[發(fā)明專利]基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110204315.8
• 申請(qǐng)日: 2021-02-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112796845B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊東升;周博文;李廣地;金碩巍;王迎春;羅艷紅;楊波;鄭海洪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): F01K27/00
• 分類號(hào): F01K27/00;F01K11/02;F01K25/10;F01D15/10;F01D21/00;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 李梁

1.一種基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)，其特征在于，包括余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備、計(jì)算機(jī)、傳感器、AD轉(zhuǎn)換電路、DSP；

所述傳感器包括溫度、壓力、功率傳感器，安裝于余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中的過(guò)熱器、汽輪機(jī)冷凝器位置和ORC發(fā)電設(shè)備中工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器位置，獲取ORC發(fā)電設(shè)備、余熱鍋爐設(shè)備基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，傳輸至所述AD轉(zhuǎn)換電路的輸入端，其輸出信號(hào)傳送至所述DSP，并通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸至計(jì)算機(jī)；

所述計(jì)算機(jī)為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，包括用戶登錄模塊、設(shè)備信息模塊、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示分析模塊和報(bào)警模塊；

其中所述用戶登錄模塊通過(guò)輸入正確的系統(tǒng)用戶名、密碼及驗(yàn)證碼，完成用戶登錄操作，進(jìn)入基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)界面；所述設(shè)備信息模塊顯示收集到的余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備的參數(shù)信息；所述設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模塊顯示通過(guò)傳感器采集到的余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備運(yùn)行情況；所述歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示分析模塊通過(guò)傳感器將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)中，通過(guò)表格的形式進(jìn)行顯示，其中表格第一列為時(shí)間，第二列之后依次為工業(yè)余熱、余熱鍋爐消耗余熱、余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備發(fā)電、ORC發(fā)電設(shè)備消耗余熱、ORC發(fā)電設(shè)備發(fā)電功率值，最后一列為系統(tǒng)總體能源利用效率，所述報(bào)警模塊以各余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備溫度、氣壓為響應(yīng)，若設(shè)備溫度、氣壓超過(guò)其設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)軟件平臺(tái)報(bào)警，系統(tǒng)中余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)，其特征在于，所述基本運(yùn)行數(shù)據(jù)包括設(shè)備裝機(jī)容量、工質(zhì)類型、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)備容積、冷凝器內(nèi)熱交換管長(zhǎng)度和工業(yè)余熱數(shù)據(jù)。

3.一種基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電方法，基于權(quán)利要求1所述的一種基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)，確定基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備；

步驟2：根據(jù)基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，確定基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用方法，根據(jù)工業(yè)余熱的溫度、數(shù)量和用于需求實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)口，梯級(jí)利用，使余熱溫度逐級(jí)降低，直至余熱發(fā)電設(shè)備無(wú)法從系統(tǒng)獲得能量為止，剩余進(jìn)行排放；

步驟3：以工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)的效率和能源利用效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用方法評(píng)價(jià)優(yōu)化模型；所述評(píng)價(jià)優(yōu)化模型的效率公式如下：

式中：E_p代表整個(gè)基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電系統(tǒng)利用工業(yè)余熱發(fā)出的電所具有的E_F代表工業(yè)系統(tǒng)的余熱供給

其中E_p包含兩部分：余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備利用高、中溫余熱發(fā)出的電所具有的以及ORC發(fā)電設(shè)備利用低溫余熱發(fā)出的電所具有的其具體公式如下：

式中：E_EB.p.i代表第i臺(tái)余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備利用高、中溫余熱發(fā)出的電所具有的E_ORC.p.j代表第j臺(tái)ORC發(fā)電設(shè)備利用低溫余熱發(fā)出的電所具有的N代表余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備的數(shù)量；M代表ORC發(fā)電設(shè)備的數(shù)量；

E_F包含3個(gè)部分：余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備利用高、中溫余熱提供的量、ORC發(fā)電設(shè)備利用低溫余熱提供的量、以及余熱鍋爐發(fā)電和ORC發(fā)電設(shè)備耗電消耗的量，其具體公式如下：

式中：E_EB.F.i代表第i臺(tái)余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備利用高、中溫余熱提供的量；E_ORC.F.j代表第j臺(tái)ORC發(fā)電設(shè)備利用低溫余熱提供的量；E_EB+ORC.d代表余熱鍋爐發(fā)電和ORC發(fā)電設(shè)備耗電消耗的量；E_EB.p.i＝P_EB.out.i×3600，P_EB.out.i代表第i臺(tái)余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備利用高、中溫余熱發(fā)出的電量；E_ORC.p.j＝P_ORC.out.j×3600，P_ORC.out.j代表第j臺(tái)ORC發(fā)電設(shè)備利用低溫余熱發(fā)出的電量；

所述評(píng)價(jià)優(yōu)化模型的能源利用效率公式如下：

式中：H_IWH.sum代表工業(yè)余熱用于發(fā)電的總熱量；

建立評(píng)價(jià)優(yōu)化模型的約束條件，所述約束條件包括各余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備間能量流平衡，以及余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p_{ORC.heat.out.j}滿足上下界閾值；

步驟4：采用狼群算法對(duì)基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用方法評(píng)價(jià)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得出余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p^*_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p^*_{ORC.heat.out.j}最優(yōu)值，并獲得余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備、ORC發(fā)電設(shè)備運(yùn)行情況；

步驟5：根據(jù)優(yōu)化后的余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p^*_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p^*_{ORC.heat.out.j}參數(shù)，通過(guò)DSP裝置采用H∞控制器分別對(duì)余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)閥門開(kāi)度l_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中膨脹設(shè)備的轉(zhuǎn)速w_{ORC.expander.j}進(jìn)行控制；

步驟5.1：根據(jù)狼群算法計(jì)算余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p^*_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p^*_{ORC.heat.out.j}最優(yōu)設(shè)定值；

步驟5.2：H∞控制器在工業(yè)余熱質(zhì)量流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)閥門開(kāi)度l_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中膨脹設(shè)備的轉(zhuǎn)速w_{ORC.expander.j}，保證余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p_{ORC.heat.out.j}穩(wěn)定在最優(yōu)值，提高工業(yè)余熱利用的經(jīng)濟(jì)性；

所述系統(tǒng)H∞控制器模型滿足如下不等式：

式中：γ0，代表干擾抑制系數(shù)；Q、R代表系統(tǒng)系數(shù)矩陣；x＝[p_EB.st.in.i,p_{ORC.heat.out.j}]^T為系統(tǒng)中被控變量；u＝[l_EB.st.in.i,w_{ORC.exp.ander.j}]為系統(tǒng)中操作變量；w＝[ΔG_EB.st.in.i,Δm_ORC.heat.j]為系統(tǒng)擾動(dòng)；

步驟6：調(diào)用系統(tǒng)軟件平臺(tái)，先輸入用戶名、密碼及驗(yàn)證碼，若輸入驗(yàn)證碼的不正確，則重新輸入；若是輸入密碼不正確，則需要重新輸入密碼；當(dāng)該用戶密碼錯(cuò)誤達(dá)到三次，則鎖定該用戶5min，5min以后通過(guò)郵箱或電話找回密碼，重新登錄；若輸入錯(cuò)誤密碼未達(dá)三次，則密碼正確以后，直接進(jìn)入系統(tǒng)軟件平臺(tái)，工業(yè)用戶根據(jù)實(shí)際需求選擇相應(yīng)的功能，包括設(shè)備信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示分析和報(bào)警，工業(yè)用戶進(jìn)行功能操作，最終完成基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于ORC的工業(yè)能源梯級(jí)利用供電方法，其特征在于：所述步驟4具體包括以下步驟：

步驟4.1：輸入余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備和ORC發(fā)電設(shè)備基本參數(shù)，包括設(shè)備裝機(jī)容量、工質(zhì)類型、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)備容積、冷凝器內(nèi)熱交換管長(zhǎng)度，在解空間中隨機(jī)初始化狼群的空間坐標(biāo)以及最大迭代次數(shù)T_max，其變量數(shù)目包括余熱鍋爐發(fā)電設(shè)備中汽輪機(jī)蒸汽壓力p_EB.st.in.i以及ORC發(fā)電設(shè)備中蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力p_{ORC.heat.out.j}；

步驟4.2：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)選取最佳的人工狼為頭狼，目標(biāo)函數(shù)記為F_max，然后除了頭狼外目標(biāo)值最大的人工狼為探狼，開(kāi)始游走行為，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)位置的目標(biāo)函數(shù)值大于頭狼的目標(biāo)函數(shù)值，將更新頭狼位置，同時(shí)頭狼發(fā)出召喚行為；若未發(fā)現(xiàn)，探狼繼續(xù)游走直到達(dá)到最大游走次數(shù)，頭狼在原本的位置發(fā)出召喚行為，具體公式如下：

式中：為探狼執(zhí)行游走行為的游走步長(zhǎng)；h代表探狼游走方向；p＝1,2,...,h；x_id代表探狼游走前的位置；代表探狼i向第p個(gè)方向游走后在第d維空間所更新的位置；

步驟4.3：聽(tīng)到頭狼召喚的猛狼向頭狼奔襲，開(kāi)始奔襲行為，若奔襲途中猛狼的目標(biāo)函數(shù)值大于頭狼的目標(biāo)函數(shù)值，則將對(duì)頭狼位置進(jìn)行更新；否則，猛狼將繼續(xù)奔襲直到進(jìn)入圍攻范圍，具體公式如下：

式中：為第k代人工狼頭狼在第d維空間中的位置；為頭狼執(zhí)行召喚行為時(shí)猛狼奔襲步長(zhǎng)；為第i個(gè)猛狼第k+1次在第d維空間所在的位置；

步驟4.4：靠近頭狼的猛狼將聯(lián)合探狼對(duì)獵物(把頭狼位置視為獵物)進(jìn)行圍捕，圍捕過(guò)程中若其他人工狼的目標(biāo)函數(shù)值大于頭狼的目標(biāo)函數(shù)值，則對(duì)頭狼位置進(jìn)行更新，直到捕獲獵物，具體公式如下：

式中：λ∈[-1，1]；為探狼和猛狼進(jìn)行圍攻行為的圍捕步長(zhǎng)；第k代人工狼在第d維空間中的位置；為第i個(gè)猛狼或探狼第k+1次在第d維空間所在的位置；

所述求解方法的游走步長(zhǎng)奔襲步長(zhǎng)圍捕步長(zhǎng)關(guān)系式如下：

式中：[d_min,d_max]代表變量的第d維取值范圍；S代表步長(zhǎng)因子；

步驟4.5：淘汰狼群中目標(biāo)函數(shù)值最小的H個(gè)人工狼，并在解空間中隨機(jī)生成新的H個(gè)人工狼，實(shí)現(xiàn)狼群的更新，H∈[n/(2×β)，n/β]，H為隨機(jī)整數(shù)，β為狼群更新比例因子，n為人工狼總數(shù)；

步驟4.6：判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，如果達(dá)到，則輸出最優(yōu)值，如果沒(méi)達(dá)到，則跳轉(zhuǎn)到步驟4.2。