIOPTIMUMDESIGNCRITERIAFORANORGANICRANKINE圣言浅扮接DONGFANGTURBINE27CYCLEUSINGLOWTEMPERATUREGEOTHERMALHEATSOURCESJENERGY2007192】ULLIDRESCHER，DIETERBRUGGEMANNFLUIDSELECTIONFORTHEORGANICRANKINECYCLEORCINBIOMASSPOWERANDHEATPLANTSJAPPFIEDTHERMALENGINEERING，2007，272232283YCHEN，PLUNDQVIST，AJOHANSSON，PHATEL1ACOMPARATIVESTUDYOFTHECARBONDIOXIDETRANSCRITICALPOWERCYCLECOMPAREDWITHANORGANICRANKINECYCLEWITHP123ASWORKINGFLUIDINWASTEHEATRECOVERYJAPPLIEDTHEMALENGINEEFING，2006，26214221474刘志刚，刘咸定，赵冠春工质热物理性质计算程序的编制及应用FM】北京科学出版社，19925张家荣，赵廷元工程常用物质的热物理性质手册M1北京新时代出版社，198766康立山，谢云，尤矢勇，罗祖华非数值并行算法第一册模拟退火算法FM北京科学出版社1994_一上接第21页3多级环境下，非平衡效应对叶栅出口气流角有明显影响，使级反动度发生变化。在本文考察的算例中，非平衡效应导致根部反动度减小。参考文献【1】MOOREMJETA1AEROTHERMODYRNAMICSOFLOWPRESSURESTEAMTURBINESANDCONDENSERSUSAHEMISPHEREPUBSNNGCORPORATION，198787122【2】BAKHTARF，EBRAHIMIM，WEBBRAONTHEPERFORMANCEOFACASCADEOFTURBINEROTORTIPSEFIONBLADINGINNUCLEATINGSTEAMPART1SURFACEPRESSUREDISTRIBUTIONSPROCINSMMECHENGRS，PARTC，1995，209115124【3JBOLMD，KERPICCIH，RENJ，SURKENNHOMOGENEOUSANDHETEROGENEOUSNUCLEATIONINANZZLEGUIDEVANEOFALPSTEAMTURBINE4EUROPEANCONFEFENCEONTURBOMACHINERYFIRENZE，ITALY，20014】林智荣，袁新汽轮机末级叶片平衡态湿蒸汽流动数值模拟工程热物理学会热机气动热力学学术会议论文集20041751795】李亮，程代京，丰镇平，李国君汽轮机湿蒸汽级中凝结