基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法，包括步骤A、建立有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统；步骤B、建立有机朗肯循环驱动高压泵数学模型，得到给定条件下的高压泵出口流量值；步骤C、建立反渗透海水淡化系统的传质数学模型，并根据步骤B中的高压泵出口流量值，从传质数学模型中得到海水通过反渗透膜的淡水通量、浓盐水通量及产生淡水流速值。本发明专利技术实现余热利用和生产淡水特性的关系，得到余热进口温度、余热出口温度对有机朗肯循环驱动反渗透膜法淡水流量和淡水含盐量的影响，优化系统设置，提高低温烟气热能利用率和淡水产生率，对海水淡化厂规划，火力发电厂余热利用等工业生产具有重要的指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可以计算有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化产水特性的数学模型，属于海水淡化

技术介绍
世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题，作为水资源开源增量的重要手段，海水淡化已经成为解决水资源危机的重要途径。在众多的海水淡化技术中，反渗透海水淡化(SWRO)技术将是未来重点发展的方向。SWRO适用于大型、中型或小型各种规模，是海水淡化技术中近20年来发展最快的技术。除了海湾地区的国家外，美洲、亚洲和欧洲，大、中型生产规模的淡化装置都以反渗透技术为首选，反渗透技术已经相对比较成熟，具有较强的优势，如设备投资省、能量消耗低、建设周期短等诸多优点，正日益成为海水淡化的主导技术。虽然反渗透海水淡化技术应用已取得了显著成效，但反渗透在海水淡化潜力尚未充分发挥，还有待在膜技术、能量回收、组器技术等方面改进，尤其是系统优化及高压泵能耗方面进行完善。有机朗肯循环(ORC)技术可以广泛应用于各种低温热能领域，如余热、太阳能集热、地热等，世界各国逐渐将其应用于各种领域，主要包括:低温余热发电、低温太阳能发电海水淡化工程、生物质能热力发电、地热能发电热菜技术和燃气透平联合循环发电等。ORC技术在低温热功转换过程中有显著的优点和广阔的应用前景，对其研究已成为中低温能源利用技术的关键和热点。如何提高ORC系统整体效率，增加膨胀机的输出功率，成为了有效利用低品位能源的关键性技术难题。以膨胀机作为高压泵的传动动力，假设膨胀机入口温度的反问题求解策略，解决余热温度、膨胀机入口温度与RO反渗透产水特性的关系。根据工业系统产生余热的特性以及有机朗肯循环运行条件，研究反渗透膜法压力和流量对产水特性的影响，不仅对于探索新型海水淡化系统，而且对于有机朗肯循环的余热利用特性的理论研究具有重要意义，为深入探讨余热利用和海水淡化工艺奠定了重要的理论基础。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法，通过分析不同余热的进出口温度及膨胀机的运行效率，优化反渗透膜法海水淡化产水特性，以指导工业生产。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤A、建立有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，所述有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统包括有机朗肯循环系统和反渗透海水淡化系统两部分；步骤B、建立有机朗肯循环驱动高压泵数学模型，根据步骤A中的有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，得到给定条件下的高压泵出口流量值；步骤C、建立反渗透海水淡化系统的传质数学模型，并根据步骤B中的高压泵出口流量值，从该传质数学模型中得到海水通过反渗透膜的淡水通量、浓盐水通量及产生淡水流速值。本专利技术的进一步改进在于：有机朗肯循环系统包括与系统余热管道相连通的蒸发器、与蒸发器的有机工质管道相连通的膨胀机、与膨胀机出口相连通的冷凝器、与冷凝器的有机工质管道出口相连通的工质泵，工质泵的出口连通蒸发器的有机工质管道入口；所述蒸发器还设置有用于与有机工质换热的余热排放管道，冷凝器还设置有用于与有机工质换热的冷却水进口和冷却水出口；反渗透海水淡化系统包括与膨胀机出口相连通的高压泵、与高压泵的原料海水出口相连接的反渗透膜、与反渗透膜的淡水出口和浓盐水出口分别连接的淡水箱和浓盐水箱，高压泵的原料海水进口连通原料海水管道。本专利技术的进一步改进在于：步骤B包括如下步骤：步骤B1、给定有机朗肯循环驱动中所使用的低温烟气的质量流量mgas、平均比热容Cp,gas、进口热力学温度Tgas,in和出口热力学温度Tgas,out，根据蒸发器中低温烟气总回收热量计算公式：Qa＝mgasCp,gas(Tgas,in-Tgas,out)，计算出低温烟气总热值Qa，其中：mgas——低温烟气的质量流量，kg/s；Cp,gas——低温烟气的平均比热容，kJ/(kg.K)；Tgas,in——低温烟气的进口热力学温度，K；Tgas,out——低温烟气的出口热力学温度，K；Qa——低温烟气的总热值，kW；步骤B2、给定有机工质在膨胀机的入口温度T1，假定有机工质在膨胀机的入口压力为P1，根据步骤B1得到的低温烟气总热值Qa，利用工质物性计算软件Refprop软件计算出有机工质分别在蒸发器入口状态的焓值h1和在蒸发器出口状态的焓值h5，h1和h5的单位均为J/kg；步骤B3、利用步骤B2得到的h1和h5，根据蒸发器中有机工质吸热量方程Qa＝mORC(h1-h5)，得到有机工质的质量流量mORC，单位是kg/s；步骤B4、忽略工质泵引起的工质熵增，所以有机工质在达到饱和温度前吸热量与温度关系的方程表达式如下：Q＝mORCCp,f(T-T5)≈mORCCp,f(T-T4)其中，Q——有机工质在达到饱和温度前吸热量，kW；Cp,f——有机工质比热容，kJ/(kg.K)；T4——工质泵泵前有机工质的温度，K；T——有机工质在工质泵内的实时温度，K；T5——工质泵泵后有机工质的温度，K；根据ORC系统中有机工质的T-S图，依据相似三角形理论，整理简化后可以得出如下方程：ΔTPTgas,out-T5≈ΔTPTgas,out-T4=QJ-QPQJ]]>其中，ΔTp——窄点温差，K；QJ——海水流量，m3/s；Qp——淡水流量，m3/s；Q——有机工质在达到饱和温度前吸热量，kW；根据如下公式，计算有机工质在工质泵内的实时温度T：T(Tgas,out-ΔTp-mORCCp,fT5mgasCp,gas)/(1-mORCCp,fmgasCp,gas);]]>步骤B5、根据步骤B4中的有机工质在工质泵内的实时温度T，给定低温烟气的窄点温差ΔTp，利用Refprop软件计算出有机工质在膨胀机的入口压力计算值P1*；步骤B6、若步骤B5的P1*与步骤B2的P1不一致，利用Matlab编程迭代求解，将P1*代替P1重复步骤B2～B5，直到膨胀机入口压力收敛至P1-P1*≤10-6，根据膨胀机的等熵效率计算公式获得有机工质在膨胀机做功后的焓值h2；然后根据膨胀机输出功率公式Wt＝mORC(h1-h2)，获得Wt；其中：ηs,exp——膨胀机的等熵效率；h1——有机工质进蒸发器的焓值，J/kg；h2——有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法，其特征在于包括如下步骤：步骤A、建立有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，所述有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统包括有机朗肯循环系统和反渗透海水淡化系统两部分；步骤B、建立有机朗肯循环驱动高压泵数学模型，根据步骤A中的有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，得到给定条件下的高压泵出口流量值；步骤C、建立反渗透海水淡化系统的传质数学模型，并根据步骤B中的高压泵出口流量值，从该传质数学模型中得到海水通过反渗透膜的淡水通量、浓盐水通量及产生淡水流速值。

【技术特征摘要】
1.基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计算方法，其特征在于包
括如下步骤：
步骤A、建立有机朗肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，所述有机朗肯循
环驱动的反渗透海水淡化系统包括有机朗肯循环系统和反渗透海水淡化系统两
部分；
步骤B、建立有机朗肯循环驱动高压泵数学模型，根据步骤A中的有机朗
肯循环驱动的反渗透海水淡化系统，得到给定条件下的高压泵出口流量值；
步骤C、建立反渗透海水淡化系统的传质数学模型，并根据步骤B中的高
压泵出口流量值，从该传质数学模型中得到海水通过反渗透膜的淡水通量、浓
盐水通量及产生淡水流速值。
2.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计
算方法，其特征在于：
有机朗肯循环系统包括与系统余热管道(1)相连通的蒸发器(3)、与蒸发
器(3)的有机工质管道相连通的膨胀机(4)、与膨胀机(4)出口相连通的冷
凝器(5)、与冷凝器(5)的有机工质管道出口相连通的工质泵(6)，工质泵(6)
的出口连通蒸发器(3)的有机工质管道入口；所述蒸发器(3)还设置有用于
与有机工质换热的余热排放管道，冷凝器(5)还设置有用于与有机工质换热的
冷却水进口和冷却水出口；
反渗透海水淡化系统包括与膨胀机(4)出口相连通的高压泵(8)、与高压
泵(8)的原料海水出口相连接的反渗透膜(11)、与反渗透膜(11)的淡水出
口和浓盐水出口分别连接的淡水箱(12)和浓盐水箱(13)，高压泵(8)的原
料海水进口连通原料海水管道(7)。
3.根据权利要求2所述的基于有机朗肯循环驱动反渗透膜法产水特性的计
算方法，其特征在于步骤B包括如下步骤：
步骤B1、给定有机朗肯循环驱动中所使用的低温烟气的质量流量mgas、平
均比热容Cp,gas、进口热力学温度Tgas,in和出口热力学温度Tgas,out，根据蒸发器(3)
中低温烟气总回收热量计算公式：
Qa＝mgasCp,gas(Tgas,in-Tgas,out)，计算出低温烟气总热值Qa，其中：
mgas——低温烟气的质量流量，kg/s；
Cp,gas——低温烟气的平均比热容，kJ/(kg.K)；
Tgas,in——低温烟气的进口热力学温度，K；
Tgas,out——低温烟气的出口热力学温度，K；
Qa——低温烟气的总热值，kW；
步骤B2、给定有机工质在膨胀机(4)的入口温度T1，假定有机工质在膨
胀机(4)的入口压力为P1，根据步骤B1得到的低温烟气总热值Qa，利用工质
物性计算软件Refprop软件计算出有机工质分别在蒸发器(3)入口状态的焓值
h1和在蒸发器(3)出口状态的焓值h5，h1和h5的单位均为J/kg；
步骤B3、利用步骤B2得到的h1和h5，根据蒸发器(3)中有机工质吸热
量方程Qa＝mORC(h1-h5)，得到有机工质的质量流量mORC，单位是kg/s；
步骤B4、忽略工质泵(6)引起的工质熵增，所以有机工质在达到饱和温度
前吸热量与温度关系的方程表达式如下：
Q＝mORCCp,f(T-T5)≈mORCCp,f(T-T4)
其中，
Q——有机工质在达到饱和温度前吸热量，kW；
Cp,f——有机工质比热容，kJ/(kg.K)；
T4——工质泵泵前有机工质的温度，K；
T——有机工质在工质泵内的实时温度，K；
T5——工质泵泵后有机工质的温度，K；
根据ORC系统中有机工质的T-S图，依据相似三角形理论，整理简化后可
以得出如下方程：
ΔTPTgas,out-T5≈ΔTPTgas,out-T4=QJ-QPQJ]]>其中，
ΔTp——窄点温差，K；
QJ——海水流量，m3/s；
Qp——淡水流量，m3/s；
Q——有机工质在达到饱和温度前吸热量，kW；
根据如下公式，计算有机工质在工质泵(6)内的实时温度T：
T=(Tgas,out-ΔTp-mORCCp,fT5mgasCp,gas)/(1-mORCCp,fmgasCp,gas);]]>步骤B5、根据步骤B4中的有机工质在工质泵(6)内的实时温度T，给定
低温烟气的窄点温差ΔTp，利用Refprop软件计算出有机工质在膨胀机(4)的
入口压力计算值P1*；
步骤B6、若步骤B5的P1*与步骤B2的P1不一致，利用Matlab...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢学旺，赵晓利，李智，董舟，孟金波，
申请(专利权)人：河北省电力勘测设计研究院，
类型：发明
国别省市：河北;13