毕业论文（设计）中温烟气余热动力回收复合循环参数优化.docx

中温烟气余热动力回收复合循环参数优化摘要：使用C02超临界循环-有机工质跨临界循环复合循环(C02-SC/0TC),利用中高温烟气余热以 烟气初温600 C为例，以单位质量烟气流量净输出供为H标函数，应用Hysys软件建立循环的模型, 并在Mat lab环境卜采用遗传算法对循环参数进行优化，得到最优的循环参数，与以水为工质的抽气 式朗肯循坏作比较，结果表明复合循坏较单级循坏具有一定优势关键词：中温烟气，复合循环，动力回收，遗传算法0前言工业生产过程中会产生大量的烟气余热[1-3],有必要对中高温烟气余热进行动力 回收当前应用较广的是水蒸气朗肯循环系统[4] (H20-Rankine cycle, H20-RC)由 于中高温烟气热源初温高，放热过程温降大，而水作为工质，具有汽化潜热大、湿流体 特性(要求以佼大过热度进入汽轮机以避免湿膨胀)等特点，使得吸热过程温度变化与烟 气的放热过程温度变化明显不匹配，因而不利于循环效率和烟气余热利用率有机工质 的跨临界循环与烟气放热过程温度变化匹配较好[5-7] [& 9],但由于有机工质热稳定 性的限制，有机工质循环最高温度则不能超过其热分解温度，故而与中高温烟气之I可存 在较大的传热温差。

针对以上循坏形式的不足，考虑到C02作为自然工质，具有出色的 热稳定性，优良的环境特性以及循环性能，但是由于其临界温度较低，限制了 C02-TC 在一般冷源条件下的应用，有学者提岀采用002超临界循环[10,11](002 Super-critical cycle, C02-SC)，同时为了弥补其膨胀终温较高,导致循环效率低的 缺点，引入了回热措施，从而提高了循环性能针对以上循环的情况，本文对C02超临 界循环(C02 Super-critical cycle, C02-SC)/有机工质跨临界循环(0TC)进行研究,并 对循环参数进行优化，并与水的抽气式朗肯循环进行比较1系统模型介绍1.1模型建立复合循环由上级C02-SC循环和下级0TC循环组成,对上下级循环均引入了回热措施 循环T-S图和系统图见图1, 15-16, 12-1是超临界换热器中烟气的放热过程和C02的 吸热过程，1-2, 5-6为上级循环和下级循环在膨胀机中膨胀作功过程，2-10, 13-15是 在中间换热器中上级循环放热，下级循环吸热过程，10-11,4-12为上级循环回热过程, 9-13, 6-14为下级循环回热过程，11-3为上级循环在冷却器中放热过程，14-8为下级循 环在冷凝器中放热过程，3-4和8-9为上下级循环在工质泵中增压过程。

利用Hysys软件建立的流程如下图所示，物性方法使用PSRV方法，图 1 co2-sc/otc 循环朗肯循环的结构对其热效率影响比较大，采用抽气冋热式能实现朗肯循坏热效率的 利用图2为常见的抽气式回热水的的朗肯循环系统的结构简图，采用两级涡伦组成主 要结构工质从加热器出来，经过一次膨胀做功后分出一部分进入二级膨胀机做功，另 一部分则与从二级膨胀机膨胀过后的工质混合，再经过升压后进入加热器完成下一次循 环流程图如下Q-105-2图2 H2O-RC循环1.3系统热力学模型假设各个部件中均为稳态稳流工况；忽略散热损失；忽略工质的重力势能变化；除 膨胀部件中的过程外，忽略工质的宏观动能变化；除膨胀部件和工质泵中的过程外，忽 略工质流动摩擦损失忽略动能、势能，忽略压力损失1.3」CO2-SC/OTC烟气放热量：Q = cp_gas^qm_^as*（^I5 -）； ⑴上级循环膨胀机输出功：vv.expj =qm_sub} *（% -钉； （3）上级循环冋热量：Q_reg} = qm_suh} *（/?10 -h]}） = qm_suh} *（/?12 -/?4）； ⑷上级循环工质泵耗功：w_ pump^ = cpn_sub} *（/z4 一包）； ⑸上级循坏净输出功：w_必人=w_ expj-vv_ pumpx : ⑹上级循环向下级放热量：Q_im = qm_sub{ *（包一力io）； ⑺下级循坏质量流量：qm_sub2 = Q_im/（h5 ~1^3）； ⑻（10）下级循环膨胀机做功：vv_exp2 = qm _ suh2 *（人一方6）； ⑼下级循环冋热量：Q_厂绍2 =炉2_皿$ *（/% -力14）= C!m - SU^2 *（力13 -咫）；(11)下级循环工质泵耗功：vv_ pump2 = qm_sub2 *(% 一饨)；下级循环净输出功：w_net2 = w_exp2-w_ pump2 ； (12)复合循环净输出功：= w_net{ -^-w_net2: (13)复合循环效率：〃 =w^net/Q； (14)132水的抽气回热式朗肯循环烟气放热量：Q = cp _ gas * qm _ gas * g 一 ； (⑸一级膨胀机输出功：vv_exp! =qin_h2o^(h} -/?2)； (16)二级膨胀机输出功：＞v_exp2 =g加_力20_1*(力5-力4)； (17)循环回热量：Q_reg = qm_h2o_2^(/?4 -/?8) ； (18)凝结水泵耗功：=qm_h2o_\^(ltJ -/16)； (⑼给水泵耗功：w_ pump2 = qm_h2o*(/?9 一饨)； (20)循环静输岀功：w_ net = w_ exp】+ w_ exp2- w_ pumpx + w_ pump2 ； (21)循环效率：q = w_rit/Q； (22)2循环优化参数分析2.1目标函数与优化变量以净输岀功为目标函数，即找出最优的下级OTC循环工质；最优的循环参数，使得 复合循环从单位质量烟气吸热，输出最大净功。

本文初选了几种工质：Benzene;Toluene; Acetone; R123:R12;RI 13对于复合循环，分析认为上级循环吸热压力P1，上级循环的工质流量吗ml,膨胀 终压P2,下级循环吸热压力P5,膨胀机入口温度T5对复合循环吸热量，中间换热量影 响较大，作为优化变量对于H2O-RC,分析认为吸热压力Pl,水的质量流量ml,过热度AT,-级膨胀机 出口的压力P2,进入二级膨胀机的蒸汽流量xl为优化变量2.2相关参数指定烟气成分复杂多变，其定压比热不仅与温度有关，还和其具体成分有关，为简化问 题，用空气的定压比热代替烟气的定压比热烟气传热系数较差，日前关于烟气超临界换热器的研究较少，本文借鉴烟气余热锅 炉中换热器窄点温差设计值将超临界加热器的窄点温差取为15C,回热器以及中间换热器的窄点温差也取为15Co烟气的酸露点温度随烟气成分的不同而不同，范围一般在80〜160本文将其取 为I2OC,膨胀机出口干度指定为不低于0.85模型的固定参数指定值以及优化变量取值范围见下表表1固定参数指定值固定参数符号指定值烟气质量流量qm_gas1 kg/s烟气入口温度Ti5600C烟气酸露点Tacid120C烟气入口换热温差^Tinlet15C烟气换热窄点温差Mpinch_gas15C回热器窄点温差^Tpincli_reg15C中间换热器窄点温差ATpinch _ im15CCO2-SC(Air-BC)吸热初温T12105C烟气出口温度Tie>120C工质泵入口温度t331C压缩机入口温度t331C冷凝温度Ts31C回热器低压侧出口TnT4+15温度TuTg+15膨胀机效率0.9工质泵效率"pump0.8压缩机效率Hcomp0.8表2优化变量取值范围循环形式优化变量符号单位取值范围上级循环吸热PlMPa13-25压力上级循环工质mlKg/h1000-5000流量上级循环放热p2MPa7.45-12CO2-SC/OTC压力下级循环吸热PsMPa1.01*pcrit-25压力下级循环膨胀TiC70-200机入口温度循环工质流量mlKg/h10-800循环吸热压力P1MPa2~pcritH20-RC蒸汽过热度ATC10-150膨胀机出口压P2MPa0.6*P1*P1力抽气流量 m2 Kg/h 0.58*m1~m12.3基于遗传算法的参数优化从循环的建模过程可以发现，整个模型的变量比较多，且约朿条件也跟多个变量相 关，这使得找到系统的热效率达到最大的一系列参数成为难点，通常的线搜索算法在处 理这类多变量且不一定连续的问题，存在易陷入局部最优点的问题，能够有效的避免这 类问题的出现，并且线搜索算法通常是固定大部分维度一次仅在一个维度上进行寻优, 当变量的数量较大时，计算所需的时I可成本也比较大，并且给编写程序带来困难。

遗传 算法模拟自然选择和遗传机制进行优化，其对•所要解决的问题没有很高的数学要求，是 一种黑箱式的解法遗传算法的显著特点是其内在的并行性和具有全局寻优的能力，常 用的多目标遗传算法如NPGA、SPEA、NSGA-II等而将多目标遗传算法与流程模拟 软件相结合，既不用对复杂的循环系统建立严格的数学模型，乂能对循环性能的非线性、 多变量、多目标问题进行全局优化，因而这种方法是比较合适的［12］遗传算法的参数设置如下表所示，采用锦标赛方法选择方案使得能够初始的数代种 群中出现的合适的个体能够进入下一代，设置的变异概率对于每一个个体接近于0.5, 尽量避免陷入局部最优解表3遗传算法参数设置CO2-SC/OTCH2O-RCInput Variables55Population size4060Preci2020Maxge n100100GGAP0.90.93结果与讨论3.1 CO2-SC/OTC 复合循环表4 CO2-SC/OTC优化结果循环参数优化结果OTC工质TolueneBenzeneR12CO2吸热压力PlMPa24.1624.5620.87CO2膨胀机入口温度T1C584.3584.9582.7C02放热压力P2MPa7.9397.9897.692C02向下级放热终温T10C142.2143.2150.8CO2-SC净输出功KW120.4118.6108.7OTC吸热压力P5MPa21.5822.7225OTC回热温度T14C127.1128.2135.6OTC净输出功KW112.8116.5112.3复合循环净输出功KW194196.1175.7上级循环工质流暈kg/h281228132883下级循环工质流量kg/h130113123342系统热效率0.38140.38570.3456196米来*米米米米米米米米米米195194193192191190189188 L0米米10。