本發(fā)明屬于熱泵能量回收，尤其涉及前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

1、在工業(yè)生產(chǎn)中，能源利用效率的提高一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。熱泵作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能的回收和利用的技術(shù)手段，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，精餾塔提餾段中，精餾塔提餾段會(huì)存在較大的負(fù)荷，存在精餾塔塔底蒸汽用量較大的問(wèn)題，使原有精餾塔塔底蒸汽用量較大，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果。

2、因此，本發(fā)明旨在提供一種前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的能量損耗大的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)及其方法，以解決背景技術(shù)中所提出的技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)，包括精餾塔、換熱器、物料分離器、冷凝器、蒸氣壓縮機(jī)和水泵；

3、所述精餾塔產(chǎn)生的蒸汽至換熱器與經(jīng)減壓后物料進(jìn)行換熱使原溫度較低的物料加熱并汽化；

4、所述物料分離器用于將換熱完成后物料進(jìn)行氣液分離；

5、所述水泵用于將物料分離器分離后的液相泵至精餾塔；

6、所述蒸氣壓縮機(jī)用于對(duì)分離器分離后的氣相壓縮進(jìn)精餾塔；

7、所述冷凝器用于將換熱器的物料氣相進(jìn)行冷凝。

8、進(jìn)行熱泵能量回收的方法具體步驟如下：

9、步驟一、精餾塔產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)與換熱器經(jīng)減壓后物料進(jìn)行換熱，使原溫度較低的物料加熱并汽化高氣相分率或露點(diǎn)進(jìn)料；

10、步驟二、換熱完成后部分物料經(jīng)分離器氣液分離，氣相由壓縮機(jī)壓縮進(jìn)精餾塔，液相由水泵泵至精餾塔；

11、步驟三、換熱完成后的部分物料經(jīng)冷凝器冷凝，冷凝產(chǎn)生的液相部分回流至精餾塔，部分液相采出。

12、所述的進(jìn)行熱泵能量回收的具體步驟，加入一種能量回收路徑最優(yōu)規(guī)劃算法，以提高能量回收效率，并降低系統(tǒng)能耗，具體步驟如下：

13、步驟一、傳感器選擇與安裝：

14、首先是溫度傳感器，安裝位置：

15、精餾塔：安裝在塔底、塔中部和塔頂，分別監(jiān)測(cè)不同高度的溫度變化；

16、換熱器：安裝在換熱器的進(jìn)出口，監(jiān)測(cè)進(jìn)入和離開換熱器的物料溫度；

17、冷凝器：安裝在冷凝器的入口和出口監(jiān)測(cè)進(jìn)入和離開冷凝器的氣體溫度；

18、蒸氣壓縮機(jī)：安裝在壓縮機(jī)的入口和出口，監(jiān)測(cè)壓縮前后的蒸汽溫度；

19、水泵：安裝在水泵的入口和出口，監(jiān)測(cè)水的溫度；

20、溫度變化率＝(t2-t1)/δt

21、其中，t1是傳感器初始溫度、t2是傳感器當(dāng)前溫度，δt是時(shí)間間隔；

22、壓力傳感器，安裝位置：

23、蒸氣壓縮機(jī)：安裝在壓縮機(jī)的入口和出口，監(jiān)測(cè)蒸汽壓縮前后的壓力；

24、換熱器：安裝在換熱器的進(jìn)出口，監(jiān)測(cè)進(jìn)入和離開換熱器的壓力；

25、壓力變化率＝(p2-p1)/δt

26、其中，p1是傳感器初始?jí)毫?，p2是傳感器當(dāng)前壓力；

27、流量傳感器，安裝位置：

28、物料分離器：安裝在分離器的進(jìn)出口，監(jiān)測(cè)進(jìn)入和離開的流體流量；

29、換熱器：安裝在換熱器的入口和出口，監(jiān)測(cè)流體的流量；

30、冷凝器：安裝在冷凝器的入口和出口，監(jiān)測(cè)流體的流量；

31、流量變化率＝(f2-f1)/δt

32、其中，f1是傳感器初始流量，f2是傳感器當(dāng)前流量；

33、液位傳感器，安裝位置：

34、精餾塔：安裝在塔內(nèi)不同高度，監(jiān)測(cè)液位變化；

35、物料分離器：安裝在分離器內(nèi)不同位置，監(jiān)測(cè)液位變化；

36、液位變化率＝(l2-l1)/δt

37、其中，l1是傳感器初始液位，l2是傳感器當(dāng)前液位；

38、步驟二、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

39、首先是數(shù)據(jù)清洗：

40、使用平滑濾波器平滑數(shù)據(jù)，去除高頻噪聲，使用中值濾波器去除尖峰噪聲；使用3σ檢測(cè)和去除異常值，利用箱線圖(box?plot)法檢測(cè)和去除異常值；

41、

42、異常值范圍＝[μ-3σ,μ+3σ]

43、其中，xi為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，n為數(shù)據(jù)總數(shù)，μ為數(shù)據(jù)均值；

44、接著是，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：

45、將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，

46、

47、其中，xstd是標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，x是原始數(shù)據(jù)；

48、最后是，選擇特征：

49、溫度梯度：反映溫度隨時(shí)間或位置的變化速率，

50、

51、壓力變化率：反映壓力隨時(shí)間或位置的變化速率，

52、

53、流量變化率：反映流量隨時(shí)間或位置的變化速率，

54、

55、液位變化率：反映液位隨時(shí)間的變化速率，

56、

57、其中，δt為溫度變化量，δt為時(shí)間變化，δp為壓力變化量，δf為流量變化量，δl為也液位變化量；

58、步驟三、系統(tǒng)能量回收模型的定義

59、建立系統(tǒng)的能量回收模型，模型的目標(biāo)函數(shù)包括能量回收率和系統(tǒng)效率，這兩個(gè)指標(biāo)能夠有效評(píng)估系統(tǒng)的性能和優(yōu)化效果：

60、能量回收率定義為系統(tǒng)回收的能量與輸入能量的比值，用以衡量系統(tǒng)回收能量的效率；

61、

62、系統(tǒng)效率定義為有效能量輸出與總能量輸入的比值，用以衡量系統(tǒng)整體的能量利用效率；

63、

64、其中，η為能量回收率，erecovered為回收的能量，einput為輸入的能量，e為系統(tǒng)效率，euseful為有效能量輸出，etotal為總能量輸入；

65、步驟四、改進(jìn)的鯨魚算法優(yōu)化核極限學(xué)習(xí)機(jī)

66、核極限學(xué)習(xí)機(jī)(kelm)是一種快速、有效的回歸和分類方法，適用于處理非線性關(guān)系，它通過(guò)核函數(shù)將數(shù)據(jù)映射到高維空間，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系的學(xué)習(xí)；

67、輸入：預(yù)處理后的傳感器數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量和液位；

68、輸出：系統(tǒng)的能量回收率和系統(tǒng)效率；

69、收集并預(yù)處理傳感器數(shù)據(jù)；

70、將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集和測(cè)試集；

71、kelm模型訓(xùn)練：

72、選擇徑向基函數(shù)rbf作為核函數(shù)；

73、設(shè)置核函數(shù)參數(shù)，核寬度σ和正則化參數(shù)λ；

74、訓(xùn)練模型，最小化訓(xùn)練誤差；

75、h＝kernel(x,x)

76、hβ＝t

77、

78、其中，h為隱藏層輸出矩陣，β為輸出權(quán)重，t為目標(biāo)輸出，為h的偽例；

79、使用測(cè)試集數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的預(yù)測(cè)性能，確保模型具有良好的泛化能力，以均方誤差(mse)、決定系數(shù)(r2)為評(píng)判依據(jù)：

80、

81、其中，yi為真實(shí)值，為預(yù)測(cè)值，n為樣本數(shù)量，為真實(shí)值的均值，i表示第i個(gè)樣本；

82、最后，為了優(yōu)化kelm模型的預(yù)測(cè)性能，使用改進(jìn)的鯨魚優(yōu)化算法(iwoa+woa)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；

83、改進(jìn)的鯨魚優(yōu)化算法(iwoa)在傳統(tǒng)鯨魚優(yōu)化算法(woa)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提高了收斂速度和全局搜索能力；

84、x(t+1)＝x*(t)-a·d

85、其中，x*(t)為當(dāng)前最優(yōu)位置，x(t+1)為最新鯨魚位置，x(t)為當(dāng)前的鯨魚位置，a和d為控制參數(shù)；

86、a＝2a·r-a

87、d＝|c·x*(t)-x(t)|

88、a隨時(shí)間遞減，從2線性減小到0，r為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù),c為2倍的隨機(jī)數(shù)r；

89、

90、其中，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，t為最大迭代次數(shù)，rmin和rmax為自適應(yīng)范圍，當(dāng)達(dá)到迭代次數(shù)t后停止優(yōu)化；

91、步驟5、實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)操作策略

92、根據(jù)kelm模型預(yù)測(cè)的能量回收路徑，生成控制信號(hào)，調(diào)整執(zhí)行器(蒸氣壓縮機(jī)的壓縮比、換熱器的流量)，首先利用優(yōu)化后的kelm模型進(jìn)行預(yù)測(cè)：

93、

94、為預(yù)測(cè)的系統(tǒng)輸出，x為輸入特征向量，f為kelm模型，β為kelm模型參數(shù)；

95、接著根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，生成相應(yīng)的控制信號(hào)：

96、

97、其中，u為控制信號(hào)向量，包括壓縮比、流量控制參數(shù)，g為控制信號(hào)生成函數(shù)，將預(yù)測(cè)結(jié)果映射到具體的控制信號(hào)；

98、接著，執(zhí)行器根據(jù)控制信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整操作參數(shù)，確保系統(tǒng)按照最優(yōu)路徑運(yùn)行：

99、蒸氣壓縮機(jī)壓縮比調(diào)整：

100、

101、換熱器流量調(diào)整：

102、q＝m·cp·δt

103、其中，cr為壓縮比，pout為壓縮機(jī)出口壓力，pin為壓縮機(jī)入口壓力，q為熱流量，m為物料流量，cp為物料比熱容，δt為溫度變化；

104、最后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)反饋控制機(jī)制不斷調(diào)整操作參數(shù)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行：

105、誤差計(jì)算：

106、e(t)＝y(tǒng)ref(t)-y(t)

107、控制器輸出：

108、

109、參數(shù)調(diào)整：

110、u(t+1)＝u(t)+δu(t)

111、其中，e(t)為誤差，yref(t)為參考輸出，y(t)為實(shí)際輸出，u(t)為控制器輸出，kp為比例增益，ki為積分增益，kd為微分增益，e(τ)為在時(shí)間τ的誤差值，u(t+1)為下一時(shí)刻的控制信號(hào)，δu(t)為控制信號(hào)的調(diào)整量。

112、本發(fā)明的前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

113、該前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)，物料由原來(lái)的較低溫度汽化為高氣相分率或露點(diǎn)進(jìn)料，并經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提升了壓力及焓值。有效的減少的精餾塔提餾段的負(fù)荷。使原有精餾塔塔底蒸汽用量大大減少，可減少45-65％精餾塔能耗。

114、引入iwoa+woa優(yōu)化的kelm模型以及實(shí)時(shí)pid控制策略到前置取熱式熱泵能量回收系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)能量回收路徑的最優(yōu)規(guī)劃。通過(guò)iwoa+woa優(yōu)化算法，我們能夠精確調(diào)節(jié)kelm模型參數(shù)，從而提高能量回收率和系統(tǒng)效率。實(shí)時(shí)pid控制則確保系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整操作參數(shù)，消除穩(wěn)態(tài)誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。整體方案有效降低了能耗，提升了能量利用效率，顯著提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保性能。