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1、中温烟气余热动力回收复合循环参数优化摘要:使用C02超临界循环-有机工质跨临界循环复合循环(C02-SC/0TC),利用中高温烟气余热。以烟气初温600°C为例,以单位质量烟气流量净输出供为H标函数,应用Hysys软件建立循环的模型,并在Matlab环境卜采用遗传算法对循环参数进行优化,得到最优的循环参数,与以水为工质的抽气式朗肯循坏作比较,结果表明复合循坏较单级循坏具有一定优势。关键词:中温烟气,复合循环,动力回收,遗传算法0前言工业生产过程中会产生大量的烟气余热[1-3],有必要对中高温烟气余热进行动力回收。当前应用较广的是水蒸气朗肯循环
2、系统[4](H20-Rankinecycle,H20-RC)。由于中高温烟气热源初温高,放热过程温降大,而水作为工质,具有汽化潜热大、湿流体特性(要求以佼大过热度进入汽轮机以避免湿膨胀)等特点,使得吸热过程温度变化与烟气的放热过程温度变化明显不匹配,因而不利于循环效率和烟气余热利用率。有机工质的跨临界循环与烟气放热过程温度变化匹配较好[5-7][&9],但由于有机工质热稳定性的限制,有机工质循环最高温度则不能超过其热分解温度,故而与屮高温烟气之I'可存在较大的传热温差。针对以上循坏形式的不足,考虑到C02作为自然工质,具有出色的热稳定性,优良
3、的环境特性以及循环性能,但是由于其临界温度较低,限制了C02-TC在一般冷源条件下的应用,有学者提岀采用002超临界循环[10,11](002Super-criticalcycle,C02-SC),同时为了弥补其膨胀终温较高,导致循环效率低的缺点,引入了回热措施,从而提高了循环性能。针对以上循环的情况,本文对C02超临界循环(C02Super-criticalcycle,C02-SC)/有机工质跨临界循环(0TC)进行研究,并对循环参数进行优化,并与水的抽气式朗肯循环进行比较。1系统模型介绍1.1模型建立复合循环由上级C02-SC循环和下级0
4、TC循环组成,对上下级循环均引入了回热措施。循环T-S图和系统图见图1,15-16,12-1是超临界换热器中烟气的放热过程和C02的吸热过程,1-2,5-6为上级循环和下级循环在膨胀机中膨胀作功过程,2-10,13-15是在中间换热器中上级循环放热,下级循环吸热过程,10-11,4-12为上级循环回热过程,9-13,6-14为下级循环回热过程,11-3为上级循环在冷却器中放热过程,14-8为下级循环在冷凝器屮放热过程,3-4和8-9为上下级循环在工质泵中增压过程。利用Hysys软件建立的流程如下图所示,物性方法使用PSRV方法,图1co2-s
5、c/otc循环朗肯循环的结构对其热效率影响比较大,采用抽气冋热式能实现朗肯循坏热效率的利用。图2为常见的抽气式回热水的的朗肯循环系统的结构简图,采用两级涡伦组成主要结构。工质从加热器出来,经过一次膨胀做功后分出一部分进入二级膨胀机做功,另一部分则与从二级膨胀机膨胀过后的工质混合,再经过升压后进入加热器完成下一次循环。流程图如下。Q-105-2图2H2O-RC循环1.3系统热力学模型假设各个部件中均为稳态稳流工况;忽略散热损失;忽略工质的重力势能变化;除膨胀部件中的过程外,忽略工质的宏观动能变化;除膨胀部件和工质泵屮的过程外,忽略工质流动摩擦损
6、失。忽略动能、势能,忽略压力损失。1.3」CO2-SC/OTC烟气放热量:Q=cp_gas^qm_^as*(^I5-);⑴上级循环膨胀机输出功:vv.expj=qm_sub}*(%-钉;(3)上级循环冋热量:Q_reg}=qm_suh}*(/?10-h]})=qm_suh}*(/?12-/?4);⑷上级循环工质泵耗功:w_pump^=cpn_sub}*(/z4一包);⑸上级循坏净输出功:w_必人=w_expj-vv_pumpx:⑹上级循环向下级放热量:Q_im=qm_sub{*(包一力io);⑺下级循坏质量流量:qm_sub2=Q_im/(h
7、5~1^3);⑻(10)下级循环膨胀机做功:vv_exp2=qm_suh2*(人一方6);⑼下级循环冋热量:Q_厂绍2=炉2_皿$*(/%-力14)=C!m-SU^2*(力13-咫);(11)下级循环工质泵耗功:vv_pump2=qm_sub2*(%一饨);下级循环净输出功:w_net2=w_exp2-w_pump2;(12)复合循环净输出功:=w_net{-^-w_net2:(13)复合循环效率:〃=w^net/Q;(14)132水的抽气回热式朗肯循环烟气放热量:Q=cp_gas*qm_gas*g一;(⑸一级膨胀机输出功:vv_exp!=q
8、in_h2o^(h}-/?2);(16)二级膨胀机输出功:>v_exp2=g加_力20_1*(力5-力4);(17)循环回热量:Q_reg=qm_h2o_2^(/?