基于有机朗肯循环低温余热利用研究.pdf

2 2 I圣 言 汔 恰 按 l D 0 N G FA N G T U R B IN E 20 1 0年 第2 期 刘经武 戴义平 (1 东方汽轮机有限公司 ，四川 E l： El ，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 R e se a rch of L ow T e m p e ratu re E x ha ust H e at U ti l i z e d B a se d o n the O rg a n i c R a n ki n e C ycl e L i u Ji n g w u 。 ，D a i Y i p i n g (1D ongfang T urbi ne C o ， L td D eyang Si chuan 6 I8000 2 X i aB Ji aotong U ni versi ty X i an 7 1004 9) A b stra ct：In th i s stu dy, w e w o rked o ut a cal cu l ati o n pro gram for th erm al prop erti es of org ani c w ork i n g fl u i d s by app l y i ng P R equ ati on w i th w h i ch th e th ermod yn am i c c al cu l ati on s fo r R an ki ne cy cl e o f vari ou s o rgan i c w ork i n g fl u i d s w ere p ro cesse d to i n vesti gate th e l aw o f th e i nfluen ce o f variou s p aram eters o n th e pe rforman ce o f R ank i n e cy cl eO n th e con d i ti o n o f g i v en ex h au sted heat， w e o pti m i zed th e m ai n p aram eters o f cy cl e w i th si m u l ated ann eal i ng al go ri thm ， th at con cl u ded the op ti m al val u e o f p aram eters w h i l e th e p ure o utpu t p ow er of w ho l e cy cl e arri ved at the p eak M ean w h i l e， w e m ade a com p ari son betw een w o rki ng cap abi l i ty o f th e o rg an i c R ank i ne c ycl e w i th R 2 36 fa as w o rk i ng flui d an d th e n ormal R an ki ne cy cl e K e y w o rd s ：R ank i n e cy cl e，o rgan i c w o rki ng flui d ，therm o dy n am i c p rop erti es，p aram eters op ti m i zati o n ，si m u l ated ann eal i ng al go ri thm 0 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 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 20 1 O年 第2期 析 比较 了R123 1二氧 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 D o N G F A N G T U R B IN E 2 3 PR方程是二常数方程 ： 一旦一旦 ( (1) 一 -6 v(v+6)+6(v一 6) 压缩 因子 方程 ： 一 (1 )Z2+ 一 3B 2-2B )Z-(A B-B -B )=0 (2) 余 函数方程 ： a。 _口 刀 n 一 n v -0 4 4 1 4 4 6 b+ Rtn (3) 。 = 刀n + tn v - 0 4 1 4 4 6 b R - n (4) 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 ： (7)= 1 ( 1) (f) ) (5) 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。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图1 有机朗肯循环示意图 2 1 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， ， )； D d( -h， ， ) 省煤器进 口到出口的热平衡方程： Jll 33-h22) 。 -h2) 透平做功： W =D o(h， -h ) 冷凝器热平衡方程： (7) (8) (9) Q = (|Il 一 。 ) 泵做功： -D ( 一 。 ) 20 1 0年第2期 (1o) (11) 2 2 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5C 。 已知条件为： ( 1) 热源 的质量 流量 172 1kg s，温 度 145 ： (2) 余热锅炉的节点温差1O，接近点温差 5 C ； (3) 泵效率0 6，透平效率0 9。 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 2 3 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 20 1 0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。 160 0 14 00 12 00 100 0 鲁 800 600 40 0 200 0 20 0 0 200 400 600 8 00 1000 12 00 1400 16 00 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 D O N G FA N G T U R B IN E 2 5 (3)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H4c ，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。 17 00 16 00 15 00 14 00 13 00 12 00 要1100 10 00 9 00 8 00 700 6 00 5 00 4 00 3 00 2 00 28 6 2 88 290 29 2 2 94 296 298 3 00 302 304 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Metropol i s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Metropol i s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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 I圣 言 乞 扮揍 l D O N G FA N G T U R B IN E 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 20 1 0年 第2期 1508 407kPa， 温 度 为 88 343C， 输 出 功 为 1753 97kW， 比采 用常 规 朗肯循环净 输 出功率 多 26 5。 图5 模拟退火算法流程图 表4 各种工质优化结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 201 0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】 H D M adh aw a， H etti arach chi ， M i h ajl o G ol ubovi c， Wi l l i am M Worek ， Y asu yuki Ikegam i O p ti m um desi gn criteria fo r an O rgani c R an ki n e 圣 言 浅扮接 D O N G FA N G T U R B IN E 2 7 cycl e usi n g l o w tem p erature geoth erm al heat sourcesJ Energy： 2007： 1 9 2】 U l l i D rescher， D i eter B ruggem ann Fl ui d sel ecti on fo r the O rgani c R anki ne C ycl e (O R C ) i n bi om ass pow er and heat pl antsJ A ppfi ed T h e rm al e n g i n e erin g ， 2 0 0 7 ， 2 7 ： 2 2 3 2 2 8 3Y C hen， P Lundqvi st， A Johansson， P H atel 1 A co m parati v e stu dy of th e carbo n di o xi d e transcri ti cal pow er cy cl e co m pared w i th an organ i c ranki n e cy cl e w i th P 123 as w orki ng fl u i d i n w aste heat recoveryJ A ppl i ed them al engineefi ng， 2006， 26： 2142 2147 4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 ， 19 9 2 5张家荣， 赵廷元 工程 常用物质的热物理性质 手册M 1 北京： 新时代 出版社， 1987 66 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】M oore M J et a1 A erotherm odyrnam i cs of Low Pressure Steam T u rb i n es an d C o n den sers U SA ： H em i sp h ere P ub sN ng C orp orati on ，198 7 ： 87 122 【 2】 B akhtar F， Ebrahi m i M ， W ebb R A O n the Perf orm ance of a C ascade of T urb i n e R otor T i p Sefion B l ad i n g i n N u cl eating Steam P art 1：S urf ace P ressure D i stri b utio n s P ro c In sm Mech E n grs，P art C ，199 5