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。     

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。     

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。     

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%。     

船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析

利用设计的有机朗肯循环系统回收船舶柴油机的排气能量,考虑冷却水循环,分析了蒸发温度、膨胀比对系统性能的影响。定义经济性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（火用）效率的加权和,以不同的优化目标函数,确定了适用于有机朗肯循环系统的最佳冷凝温度。研究结果表明,在一定膨胀比下,热效率随着蒸发温度的升高先增大再减小,存在最佳蒸发温度;优化目标函数不同,系统存在不同的最佳冷凝温度,以综合评价函数为优化目标,可确定较优的最佳冷凝温度;以R245fa为工质时,最佳蒸发温度为390K,最佳冷凝温度为316K,膨胀比为6.6,热效率可以达到12%;工质的选择对系统性能有很大影响,不同评价指标下系统的性能分析也不同。     

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。     

太阳能有机朗肯循环系统的实验特性

为研究中低温太阳能驱动的有机朗肯循环系统的性能,设计并建造了太阳能驱动的有机朗肯循环实验台.实验中以R245fa为有机朗肯循环工质,以WD350导热油为槽式集热器循环工质,对太阳能有机朗肯循环系统进行了实验研究.实验结果表明,当太阳直射辐射强度在400 W·m^-2左右时,集热器出口导热油温度可达 140℃.当集热器出口导热油温度在 110℃附近时,集热器集热效率可达60%左右.在该热源条件下,动力循环部分从基本循环模式切换到回热循环模式时,测算效率从9.3%提升到10.8%,实测循环效率从1.57%提升到1.67%,提升了6.07%.实测循环系统 效率在10%左右,回热模式下略高于基本循环模式.实验中还考察了不同工质流量下的有机朗肯循环性能,在工质流量为 6.88 kg·min^-1时,得到的最大实测平均功率为386.27 W.一定热源温度下,随着工质流量的增加,膨胀机进口压力增加,循环输出功也增加;在一定的工质流量下,随着热源温度的升高,膨胀机进口的温度提高,进口压力也升高,循环输出功也增加.     

ORC系统小型涡轮不同转速下的性能分析

目前针对有机朗肯循环(ORC)系统小型涡轮在变工况下运行性能的研究很少,对运行性能随涡轮转速的变化机制缺乏了解.而在可再生能源及余热利用过程中,ORC系统小型涡轮常处于变转速工况.把实验数据和设计数据相结合,针对采用R123为工质的小型径-轴流式高转速涡轮,采用CFX软件对涡轮叶轮三维流场进行了数值模拟.给出了热效率和叶轮等熵效率随转速的变化趋势,指出余速损失是低转速下热效率降低的主要原因.提出了修正后的涡轮能量公式,在低转速工况下对涡轮的做功性能分析时不能忽略涡轮进出口的动能变化,在计算涡轮出口的余速损失时,必须考虑工质流动速度的方向特性.     

板式换热器及其热力系统的运行特性和高级分析

针对不同换热设备组合之间以及换热设备在系统中的分布情况进行了研究,建立了高级分析模型,将换热设备与系统的损进一步分割成不可避免性部分和可避免性部分,计算相应的损失和效率,确定换热设备与系统中能量损失的主要部位,并在有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统试验台中进行验证,为换热设备及其热力系统的运行优化提供科学依据。结果表明,不同的换热面积对换热设备的能效有着非常大的影响,同时常规分析和高级分析提出了不同的系统优化次序。高级分析表明,蒸发器可避免损占蒸发器损的41.2%～60.0%,冷凝器可避免损占冷凝器总损最高可达91%～97%,整个ORC系统有52.5%～66.3%的损可以避免,有很大的改造潜力,且发现不合理设计的管道也会影响ORC系统性能。     

考虑环境影响的ORC系统综合评价指标及性能分析

为综合评价有机朗肯循环(ORC)系统的热经济和环保性能,采用(火用)参数量化工质的环境影响,提出了结合工质环境影响和循环热经济性能的综合评价指标"综合环境影响(火用)效率",在150℃的低温热源条件下,对考虑工质环境影响的亚临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环的系统性能进行了分析对比,结果表明,综合考虑循环热经济性能和工质环境影响因素时,R123和R32分别为亚临界有机朗肯循环系统和跨临界朗肯循环系统的最佳工质;跨临界ORC系统循环净输出功率要高于亚临界ORC系统,但是跨临界ORC系统较高的循环蒸发压力会引起工质泄漏量的增加,进而造成综合环境影响(火用)效率并不高,所以综合考虑环保和循环性能时,亚临界ORC系统是较好的选择.     

小型有机朗肯循环系统中工质泵的效率

对小型有机朗肯循环系统中工质泵的性能进行了实验研究,建立了应用R245fa工质的小型工质泵性能研究试验台,针对容积型工质泵的效率展开实验研究,对工质泵出口压力、进出口压差和系统质量流量分别进行控制,获得了工质泵等熵效率随上述3个变量的变化曲线.实验结果表明,在蒸发温度75℃、冷凝温度11℃条件下,有机朗肯循环系统中工质泵的等熵效率范围为15%~47%,随着系统质量流量的增大和工质泵进出口压差的增加,工质泵等熵效率升高,且受到系统质量流量的影响较大.实验证实了有机朗肯循环系统中工质泵的实际运行效率比以往模拟、理论计算研究中应用的工程经验值低.依据本研究实验结果,工质泵等熵效率宜取平均值30%;基于理论循环等熵过程的分析,泵功占膨胀机输出功的比例约为8%,而实际过程中,综合考虑泵的效率、电机效率、膨胀机机械效率,其比值可达到12%以上.