环冷机烟气余热驱动的ORC系统性能分析及多目标优化研究

作     者：吴豪 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯军胜

授予年度：2024年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：环冷机 余热回收 有机朗肯循环 热力性能 经济性能 遗传算法 

摘      要：当前,随着能源使用量持续增长和环境污染不断加剧,迫切需要转变能源结构,节约和有效利用能源,并优化能源利用模式。在这一背景下,工业余热回收的重要性日益凸显。工业余热回收不仅是推动向低碳经济转型、实现气候目标的重要手段,也是加快可持续发展、维护生态环境的必要举措。在余热回收利用的研究领域中,利用余热资源进行余热发电是一种可持续的能源利用方式,可以有效提高能源利用效率,减少环境污染,并带来经济效益。有机朗肯循环（ORC）作为一种理论成熟的中低温余热回收技术,具有热循环效率高、结构简单、维护成本低等优点,尤其适用于低温余热发电技术。因此,采用低温余热发电技术,将工业余热资源用于ORC系统发电,对于提高钢铁企业余热资源利用率,推动实现“双碳目标都具有重要意义。 本文以360m2烧结机配套的环冷机三段出口烟气余热为研究对象,并通过烟气换热器将循环水加热后作为ORC系统热源,同时采用R245fa作为系统循环有机工质,研究不同循环水进口温度条件下,系统热力参数对其性能的影响。此外,以最大系统?效率和最小发电成本（EPC）为优化目标,通过基于遗传算法（GA）的多目标优化方法揭示了ORC系统最佳热力参数、最佳循环水进口温度、最佳热力性能和经济性能。主要研究内容与结论如下: （1）介绍了亚临界ORC系统的工作原理、基本组成部分和热力学循环过程,根据工质筛选原则选取了五氟丙烷（R245fa）作为循环工质。建立了热力学和热经济计算模型,并对模型进行验证分析。验证结果表明系统净输出功和系统热效率的模拟结果与文献结果值具有较高的吻合度,最大相对误差分别不超过0.16%和0.85%,可用于研究ORC系统性能。 （2）基于亚临界ORC系统的热力学和经济计算模型,选用R245fa作为循环工质,利用热力学数值计算软件和工质物性参数查询软件Refprop对系统模型进行计算。即在不同循环水进口温度条件下,分析系统热力参数对其性能的影响,并对系统四个热力参数进行敏感度分析。研究结果表明:当循环水进口温度为140℃～150℃时,随着工质蒸发温度的增大,系统净输出功先增大后减小,热效率和?效率逐渐增大,而单位净输出功所需换热面积（APR）和EPC则呈逐渐减小趋势。当循环水进口温度为160℃～180℃时,存在最佳工质蒸发温度110℃,使得系统能够达到最大的系统净输出功、热效率和?效率,同时使得APR和EPC最小。 （3）随着工质冷凝温度的增大,系统净输出功、热效率和?效率均减小,但APR和EPC会出现先减少后增加的趋势。随着工质过热度的增加,系统的净输出功和?效率会减少,而热效率则呈现先增加后减少的趋势;当循环水进口温度在140℃～150℃时,APR和EPC会呈现先减少后增加的趋势;而当循环水进口温度在160℃～180℃时,APR和EPC则逐渐减小。随着蒸发器节点温差的增加,系统净输出功和?效率减少,热效率保持在一个固定值,但APR和EPC均呈持续减少趋势。在一定循环水进口温度范围内,系统热力性能随循环水进口温度升高而提升,但经济性能较差。工质冷凝温度对系统净输出功、热效率和?效率的敏感度最为显著,而工质蒸发温度对APR和EPC的敏感度最高。 （4）针对140℃～180℃变温热源,建立了以系统热力学性能（最大?效率）和经济性能（最小发电成本）为优化目标的亚临界ORC系统双目标优化模型。以工质蒸发温度、冷凝温度、过热度和蒸发器节点温差作为决策变量,采用遗传算法对系统性能进行优化。研究结果表明:系统最佳循环水进口温度为170℃、最佳工质蒸发温度为110℃、冷凝温度为30.44℃、过热度为6.53℃以及蒸发器节点温差为9.46℃,且在最佳参数的设定下,系统能够实现最大净输出功率为2879.56k W,最大热效率为13.67%,最大?效率为38.94%。同时,最小APR为2.61m2/k W,最小EPC为0.084$/k Wh。此外,系统优化后的烟气出口温度为105.88℃,低温烟气的余热回收率达到64.22%。 图[34]表[8]参[92]