船载GT-sCO_2双布雷...合循环经济分析与多目标优化_王群.pdf

第5 7卷 第1期2 0 2 3年1月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.1J a n.2 0 2 3.*船载G T-s C O2双布雷顿联合循环经济分析与多目标优化王群1,2,姜悦茂1,王哲1,韩凤翚1,纪玉龙1,蔡文剑3(1.大连海事大学轮机工程学院,1 1 6 0 2 6,辽宁大连;2.西安交通大学能源与动力工程学院,7 1 0 0 4 9,西安;3.南洋理工大学能源研究院,6 3 9 7 9 8,新加坡)摘要:为了进一步提高船载动力系统中燃气轮机的效率且降低能源消耗与经济成本,本文对由燃气轮机循环与超临界二氧化碳循环组成的双布雷顿联合循环系统(G T-s C O2)进行了热力性能与经济性能的分析与优化。对拟建系统进行了与经济分析,选取6个决策变量并研究参数对效率和单位电力成本两个目标函数的影响。采用基于非支配排序遗传算法的多目标优化方法,对联合循环进行优化以获得最优的系统参数。结果表明,在设计工况下,相对于单一的燃气轮机循环,G T-s C O2联合循环净功率增加了2 9.4 4%,效率提高了2 9.2 1%,单位电力成本降低了6.2%,联合循环从热力性能和经济性能上都具有明显优势。联合循环各部件的损失之和约占总输入的3 1.6 6%,损失成本占总成本的6 9.8 5%,需要优化关键部件的热力参数以提高循环的经济性。通过控制变量进行的参数研究结果表明,系统效率及单位电力成本具有不同决策变量的最优值。多目标优化获得联合系统最佳的效率为4 8.4 4%,最佳的单位电力成本为0.2 9 26元/(kWh),循环的净输出功率为4 28 0 4kW。本文从热力性和经济性的角度为船舶燃气轮机循环及其余热回收循环的联合性能研究提供参考。关键词:燃气轮机循环;超临界二氧化碳循环;船载动力系统;经济分析;多目标优化中图分类号:T K 4 2 1.4 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 1 0 0 9 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 1-0 0 8 7-1 3E x e r g o e c o n o m i cA n a l y s i sa n dM u l t i-O b j e c t i v eO p t i m i z a t i o no faM a r i n eG T-s C O2D u a lB r a y t o nC o m b i n e dC y c l eWANGQ u n1,2,J I ANGY u e m a o1,WANGZ h e1,HANF e n g h u i1,J IY u l o n g1,C A IW e n j i a n3(1.M a r i n eE n g i n e e r i n gC o l l e g e,D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y,D a l i a n,L i a o n i n g1 1 6 0 2 6,C h i n a;2.S c h o o l o fE n e r g ya n dP o w e rE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;3.E n e r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,N a n y a n gT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,6 3 9 7 9 8,S i n g a p o r e)A b s t r a c t:T of u r t h e r i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f t h eg a s t u r b i n e i ns h i p b o a r dp o w e r s y s t e ma n dr e-d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dc o s t s,t h i sp a p e ra n a l y z e sa n do p t i m i z e st h et h e r m a l a n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo f t h eg a st u r b i n ea n ds u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e(G T-s C O2)d u a lB r a y t o nc o m-b i n e dc y c l e.F i r s t l y,t h ee x e r g e t i ca n de x e r g o e c o n o m i ca n a l y s e sa r ec o n d u c t e df o rt h ep r o p o s e d*收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 0。作者简介:王群(1 9 9 9),男,硕士生;王哲(通信作者),男,副教授,硕士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 9 0 6 0 2 6);大连市高层次人才创新支持计划资助项目(2 0 2 1 R Q 1 3 2);国家重点研发计划资助项目(2 0 1 9 Y F E 0 1 1 6 4 0 0)。网络出版时间:2 0 2 2-0 8-1 7 网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 2 0 8 1 6.1 7 5 0.0 0 4.h t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n s y s t e m;t h e n6d e c i s i o nv a r i a b l e sa r es e l e c t e da n dt h e i r i n f l u e n c eo nt h et w oo b j e c t i v ef u n c t i o n s(n a m e l y,e x e r g e t i ce f f i c i e n c ya n du n i tp o w e r c o s t)i s s t u d i e d;f i n a l l y,am u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a-t i o nm e t h o db a s e do nn o n-d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h ec o m b i n e dc y c l ea n do b t a i nt h eo p t i m a ls y s t e mp a r a m e t e r s.T h er e s u l t ss h o wt h a tu n d e rt h ed e s i g nc o n d i-t i o n s,c o m p a r e dw i t ht h es i n g l eg a s t u r b i n ec y c l e,t h eG T-s C O2c o m b i n e dc y c l e i n c r e a s e s t h en e tp o w e rb y2 9.4 4%a n dt h ee x e r g e t i ce f f i c i e n c yb y2 9.2 1%,a n dd e c r e a s e s t h eu n i tp o w e rc o s tb y6.2%,s h o w i n go b v i o u sa d v a n t a g e s i nt e r m so fb o t ht h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e.T h e s u mo f e x e r g e t i c l o s so f a l l c o m p o n e n t s t h e r e o f a c c o u n t s f o r 3 1.6 6%o f t h e t o-t a l e x e r g e t i c i n p u t,a n d t h e c o s t o f e x e r g e t i c l o s s a c c o u n t s f o r 6 9.8 5%o f t h e t o t a l c o s t.T h e r m a lp a r a m e t e r so f k e yc o m p o n e n t s s h o u l db eo p t i m i z e d t o i m p r o v e t h e e x e r g o e c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h ec y c l e.P a r a m e t r i cs t u d i e sw i t hv a r i a b l e s c o n t r o l l e ds h o wt h a t t h e r ea r ep o s s i b l eo p t i m a l e x e r-g e t i ce f f i c i e n c ya n du n i t p o w e r c o s tb yc o n t r o l l i n g t h ed e c i s i o nv a r i a b l e s.T h r o u g hm u l t i-o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n,t h eo p t i m a l e x e r g e t i c e f f i c i e n c yo f t h e c o m b i n e ds y s t e mi s 4 8.4 4%,t h eo p t i m a l u n i tp o w e rc o s t i s0.2 9 26y u a n/(kWh),a n dt h en e to u t p u tp o w e r i s4 28 0 4kW.T h i sp a p e rp r o-v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ep e r f o r m a n c er e s e a r c ho nt h ec o m b i n e dc y c l ec o m p o s e do f t h em a r i n eg a st u r b i n ec y c l ea n dw a s t eh e a t r e c o v e r yc y c l e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h e r m a l p e r f o r m a n c ea n de c o-n o m i cp e r f o r m a n c e.K e y w o r d s:g a s t u r b i n ec y c l e;s u p