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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明属于化工行业的过程能量集成领域，涉及集成蒸汽和有机朗肯循环的功耦合换热网络综合优化方法。本发明将待解决的问题分两步求解，第一步执行第一阶段模型的遗传算法，寻找最优的蒸汽热负荷、ORC操作温度和工质质量流率以及压力变化流股的热力学路径等；第二步，将上一步获得的结果整理输入到下一阶段的换热网络综合模型行中，作为流股温度，热容的参数，并对换热匹配进行优化；最终获得完整的集成配置结构。与传统过程能量集成相比，本发明针对蒸汽和有机朗肯循环与耦合压力变化过程的集成，采用分步集成优化方法，从能量供应到回收的系统整体优化，进一步有效降低了能耗。

主权项：1.集成蒸汽和有机朗肯循环的功耦合换热网络综合优化方法，其特征在于，包括如下步骤：第一阶段：1构建有机朗肯模型：采用的是ORC结构，包含四个组件分别为蒸发器、冷凝器、泵、涡轮机；过程为增压、吸热蒸发、降压和冷凝，其中过热度是一个给定的值；包括有机朗肯循环蒸发、冷凝过程的子流股温度变化、热负荷，以及膨胀、泵加压过程的功率输出和输入的计算；有机工质在循环中各阶段中的热力学性质由物性查询软件Refprop获得；2构建流股变压路径模型：构建的压力变化流股超结构，对流股变压-换热可能的热力学路径进行建模，进行变压的流股考虑不同分支分别进行加热和冷却来增大或减小变压过程的起始温度；包括膨胀流股hp和压缩流股lp的功负荷计算、流股变压前后的温度变化、流股分支混合的质量平衡约束；为了方便描述数学模型，采用下标i、j、p、k和n分别表示热流股i、冷流股j、压力变化流股p、级k、蒸汽级数n；此外，还定义了流股通过超结构的级内、级间的温度位置m；同时模型也定义了相应的以下几个集合：热流股H、冷流股C、压力变化流股P、级K、超结构包含的位置M、蒸汽级数N；流股变压路径模型的约束条件的具体数学描述如下：流股压力操作的出口温度与进口温度关系由式1-2表示，其中γ表示绝热指数，表示膨胀流股hp的目标压力，表示膨胀流股hp的供应压力，表示压缩流股lp的目标压力，表示压缩流股lp的供应压力；表示膨胀流股hp分支上膨胀机的入口温度，表示膨胀流股hp分支上膨胀机的出口温度，表示压缩流股lp分支上压缩机的入口温度，表示压缩流股lp分支上压缩机的出口温度，其中ks表示对应分支；流股的质量平衡约束由式3-4给出；其中Fhphp表示膨胀流股hp的热容流率，Flplp表示压缩流股lp的热容流率，Fhps表示分支流股热容流股，ks表示对应分支，Fhpshp，ks表示膨胀流股分支ks的热容流率，Flpslp，ks表示压缩流股分支ks的热容流率；由式5-6计算相应流股分支上的压缩机或膨胀机的功率；其中Whp，ks和Wlp，ks分别表示压力变化流股分支的膨胀机和压缩机的功负荷； Fhphp＝∑ksFhpshp，ks3Flplp＝∑ksFlpslp，ks4 式7-12为分支流在压缩或膨胀操作前后热负荷计算；在流股压力变化前，超结构考虑了确定的流股冷热性质，因此其温度变化为确定的趋势；对于压力变化后的流股，则采用二元变量来表示相应分支子流的冷热性质，y＝1：表示冷流股；y＝0表示热流股；其中和分别表示膨胀流股分支和压缩流股分支在压力操作前的热含量，和分别表示膨胀流股分支和压缩流股分支在压力操作后的热含量，Fhpshp，ks表示膨胀流股分支ks的热容流率，Flpslp，ks表示压缩流股分支ks的热容流率，TINhp表示膨胀流股的供给温度，TOUThp表示膨胀流股的目标温度，TINlp表示压缩流股的供给温度，TOUTlp表示压缩流股的目标温度，表示膨胀流股hp分支上膨胀机的入口温度，表示膨胀流股hp分支上膨胀机的出口温度，表示压缩流股lp分支上压缩机的入口温度，表示压缩流股lp分支上压缩机的出口温度； 通过式13-18来约束流股分支存在性与分支上对应热负荷的下边界；其中，yfh、yfl则表示分支存在性：1表示存在；0表示不存在；λ和δ是常数，λ用于消除分支不存在时的热容流率，δ约束分支存在时的最小热负荷；Fhpshp,ks表示膨胀流股分支ks的热容流率，Flpslp,ks表示压缩流股分支ks的热容流率，和分别表示膨胀流股分支和压缩流股分支在压力操作前的热含量，和分别表示膨胀流股分支和压缩流股分支在压力操作后的热含量；Fhpshp,ks≤yfhhp,ksλ13Flpslp,ks≤yfllp,ksλ14 3构建多级蒸汽系统模型，对每级蒸汽的质量负荷、蒸汽透平的产功进行计算；公用工程系统模型的约束条件的具体数学描述如下：msteamn＝qsteamn×ahour×3600lheatn19msteamn×enthsaturate，n＝msteamext，n×enthsaturate，n+mwatercondensate，n×enthcondensate，nmsteamn＝msteamext，n+mwatercondensate，n20 其中，n表示蒸汽级数，涡轮机抽取蒸汽分为z阶段，msteamn表示饱和蒸汽质量流率，qsteamn表示饱和蒸汽的热负荷，ahour表示年运行时间，lheatn表示蒸汽潜热；enthsaturate，n表示饱和蒸汽的比焓，msteamext，n表示在相应透平阶段z中提取的过热蒸汽的蒸汽流量，mwatercondensate，n表示冷凝水的质量流量，enthcondensate，n表示冷凝水的比焓；表示公用工程系统中涡轮机的发电量，enthz表示流经涡轮机分段z的热蒸汽比焓，msteamz表示流经涡轮机z段的过热蒸汽的蒸汽流量，ηturbine表示透平效率；4构建D-G模型；D-G模型的约束条件的具体数学描述如下： Qcu＝Ωx+Qhu28式22中Tp表示候选夹点的温度，这是由换热网络问题中的流股进口温度决定的集合，s表示不同组件的索引，表示供热系统中第s组件的进口温度，表示供热系统中供热系统中第s组件的出口温度，其中HRAT为最小传热温差；ys为二元变量，ys用于表示流的冷热性质，ys＝1时，对应流股为冷流股；式23-26中x表示所有流股的参数矩阵；QSIAxp和QSOAxp分别表示夹点上方的热流股总热含量、冷流股总热含量，FCp表示流股的热容流量；表示夹点上方的热量赤字；通过计算所有候选夹点的热量赤字，确定真正的夹点和最小公用工程消耗；式27中Ωx表示热流股与冷流股的热含量之差，Qcu表示冷公用工程用量，Qhu表示热公用工程用量，最终通过式28中的热量平衡确定所需的冷公用工程用量Qcu；目标函数：为了确定最佳ORC和流股变压的操作条件，以系统的能量效率为出发点进行优化，目标函数为最小耗，考虑了两种形式的耗：热和功；如下式29所示：包含了冷、热公用工程消耗，压缩机和膨胀机功耗；最小耗ExergyConsumption目标函数如下：minEC＝Qhu1-T0tcu+QcuT0tcu-1-∑lp∑ksWlp,ks+∑hp∑ksWhp,ks-Wnetorc29其中，Qcu表示冷公用工程用量，Qhu表示热公用工程用量，tcu表示冷公用工程的温度，Wlp，ks表示压力变化流分支压缩机的功负荷，Whp,ks表示压力变化流分支的膨胀机的功负荷；Wnetorc表示有机朗肯循环的净功负荷；第二阶段：在第二阶段对换热网络进行优化；在第一阶段模型中，确定流股压力-换热路径、ORC的循环参数、各级蒸汽的热负荷；考虑在基于经典的分级超结构基础上对其拓展以适应多级蒸汽的配置可能性，获得级间多级蒸汽的换热网络超结构，超结构包括两个阶段；首先，热源H1、H2供应高温高压的蒸汽，经过第一个级间蒸汽换热器，将其热量传递给工作介质；工作介质在第一个级间蒸汽换热器中被加热，并产生蒸汽；这些产生的蒸汽在后续的级间蒸汽换热器中继续传热，从而实现热量的逐级传递和能量的逐级回收；同时，冷源C1、C2从下游设备中带入低温低压的液体，经过级间蒸汽换热器吸收热量，使其升温并产生蒸汽或蒸汽冷凝成液体；这些冷源在整个换热网络中循环流动，不断吸收和释放热量；该超结构中的H1、H2以及C1、C2指的是换热网络问题中确定的热、冷流股，包括ORC循环不同阶段确定的热、冷子流股，循环过程的参数，同时获得的还有各级蒸汽的热负荷，其数值作为该阶段模型边界条件进行约束；基于该级间多级蒸汽的换热网络超结构的数学模型的约束条件的具体数学描述如下：1流股的总体热量平衡约束；TINi-TOUTiFi＝∑j∑kqi，j，k+qcui，i∈H22TOUTj-TINjFj＝∑i∑kqi，j，k+∑n∑j∑kqhuj,k，n+∑nqhuoj，n，jeC23其中，i∈H表示热流股，j∈C表示冷流股，k∈K表示超结构的级，n∈N表示蒸汽级别，n：3表示高压，2表示中压，1表示低压，TIN表示流股的供应温度，TOUT表示流股的目标温度，F表示过程流股热容流率，qcu表示压力变化流股和冷公用工程之间交换的热量，qhu表示从压力变化流股和热公用工程之间的交换热量，qhuo表示从热流股传递给外部环境的热量；2超结构每级的热平衡ti，m-1-ti，mFi＝∑jqi，j，k，i∈H,m＝2k24tj，m-1-tj，mFj＝∑iqi，j，k，j∈C,m＝2k25ti，m-ti，m+1Fi＝0，i∈H,m＝2k26tj，m-tj，m+1Fj＝∑nqhuj，k,n，j∈C,m＝2k27其中m被用来区分级内2k-1,2k和级间2k，2k+1以方便描述流股进出超结构级内和级间时的温度位置，m为级内和级间的分隔线，m-1＝2k-1，m+1＝2k+1；ti，m、tj，m、tp，m分别表示超结构中温度位置m处的工艺流股i、j、p的温度，q表示热流股和冷流股之间的热量交换；3流股末端公用工程的热负荷ti，m-TOUTiFi＝qcui，icH,m＝2Ns+128TOUTj-tj，1Fj＝∑nqhuoj,n，j∈C，29其中，Ns表示超结构级的数量，qcu表示压力变化流股和冷公用工程之间交换的热量，qhuo表示从热流股传递给外部环境或其他系统的热量；4超结构的内部温度变化的逻辑约束ti，m≥ti，m+1，i∈H30tj，m≥tj，m+1，j∈C315式40-47是超结构中的过程换热器、冷却器、加热器两端的传热温差计算，并最终由式48计算总传热温差；在两端温差的表达式中，换热器的存在性二元变量被用来消除换热匹配不存在时的传热温差，以确保不等式恒成立；式49-50分别计算传热系数和传热面积；总换热系数由相互换热的两个流股的传热系数h1和h2共同确定，同时忽略管壁和污垢的热阻；ΔTijhi，j，k≤ti，m-1-tj，m-1+γ1-zi，j，k，i∈H，j∈C，m＝2k32ΔTijci，j，k≤ti，k-tj，k+γ1-zi，j，k，i∈H，j∈C，m＝2k33ΔTcuhi≤ti，m-TOUTcu+γ1-zcui，i∈H，j∈C，m＝2Ns+134ΔTcuci≤TOUTi-TINcu+γ1-zcui，i∈H，j∈C35ΔThuohj，n≤TOUThu-tj，1+γ1-zhuoj，n，i∈H，j∈C36ΔThuocj，n≤TINhu-TOUTj+γ1-zhuoj，n，i∈H，j∈C37ΔThuhj,k，n≤TOUThu,n-tj，m+γ1-zhuj，k,n，i∈H，j∈C38ΔThucj,k，n≤TINhu，n-tj，m+1+γ1-zhuj，k，n，i∈H，j∈C39 其中，ΔTij表示流股之间的热交换，ΔTcu表示流股在末端即第Ns级之后和冷公用工程之间的热交换，ΔThuo表示流股在末端即第1级之前和热公用工程之间的热交换，ΔThu表示流股在末端即第Ns级之后和热公用工程之间的热交换，常数Y用以消除换热匹配不存在时的最小传热温差限制，z表示冷热流股之间匹配的存在性；zhu指示热公用工程和冷流股之间在末端匹配存在性，zcu表示指示热流股和冷公用工程之间在末端匹配存在性，zhuo指示冷流股和热公用工程之间在级间匹配存在性，h1和h2为两个流股的传热系数，U为总换热系数的倒数，ΔT为传热温差，ΔT1为热物流进口与冷物流出口温差ΔT2为热物流出口与冷物流进口温差，A为换热面积，Q为热通量；6多级蒸汽系统负荷如51-52所示，由此计算出每级蒸汽热负荷，再结合公式19-21计算出相应的质量流率；SUMQhn＝∑nqhuoj，n+∑n∑j∑kqhuj，k,nj∈C43SUMQhn≥qsteamnj∈C44其中，SUM表示总和，Qh表示蒸汽系统的热负荷，qhuo表示从热流股传递给外部环境或其他系统的热量，qhu表示从压力变化流股和热公用工程之间的交换热量，qsteamn表示饱和蒸汽的热负荷；目标函数：作为整个换热网络优化的驱动目标，该超结构的数学模型以耗最小为目标优化换热网络；该目标旨在寻找系统最小的有效能消耗，包括压缩和膨胀功、冷热公用工程热负荷；压力变化流股的功率、ORC循环的功率，作为目标函数中的常数项；最小耗目标函数如下：minEC＝∑nqsteamnThu，ntcu-1+∑iqcuiT0tcu-1-∑lp∑ksWlp,ks+∑hp∑ksWhp,ks-Wnetorc-Wsrcturbine53其中，qsteamn表示饱和蒸汽的热负荷，tcu表示冷公用工程的温度，qcu表示压力变化流股和冷公用工程之间交换的热量，Wlp，ks表示压力变化流分支压缩机的功负荷，Whp,ks表示压力变化流分支的膨胀机的功负荷；Wnetorc表示有机朗肯循环的净功负荷，Wsrcturbine表示蒸汽系统的功负荷；最终集成了有机朗肯循环和蒸汽朗肯循环，考虑了流股变压的最优的换热网络结构。

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