基于神经网络的有机朗肯循环过程及循环性能计算方法

有机朗肯循环（ORC）是中低温热能-电能转换中最具前景的技术之一,近年来受到越来越多的关注。工质是ORC实现的载体,由于热源及可选工质的多样性,工质筛选及系统的优化对于提升ORC综合性能非常重要,而物性及过程特性的准确预测是关键。提出了基于神经网络-基团贡献法的ORC系统性能计算方法,建立了涵盖11个基团的基团表,从REFPROP中调用51种工质7958组数据进行神经网络训练,获得了ORC中各个热力过程能量转换和熵差的计算关联式。计算了21种常用工质在1584组工况下的ORC系统性能,并与基于传统方法计算的ORC系统性能参数进行了对比。结果显示预测得到的ORC系统热效率、净输出功和系统?效率与用REFPROP计算得出的结果相比误差分别为1.01%、1.02%和1.61%,相比传统方法,预测精度有显著提高。     

吸收式热泵循环的新型有机工质对计算机辅助分子设计

工质对是吸收式热泵工作时能量转换的介质,直接影响整个系统的性能。然而现有工质对的研究多集中于对特定体系的物性进行实验及拟合或对纯净物工质的设计和预测,鲜有未知工质对设计和预测的研究。提出基于计算机辅助分子设计实现工质对和吸收式热泵系统同步建模和优化的方法,建立了以性能系数（coefficient of performance）最大为目标的MINLP （mixed-integer nonlinear programming）模型,可以设计得到新工质对并对其性能进行预测。针对现有基团贡献法对工质比热容预测误差较大的问题,对12个工质常用基团回归了比热容的基团贡献值并应用于模型中。通过对建立的优化模型进行求解,获得了5组可行工质对。最后,将设计得到的工质对与文献数据进行对比,结果验证了提出方法的可行性与有效性。     

基于ORC梯级换热的地热发电系统热力性能分析

提出了一种基于ORC梯级换热的地热发电系统。以地热能作为热源,选取R601/R236ea作为循环工质,在给定冷热源入口参数,以及给定的蒸发器和冷凝器最小换热温差下,以系统循环净功为目标函数,采用Matlab软件并调用REFPROP编制计算程序进行参数优化,与基本ORC发电系统进行比较。结果显示:在最优工况下,与基本ORC发电系统相比,基于ORC梯级换热发电系统可有效减小工质在换热过程中的换热温差,减少换热不可逆损失;同时降低热源排放温度,提高热源使用率;循环净功和(?)效率可提高12.09%。     

基于分液冷凝的R245fa/pentane混合工质朗肯循环多目标优化

有机朗肯循环(ORC)是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算法对基本ORC(BORC),气液分离-双级蒸发ORC(DSORC),串联双级蒸发ORC(STORC)和分液冷凝-双级蒸发ORC(TLORC)四种系统的净输出功和比成本(SIC)进行优化对比。优化结果表明:在BORC系统中,多维偏好线性规划法(LINMAP)优化得出的点表明非共沸工质的净输出功分别要比纯R245fa和纯pentane高5.6%和14.0%。在DSORC系统中,LINMAP点表明非共沸工质的净输出功要比R245fa和pentane分别高1.2%和6.3%;在所研究的四种系统中,Pareto Front表明TLORC系统SIC最低,比BORC系统低5.4%,同时净输出功比BORC系统高4.86%。     

基于分液冷凝的R245fa/pentane混合工质朗肯循环多目标优化

有机朗肯循环（ORC）是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算法对基本ORC（BORC）,气液分离-双级蒸发ORC（DSORC）,串联双级蒸发ORC（STORC）和分液冷凝-双级蒸发ORC（TLORC）四种系统的净输出功和比成本（SIC）进行优化对比。优化结果表明：在BORC系统中,多维偏好线性规划法（LINMAP）优化得出的点表明非共沸工质的净输出功分别要比纯R245fa和纯pentane高5.6%和14.0%。在DSORC系统中,LINMAP点表明非共沸工质的净输出功要比R245fa和pentane分别高1.2%和6.3%;在所研究的四种系统中,Pareto Front表明TLORC系统SIC最低,比BORC系统低5.4%,同时净输出功比BORC系统高4.86%。     

工质泵变运行工况对有机朗肯循环系统性能的影响

有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）系统凭借其优越的性能已被应用于众多领域。工质泵是为ORC系统提供所需压力和流量的主要部件，其性能直接影响了其他部件性能及系统整体性能。本文通过理论计算分析了不同热力参数对单位质量流量工质泵输入功率及泵功指数的影响情况。进而以R245fa作为工质在冷凝温度为303K的模拟ORC系统工作条件下展开实验研究，分析变运行工况下两种不同类型工质泵（多级离心泵、液压隔膜计量泵）的运行参数变化规律及相互影响因素。进而探究工质泵变运行参数对ORC系统性能的影响。实验结果表明：液压隔膜计量泵的流量较低且受出口压力的影响较小，其输入功率最高仅为360.34 W，相同工况下仅是多级离心泵输入功率的16.29%。两者的实际运行效率随运行工况的变化而改变，最高分别可达59.96%、55.26%。结合理论计算，使用这两个泵的ORC系统泵功指数均在0.03～0.48范围内变化，热效率最高分别可达11.66%、10.35%。液压隔膜计量泵更适合于所需流量较低的ORC系统。     

基于基团拓扑的遗传神经网络工质临界温度预测

用遗传神经网络预测工质的临界温度,网络的输入参数为分子基团和拓扑指数,输出参数为临界温度。所划分的16个分子基团涵盖了制冷、热泵及有机朗肯循环系统中的大部分工质,所选拓扑指数能够分辨工质中所有的同分异构体。通过遗传算法优化得到网络结构及初始参数后,由神经网络对工质临界温度进行预测,同时为了提高网络对临界温度预测的泛化能力,将200种工质划分成训练集、验证集及测试集。所得网络能够区分所有的同分异构体,且与实验值相比,各数据集临界温度的平均相对误差分别为1.18%、1.69%、1.28%,表明该网络对工质临界温度具有很好的预测能力。     

基于基团拓扑的遗传神经网络工质临界温度预测

用遗传神经网络预测工质的临界温度,网络的输入参数为分子基团和拓扑指数,输出参数为临界温度。所划分的16个分子基团涵盖了制冷、热泵及有机朗肯循环系统中的大部分工质,所选拓扑指数能够分辨工质中所有的同分异构体。通过遗传算法优化得到网络结构及初始参数后,由神经网络对工质临界温度进行预测,同时为了提高网络对临界温度预测的泛化能力,将200种工质划分成训练集、验证集及测试集。所得网络能够区分所有的同分异构体,且与实验值相比,各数据集临界温度的平均相对误差分别为1.18%、1.69%、1.28%,表明该网络对工质临界温度具有很好的预测能力。     

非共沸混合工质组分调控ORC系统热经济性分析和优化

作为最具潜力的低品位热能发电技术之一，有机朗肯循环（ORC）近年来受到越来越多的关注。与传统的高品位能源发电技术相比，其运行性能对环境温度的变化极其敏感。提出一种新型非共沸混合工质ORC系统，利用分液冷凝器调节混合工质组分，以适应环境温度的变化，进而提高系统性能。根据环境温度的变化构建热力学优化模型获得最优组分；冷凝过程中利用分液冷凝器和组分调控系统改变混合工质组分。通过案例验证了新系统的热经济性能优势，研究结果表明：对于100℃热源，在定压运行工况下，新系统较传统系统的经济性可提高38.90%，而在滑压运行工况下，新系统较传统系统的经济性可提高15.35%，且使用不同非共沸混合工质时，系统性能有显著差异。     

基于Excel的超临界蒸汽动力循环工艺计算程序

在Cycle Pad中模拟蒸汽动力循环流程时,一旦操作点达到超临界状态,便会超出软件的计算范围。而REFPROP中的热力学参数函数具有很广的计算范围,故本工作尝试在Excel中调用REFPROP中的函数,并通过编程实现了各操作点参数的自动计算。此外,由于REFPROP中有更多的工质可供选择,极大地丰富了模拟计算的内容,对于蒸汽动力循环工质及最佳操作点的研究具有积极意义。     

基于经济性和效率的有机朗肯循环工质优选

采用一种结合了经济性能和效率的综合评价指标对有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)工质进行多目标优选。定义经济性目标函数为系统所需总换热面积和净输出功的比值,而综合评价函数为经济性目标函数和效率的加权和。在该计算模型中,以95℃地热水为ORC系统热源,输入相同的热量。分别计算采用十几种不同工质的ORC系统在所选蒸发温度和冷凝温度变化范围内的经济性目标函数和效率,继而得出两者的多目标综合评价函数。计算结果表明:从经济性的角度来看,系统存在最佳蒸发温度;系统经济性随冷凝温度的降低而提高,两者呈二次函数关系;所选的多种工质在该温度变化范围内相比较,R113、R245ca具有较好的经济性能,R161的效率较高,而综合评价函数的结果表明R161具有较优的性能。     

图神经网络预测烃类工质的热力学性质

有机朗肯循环(ORC)因其低温热电转换的能力而备受关注,寻找高效环保工质,以代替具有较高全球变暖潜能值(GWP)的氢氯氟烃(HCFC)和氢氟烃(HFC),是推动ORC应用的重要任务之一。构建一个基于图神经网络(GNN)的ORC烃类工质热力学性质预测模型,通过图神经网络学习分子结构的特征,并将分子结构信息与温度结合,利用多层感知机(MLP)构建热力学性质预测模型。模型基于2508种C₂～C₁₀的链状烃、环烃和芳香烃分子构建训练集,所得模型在预测临界温度、蒸发焓、气相摩尔热容和液相摩尔热容上均取得良好效果,优于文献的预测效果。此外,应用所得模型预测了超43万个氢氟烯烃(HFO)的热力学性质。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环(ORC)低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示:发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h~(-1)。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

目前对有机朗肯循环(ORC)有无内回热器的对比研究主要集中在循环热力性能随初参数变化的对比,但很少考虑吸热量对两个系统热力性能的影响。本文以烟气余热为热源,构建无回热和带有内回热的ORC系统,选用10种干工质,通过热源参数变化引起工质吸热量的变化,分析工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及(火用)损的变化规律,得出了较优工质和各工质对内回热器的匹配性。结果表明:当热源温度为150℃、排烟温度在70~90℃间引起的工质吸热量变化时,在窄点温差为10℃下,带有内回热器的ORC系统更适用于吸热量较低的区间;当吸热量较高时,内回热器对系统热力性能提升的能力降低,甚至低于无回热的ORC系统;经综合比较,工质R236ea和R600a最优,工质R245fa和R600为较适合工质;以R123为工质的带有内回热器和无回热的ORC系统热力性能差异较小,热耗率最大差值仅为约600kJ/kg,净功量最大差值也仅为约2kW,因此,R123对内回热器的热匹配性相对较差。     

ORC工质选择的多级非结构性模糊决策分析

工质的选择是有机朗肯循环(ORC)系统优化中的关键问题之一。建立了基于多级非结构性模糊决策分析方法的ORC工质优选体系,根据影响因素的非结构性的特点建立三级模糊优选模型,综合考虑ORC系统的技术性能、经济性能和环保性能3方面因素的影响,并针对影响ORC工质优选的因素复杂、确定隶属函数主观因素较强的情况引入非结构性模糊决策法以确定其隶属度与权重。应用此模型对150℃热源条件下某ORC系统进行工质的优选,得到了不同评价级对应的优选工质序列。R123是对应三级评价准则下该ORC系统的最优工质,验证了多级非结构性模糊决策模型在ORC工质优选中的适用性。     

有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能

为研究车用有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热回收系统中工质泵的性能及选型,在模拟车用ORC余热回收系统的工作环境下,设计并搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统。通过控制多级离心泵转速(870~2900 r·min~(-1))、调节工质流量(0.20~5.00 m3·h~(-1)),得到了多级离心泵特性曲线。通过分析变工况时多级离心泵关键参数间相互作用关系,及其对车用ORC余热回收系统性能的影响情况,验证了多级离心泵应用于车用ORC余热回收系统的可行性,并确定了其最佳工况点参数。研究结果表明:变工况时,多级离心泵总效率为15.00%~65.70%。车用ORC余热回收系统的蒸发压力、热效率均随着多级离心泵转速的增加而增加。在高转速区,工质流量对系统蒸发压力和多级离心泵输入功率(多级离心泵消耗的电功率)的影响明显增大。随着系统蒸发温度的升高,工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例(back work ratio,BWR)最高可达0.45。当多级离心泵转速为2900 r·min~(-1)时,车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。     

低温烟气有机郎肯循环系统热力性能与经济性的对比分析

以工业低温烟气余热有机朗肯循环(ORC)发电系统为研究对象,选取了两组共4种工质,基于热源参数分别对系统热力性能及经济性指标进行计算,分析不同工质系统的热经济性与经济性指标的变化,对4种工质的热力性能指标、经济性指标以及最佳工况进行对比分析。结果表明,同组工质的净功量和热耗率变化相似且数值接近,但电力生产成本和投资回收期差别较大。同一工质的最佳热经济性工况和最佳经济性工况存在差异,在本文条件下,工质最佳经济性工况下的蒸发温度高于最佳热经济性工况下的蒸发温度约8~10℃。R600a为所选4种工质中兼顾经济性与热经济性的最佳工质,采用R236ea的系统热力性能好于R600,而采用R600的系统电力生产成本始终低于R236ea,R600相比于R236ea具有明显的经济性优势。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环（ORC）低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示：发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h^-1。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

基于混合工质的多级蒸发ORC理论极限性能研究

作为低温余热发电的首选方案,有机朗肯循环（ORC）得到广泛的工业应用。混合工质与双压蒸发结合的策略被证实能够大幅提升ORC系统热效率,但更多级蒸发对循环性能的影响仍未知。因此,提出基于混合工质的多级蒸发ORC（MZORC）概念,通过分析构建蒸发过程的传热极限模型,结合Aspen Plus对基本ORC（BORC）、两级蒸发和三级蒸发MZORC进行过程模拟,揭示了系统循环性能的理论极限。研究结果表明：MZORC能够降低循环工质蒸发过程带来的热量损失及流耗散率;423.15 K热源、298.15 K环境温度工况下,三级蒸发MZORC的净输出功较BORC有38.6%的显著提升;增加蒸发级数能够使系统性能更接近理论极限,BORC、两级蒸发和三级蒸发MZORC系统净输出功分别能够达到理论极限值的65.0%、79.0%及90.1%。     

用于能量回收的有机朗肯循环混合工质研究

近年来随着低温余热的利用越来越受到重视,将LNG冷能和低温余热联合应用的有机朗肯循环研究也受到了广泛的关注,其中循环工质的选择更是提高系统热力性能的关键。针对循环工质选择的问题,将R236ea、R245fa以及两者按不同质量分数配比得到的9种混合工质作为亚临界ORC工质,结合窄点分析方法计算了系统在2种最佳设计工况下的热力学性能及热经济性。结果表明:混合工质R236ea/R245fa(0.9/0.1)和R236ea/R245fa(0.8/0.2)分别是以最佳热和冷回收效率为设计工况标准时的最佳循环工质;2种工况下,混合工质的热经济性均优于纯工质;在混合工质中提高R236ea的比例可以有效降低换热面积,提高系统经济性。为日后将低温余热和LNG冷能联合应用的有机朗肯循环二元混合工质选择提供一定的参考。