多股流紧凑式换热器优化设计方法：高温电解制甲烷系统案例分析

作     者：何芝飞 李承周 杨志平 杜智宇 王利刚 

作者机构：华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心 华北电力大学能源电力创新研究院 国电投(北京)综合智慧能源研究院有限公司 

出 版 物：《中国电机工程学报》 (Proceedings of the CSEE)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 081702[工学-化学工艺] 080702[工学-热能工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2023YFB4204000) 

主　　题：固体氧化物 电解制甲烷 多股流紧凑式换热器 遗传算法 层排列 

摘      要：“双碳战略和可再生发电装机规模化发展背景下，固体氧化物电解（solid oxide electrolysis，SOE）制氢及其衍生物是解决可再生电力消纳的新途径。SOE高温运行需要配置换热器和风机等辅助部件维持系统内部热动力学平衡，合理的换热器设计对于提高系统紧凑性和能效具有重要意义。本文提出一种基于非支配排序遗传算法的多股流紧凑式换热器多目标优化设计方法，对多股流板翅式换热器外形尺寸和翅片参数进行同步优化，并以累计热负荷均方差为指标对换热器层排列进行优化。以SOE制甲烷系统为研究对象，结果表明：翅片频率是影响系统紧凑度的关键因素，翅片频率从444 m-1增加到786 m-1，换热器体比表面积从643 m2/m3增大到1116 m2/m3，但换热器摩擦因子和流动耗功分别增加了10.7%和0.2 kW；通过优化层排列方式，累计热负荷均方差降低了0.6 kW。对于SOE制甲烷系统气气换热器，四股流紧凑式换热器（35 kW）与两股流换热器（28 kW）相比，体积减小了88%。该方法同步优化了多股流板翅式换热器外形尺寸、翅片参数与层排列方式，为多股流换热器高温场景应用提供参考。