【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能流优化，具体而言，尤其涉及一种大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法。
技术介绍
1、近年来，由于使用天然气为燃料的内燃机氮化物和二氧化碳排放量低、成本效益明显，全球天然气需求稳步增长。而lng(液化天然气)在天然气储存和运输方面优势明显，被认为是最有前途和最有效的方法。
2、再气化是天然气供应链的最终流程，与传统的陆上lng接收站相比，fsru在建造时间、重定位、投资成本方面极具优势。
3、由于lng温度通常保存在-162℃，因此在再气化过程中有大量冷能以废热的形式释放到周围海水。但是，目前所使用的大多数再气化系统都不利用冷能。如果这些冷能可以被高效利用，将显著减少能源浪费和温室气体的排放。因此，将lng冷能回收集成到fsru再气化过程中意义非凡。
4、有机朗肯循环(organic rankine cycle,orc)可以有效捕获lng再气化过程中产生的冷能，并将其转化为有价值的电能或机械能，这样既提高了能源的利用效率，又减少了对外部电源的需求，同时，orc系统在运行过程中不会产生温室气体排放。因此，将fsru再气化系统与发电系统相结合，利用orc循环，形成冷能回收组合系统是进一步回收冷能的更好的解决方案。
5、近年来，产生了多种基于fsru中不同orc配置回收lng冷能的方法，主要集中在串联(三个阶段)和级联(四个阶段)的开环再气化系统，系统规模和复杂性日益提高。同样，这些系统的性能评估和优化方法也存在共性，即围绕系统仿真与参数
6、因此，基于上述问题，本专利技术提出了一种新型的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法。
技术实现思路
1、根据上述提出的技术问题，而提供一种大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法。本专利技术详细介绍了浮式储存再气化装置中大规模lng冷能回收再气化过程，通过对建模仿真结果的验证，证实了所提出模型的准确性和可靠性。进而深入分析了关键参数对系统性能的影响，论述了系统灵敏度和潜在的优化途径，并得出最佳系统工作点。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，包括：
4、步骤一、基于系统各元件能量守恒与进出口条件进行热流拓扑的比拟，建立第一模型，所述第一模型为初步热流拓扑模型；
5、步骤二、结合第一模型，基于基尔霍夫定律，根据热电流法，消除多余热流回路，建立第二模型，所述第二模型为最终全局热流拓扑模型；
6、步骤三、建立第三模型，所述第三模型为确定热量流平衡、热工水力平衡、工质种类、系统工况条件及各系统耦合环节的各种约束条件；
7、步骤四、基于第二模型和第三模型，求解热流拓扑模型，综合分析系统性能；对于系统性能的分析，包括能量分析、分析和火积传递热分析等；
8、步骤五、在步骤四的基础上，确定目标函数，设定决策区间，基于智能算法进行多目标优化，求解系统最优工况参数；所述目标函数包括效率、火用和耗散等热力学函数；
9、步骤六、引入fsru系统实例，进行步骤一～步骤五的方法分析，验证实例计算结果的准确性。
10、进一步地，所述步骤一中，初步热流拓扑模型的建模方法包括：
11、s1、基于大型热力系统的综合全局热流拓扑模型，将热力系统中的基本元件：换热器、蒸发器、冷凝器、混合器以及再冷凝器等效成包含热阻的热流模型；其中，基于有三种流体流经再冷凝器，则包含热阻的热流模型具有独特的构型；
12、s2、基于大型热力系统的综合全局热流拓扑模型，将驱动系统的基本元件：节流阀、驱动泵、压缩机、透平以及分离器等效成包含热动势的热流模型；
13、s3、通过s1和s2中各元件模型的组合及对系统热流拓扑的描述，初步建立全局热流拓扑模型，即初步热流拓扑模型。
14、进一步地，所述步骤二中，最终全局热流拓扑模型的建立方法为：在构建热流模型时，基于基尔霍夫定律，根据热电流法，仅由热动势构成的闭合回路表示封闭回路中的温度变化，在不改变系统基本性质的前提下被消除，建立起最终全局热流拓扑模型。
15、进一步地，所述步骤三中，热量流平衡约束包括能流拓扑约束、能量守恒约束、能流传递与转换约束及元件约束；其中，利用kcl方程得到描述整个系统热功转换过程的能量守恒方程；通过kvl方程组对热流法的利用体现系统内的热量传递与转换；所述元件约束包括换热器约束、汽轮机约束、压缩机约束和泵组约束；
16、所述换热器约束：基于热流法的热阻和热动势，通过结合aspen hysysys v11软件和matlab软件，对设计工况下的换热器进行模拟，得到换热性能参数；
17、所述汽轮机约束为描述汽轮机中的热功转换过程的约束方程，其中，由于在汽轮机实际循环的每一个过程中都有不可逆因素造成的不可逆损失，因此考虑不可逆因素对循环性能的影响，即为透平元件约束。
18、进一步地，所述步骤三中，热工水力平衡约束包括对于汽轮机和泵的约束；其中，泵的热工水力平衡约束条件通过以下方法获得：结合aspen hysysys v11软件和matlab软件对泵进行设计工况的模拟，对于给定的蒸发温度范围，得到相应的热工水力性能参数，最后用二次多项式对参数进行拟合得到泵的热工水力平衡约束；
19、工质种类约束即工质热物性的分析，工质的热物性根据内在的函数关系，由基本的热力学状态参数导出；其中，在相变过程压力已知的情况下，相变温度和相变潜热作为基本热物性参数，根据内在函数关系直接本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤一中，初步热流拓扑模型的建模方法包括：
3.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤二中，最终全局热流拓扑模型的建立方法为：在构建热流模型时，基于基尔霍夫定律，根据热电流法，仅由热动势构成的闭合回路表示封闭回路中的温度变化，在不改变系统基本性质的前提下被消除，建立起最终全局热流拓扑模型。
4.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤三中，热量流平衡约束包括能流拓扑约束、能量守恒约束、能流传递与转换约束及元件约束；其中，利用KCL方程得到描述整个系统热功转换过程的能量守恒方程；通过KVL方程组对热流法的利用体现系统内的热量传递与转换；所述元件约束包括换热器约束、汽轮机约束、压缩机约束和
5.根据权利要求1或4所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤三中，热工水力平衡约束包括对于汽轮机和泵的约束；其中，泵的热工水力平衡约束条件通过以下方法获得：结合Aspen HYSYSYSV11软件和MATLAB软件对泵进行设计工况的模拟，对于给定的蒸发温度范围，得到相应的热工水力性能参数，最后用二次多项式对参数进行拟合得到泵的热工水力平衡约束；
6.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤四中，所述能量分析包括净发电量的求解分析、系统消费比率的求解分析、系统热效率的求解分析以及比净输出功率的求解分析；其中，首先求解净发电量，保证系统发电量大于用电量以满足减排目标；基于净发电量求解系统消费比率，得到系统发电量与需求功率之间的比例关系；基于净发电量求解系统热效率，得出系统热能转换过程中的能量利用效率；基于净发电量求解比净输出功率，反映出不同工况下LNG冷能利用情况；
7.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤五中，在步骤四的基础上，通过分析单一决策变量影响下的系统性能参数的变化，来获得最高效的系统构型；其中，单一决策变量包括LNG压力、海水温度以及蒸发温度。
8.根据权利要求7所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤五中，基于最高效的系统构型继续进行双决策变量影响下的系统性能参数分析，以得出双决策变量协同影响下所选取的系统构型性能参数的变化；其中，双决策变量包括LNG压力和海水温度以及LNG压力和蒸发温度。
9.根据权利要求8所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤五中，采用多目标优化方法选取两个描述系统整体性能的参数：热效率和火积传递效率，热效率表示系统将热能转化为机械功的能力，火积传递效率表征系统的传热能力；在决策变量的取值范围内，热效率和火积传递效率两个性能参数相互冲突，为了权衡热效率和火积传递效率，采用遗传算法来优化系统的两个目标并获得帕累托前沿，之后应用TOPSIS多准则决策方法，在决策区间内，针对不同的蒸发器温度进行多目标优化，并针对不同的海水温度进行系统性能参数的优化，进而得出最优工况点。
10.根据权利要求9所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤六中，利用FSRU案例，结合Aspen HYSYSV11软件模拟元件参数，验证建模仿真结果：
...【技术特征摘要】
1.一种大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤一中，初步热流拓扑模型的建模方法包括：
3.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤二中，最终全局热流拓扑模型的建立方法为：在构建热流模型时，基于基尔霍夫定律，根据热电流法，仅由热动势构成的闭合回路表示封闭回路中的温度变化，在不改变系统基本性质的前提下被消除，建立起最终全局热流拓扑模型。
4.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤三中，热量流平衡约束包括能流拓扑约束、能量守恒约束、能流传递与转换约束及元件约束；其中，利用kcl方程得到描述整个系统热功转换过程的能量守恒方程；通过kvl方程组对热流法的利用体现系统内的热量传递与转换；所述元件约束包括换热器约束、汽轮机约束、压缩机约束和泵组约束；
5.根据权利要求1或4所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤三中，热工水力平衡约束包括对于汽轮机和泵的约束；其中，泵的热工水力平衡约束条件通过以下方法获得：结合aspen hysysysv11软件和matlab软件对泵进行设计工况的模拟，对于给定的蒸发温度范围，得到相应的热工水力性能参数，最后用二次多项式对参数进行拟合得到泵的热工水力平衡约束；
6.根据权利要求1所述的大型浮式储存和再气化装置冷能回收和再气化过程的全局热流拓扑建模与优化方法，其特征在于，所述步骤四中，所述能量分析包括净发电量的求解分析、系统消费比率的求解分析、系统热效率的求解分析以及比净输出功率的求解分析；其中...
【专利技术属性】
技术研发人员：王哲，唐浩博，曹梦龙，韩凤翚，纪玉龙，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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