船海用蒸汽动力装置多目标构形优化

Due to the constraints of finite space and heat resource grade, the thermal efficiencies of the marine steam power plant and ocean steam power plant driven by ocean thermal energy are low. If the global optimizations are carried out from the device structures of heat exchange and heat-work conservation to parameters of the whole Rankine cycle by adopting new thermodynamic optimization theories, it will be possible to further improve the performances of the marine and ocean steam power plants. This project intends to establish the models of marine and ocean steam power devices (evaporator, turbine and condenser) and plants. The multi-objective constructal optimizations of the marine and ocean steam power plants will be carried out based on constructal theory, entropy generation minimization theory, entransy theory and finite time thermodynamics. The optimal structure design schemes of steam power devices and plants with various demands are obtained. The optimal design schemes under different optimization criteria are compared. A general method for the structure designs of the steam power plants will be explored, and it will be extended to the performance optimizations of other power plants. The experiment platform for heat transfer performance test of the condenser tube will be further built, and the theoretical calculation results will be verified. The research results of this project can provide some references for optimal designs and energy savings of various military and civil steam power plants, such as large marine conventional power plants, marine nuclear power plants, ocean thermal energy conversion plants for power station and deep diving, and general organic Rankine cycle plants, even for the other power plants.

由于有限空间和热源品位的限制，船舶蒸汽动力装置和海洋热能驱动的蒸汽动力装置的热效率较低。如采用新兴的热学优化理论从换热和热功转换设备结构到整个朗肯循环参数进行全局优化，将使船海用蒸汽动力装置性能的深度提升成为可能。本项目拟建立船海用蒸汽动力设备(蒸发器、透平和冷凝器)和装置模型，基于构形理论、熵产生最小化理论、火积理论和有限时间热力学理论，开展船海用蒸汽动力装置的多目标构形优化研究，得到多元化需求下蒸汽动力设备和装置的最优结构设计方案，并对不同优化准则下的最优设计方案进行比较，探索蒸汽动力装置结构设计的一般方法，并推广应用到其他动力装置的性能优化中。进一步建立冷凝管换热性能测试实验平台，对理论计算结果进行验证。本项目的研究成果可为大型船用常规动力装置、船用核动力装置、电站和深潜用海洋热能转换装置以及一般有机朗肯循环装置等军、民用蒸汽动力装置乃至一般动力装置的优化设计和节能降耗提供参考。

蒸汽动力技术发展历史悠久，在我国军事和民用领域蒸汽动力装置占有十分重要的地位。在船舶有限空间条件或中低温热能资源条件下，蒸汽动力装置的热效率始终较低。针对这一问题，本项目以船舶蒸汽动力朗肯循环和海洋热能驱动的朗肯循环为研究对象，基于构形理论、熵产生最小化理论、火积理论和有限时间热力学理论，开展了船海用蒸汽动力装置的多目标构形优化研究。主要内容包括：构形理论和船海用蒸汽动力装置构形优化的研究综述；船舶蒸汽动力装置构形热力学优化；海洋温差热能转换装置构形热力学优化和换热过程实验研究；动力装置结构设计拓展优化；其它传热过程和热力循环的拓展优化。得到了不同需求下动力装置的最优结构设计方案，比较了不同优化目标和决策方法下优化结果的异同。. 项目取得的重要研究成果如下：将部件的构形优化与循环的有限时间热力学优化相结合，实现了船舶蒸汽动力循环、常规和太阳能海洋温差热能转换、有机朗肯循环、卡琳娜循环和有机朗肯-卡琳娜联合循环等六类动力装置部件与系统的一体化热力学优化——构形热力学优化，从结构和参数优化设计角度揭示了其换热过程和热功转换过程协调优化的物理机理。优化后船舶蒸汽动力循环的输出功率和热效率分别提高了24.5%和18.4%；常规和太阳能海洋温差热能转换装置的系统净输出功率分别提高了14.95%和26.52%；与单压卡琳娜循环相比，优化后双压卡琳娜循环净输出功率和热效率分别提高了5.83%和47.80%；与双压有机朗肯循环和双压卡琳娜循环相比，优化后有机朗肯-卡琳娜联合循环的系统净输出功率分别提高了66.82%和57.76%。因此，构形热力学优化后动力装置的性能得到了显著提升，且采用双压透平和联合循环显著地提高了装置的性能，从而实现高效利用清洁能源和提高能源利用率，对于能源开发和节能减排具有重要意义。所采用的构形热力学优化方法可推广应用到其他动力装置的性能优化中，为国民经济和国防军事各领域中各种动力装置的结构优化设计和性能提升提供了科学依据和理论指导。