基于遺傳算法的低品位能量利用系統(tǒng)多目標性能優(yōu)化.pdf

1、高效、合理、深度地回收利用工業(yè)余熱資源對提高我國能源利用率有著重要意義，低品位能量利用系統(tǒng)的實際性能直接決定著余熱回收效率的高低，因此對其進行性能優(yōu)化至關重要。為滿足實際需求，多數(shù)情況下需要對系統(tǒng)的多個目標綜合考慮。本文以溫度低于200℃的工業(yè)煙氣為熱源，基于MALAB環(huán)境下的NSGA-II多目標遺傳算法和TOPSIS選擇算法對ORC系統(tǒng)、Kalina循環(huán)、電化學循環(huán)進行多目標性能優(yōu)化研究，為系統(tǒng)在實際應用中設計參數(shù)的優(yōu)化及循環(huán)工質(zhì)的選

2、擇提供參考。
　　本文首先以ORC系統(tǒng)的輸出功率和(火用)效率為多目標優(yōu)化函數(shù)，分析不同工質(zhì)和熱源溫度對輸出功率、熱效率、(火用)效率和(火用)損失等性能的影響。優(yōu)化結(jié)果表明，最大輸出功率和最大(火用)效率兩個優(yōu)化目標相互制約，工質(zhì)R245fa、n-pentane和R245ca能更好地協(xié)調(diào)兩者的關系，其中工質(zhì)R245ca的輸出功率和(火用)效率與最大值相比僅分別降低0.37％和4.22%。工質(zhì)的蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)的輸出功率和(火用

3、)損失也越大；工質(zhì)的極限溫度越高，相應的熱效率和(火用)效率也越大。
　　Kalina循環(huán)理論上比ORC系統(tǒng)具有更高的效率，本文也對Kalina循環(huán)(KCS-11)進行了(火用)分析和多目標優(yōu)化，提出內(nèi)部(火用)效率和外部(火用)效率的概念，分別了研究蒸發(fā)壓力和基本溶液氨濃度對系統(tǒng)內(nèi)部(火用)效率和外部(火用)效率的影響。多目標優(yōu)化的結(jié)果表明，存在基本溶液氨濃度和蒸發(fā)壓力的最優(yōu)組合使系統(tǒng)處于最合適的運行工況，此時輸出功率與最大值相

4、比僅降低0.7%，而(火用)效率則為折中值。Pareto前沿的關系式擬合表明，(火用)效率-功率的性能曲線和功率-(火用)效率的性能曲線均滿足4階多項式。
　　其次，電化學循環(huán)在低品位余熱回收方面也具有很大的應用潛力，本文基于有限時間熱力學和遺傳算法，考慮過程的持續(xù)時間、有限溫差傳熱、回熱損失及熱源之間的漏熱量等因素，系統(tǒng)地分析電極材料、換熱器性能和冷熱源的溫度比對電化學制冷機的功率消耗、制冷功率和性能系數(shù)等參數(shù)的影響，并基于χ準

5、則將制冷機傳統(tǒng)的工作區(qū)間細分為兩個更加具體的子區(qū)間。最大的χ準則優(yōu)化下，選擇具有更大的等溫系數(shù)和電容量密度、更小的內(nèi)阻和比熱容的電極能提高電化學制冷機的綜合性能；高性能的換熱器不能顯著提高制冷機的性能系數(shù)，電池的內(nèi)阻不應大于0.05Ω，最合適的電容量密度為41.7mA·hg-1；存在最優(yōu)的換熱器熱導（Kh=40WK-1和Kc=160WK-1）使性能系數(shù)最大，且最大值均為1.27。
　　此外，本文基于能量的梯級利用原則提出了ORC和

6、電化學循環(huán)耦合的梯級系統(tǒng)，并對其進行了多目標優(yōu)化研究。模擬結(jié)果顯示，梯級系統(tǒng)顯著提高了余熱的綜合回收效率，雖然ORC子系統(tǒng)的輸出功率低于電化學循環(huán)子系統(tǒng)，但其熱效率和(火用)效率均明顯高于后者。多目標優(yōu)化與最大輸出功率優(yōu)化的結(jié)果相比，梯級系統(tǒng)的總輸出功率僅降低1.16%，而總(火用)效率增加2.23%；與最大(火用)效率優(yōu)化的結(jié)果相比，總(火用)效率降低2.06%，但總輸出功率增加19.27%。
　　最后，在電化學制冷機的應用方面