推进氢能基础设施规划：一种适用于工业需求场景的可扩展自下而上方法

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Advancing hydrogen infrastructure planning: A scalable bottom-up approach for industrial demand scenarios

　　关玉新|潘月|李周航|李东方|陈旭|赵建斌
中国昆明市650093，昆明理工大学冶金与能源工程学院

摘要
工业废热和太阳能等波动性热源给热系统的稳定高效运行带来了挑战。现有方法通常依赖热储存或实时反馈控制，这会增加系统复杂性和成本。本研究提出了一种设计级策略，利用并联换热器固有的分流特性来抑制由流动引起的波动。首先建立快速稳态模型以筛选适用的流量分配比例，随后使用双管换热器的三维瞬态模型分析在流量重新分配过程中各换热器及整个系统的动态响应。研究以并联双管换热器系统为对象，通过数值模拟评估其对总质量流量阶跃变化的动态响应。结果表明，预先定义的并联支路流量重新分配可显著降低总传热率对入口质量流量波动的敏感性。对于±11%和±21%的阶跃变化，系统传热率的稳态偏差从原有分配方式下的13.9%降至重新分配后的0.13%–4.49%。瞬态分析显示系统响应平稳，超调幅度低于1%，动态响应时间与原有配置相当。这些结果表明，无需额外的热储存或基于反馈的控制即可有效缓解传热波动。研究还表明，可以利用并联换热器的结构与流动不对称性提升系统对波动性热源的抵御能力。该方案为稳定利用变参数热能提供了实用且低复杂度的解决方案，同时为热回收和可再生能源系统的设计提供了参考。

引言
在全球能源转型和碳减排目标的推动下，提高能源利用效率以及实现低品位能源的高效回收仍是能源工程领域的关键研究方向[1]。工业过程中的中低温废热、汽车发动机排气废热[2]，以及太阳能[3]、地热能等可再生能源都具有巨大的开发潜力。有机朗肯循环（ORC）[4]和热电联产（CHP）系统[5]被广泛用于工业废热回收和可再生能源利用。它们对中低温热源的适应性以及运行稳定性对于保证热能与电能质量至关重要。近期在航运领域的研究表明，ORC系统可用于回收船用柴油发电机的废热，在实际运行条件下可实现约8.45%的净发电效率，同时使燃料消耗和二氧化碳排放量减少约18.5%。

在实际工程中，工业废热和可再生能源往往存在显著的波动性和间歇性[7]、[8]。工业负荷变化、设备启停以及燃烧条件都会导致热源的质量流量和温度发生变化[9]。热源的波动会显著降低能源回收系统的性能和稳定性[10]。例如，在变速驱动条件下，公路用朗肯循环系统的效率可能下降到3.63%，不到设计值7.77%的一半，其主要原因是运行模式切换所致[11]。在低品位热源应用中，当温度波动超过±3℃时，吸附式制冷机的性能系数会大幅下降[12]。即便是在先进的RC–ORC系统中，若不采取缓解措施，效率偏差也可能会向下游传播并放大，从而降低CHP系统的性能[13]。这些研究表明，热源波动直接限制了系统的效率、可靠性以及废热和可再生能源的有效利用[10]、[11]、[12]、[13]。因此，在热源波动情况下保持稳定的传热仍是一个关键挑战，因为这类波动会制约废热回收和可再生能源系统的效率及其可靠集成。

为解决这些问题，以往的研究主要侧重于两种方法：热能储存和运行参数调整。显热和潜热储存技术通过储存多余热量并在供应不足时释放来缓解热源波动。Magro等人[10]在炉子废热回收系统中加入了高温潜热储存单元，从而使输入ORC的热功率更加平稳，系统的平均热效率从15.5%提升至16.4%。然而，这些方法通常需要额外的热储存单元，增加了系统体积和投资成本。此外，在热源频繁或快速变化的情况下，它们的响应速度和调节精度仍然有限[14]、[15]。另外，利用旁通阀、混合阀或变速泵等装置进行运行参数调整的方法[16]、[17]虽能在一定程度上保障系统安全，但其调节能力往往受用户需求和工艺条件的限制，灵活性较差，还可能降低可回收的热量[18]、[19]。与此同时，有机朗肯循环硬件方面的创新已被证明能够在低品位热源条件下提升系统的响应能力和转换效率。例如，Taskin等人[8]为微型ORC系统设计了一种静态轴流汪克尔膨胀机。在该膨胀机中，95℃热源条件下的等熵效率超过了81%，显著提升了单台设备的转换效率并降低了成本。然而，即便关键部件的性能得到了提升，当系统面临多种不稳定热源时，其整体性能仍可能在实际应用中大幅下降。因此，与追求部件级创新相比，研究系统架构层面的固有韧性同样重要。为应对动态波动，一些研究人员引入了动态模型或先进控制策略[20]、[21]。虽然这些方法在理论上有效，但往往依赖于复杂的传感和控制系统，从而增加了成本和运行复杂性。相比之下，具有分层功能划分的合理设计的系统架构本身就能起到缓冲波动的作用。例如，在风电功率平滑应用中[22]，可逆固体氧化物电池系统通过分层功能配置来实现温度稳定和功率调节，将最大功率波动控制在14%以内。这表明，利用系统本身的调节潜力即可提升系统对波动条件的适应能力，而无需大幅增加系统复杂性。

从换热器和系统角度而言，大多数研究侧重于提升稳态传热性能、优化紧凑设计以及降低压降。例如，Pratik等人[23]对抛物面集热器的腔体接收器结构进行了数值优化。他们的研究结果表明，采用圆锥形接收器搭配球形吸热表面，相较于圆柱形接收器搭配平面吸热表面，传热率可提升50%，为太阳能热系统的结构优化提供了有益启示。Paul等人[24]提出了一种带有翅片表面球形凹坑的横流换热器。最优配置在保持合理压降的同时，使努塞尔数提升了5.71%，体现了表面改性在提升对流传热方面的潜力。另有研究在壳管式换热器中加入了新型隔板，与传统设计相比，其在单位压降下的传热效率提升了约13.07%，压降则降低了约17.7%[25]。研究表明，当热流体流经管程和环程时，它们的传热特性和流动阻力特性存在显著差异，而这些差异常被用来评估单个换热器的性能或优化其结构[26]。但从系统角度而言，这种传热和流动阻力的不对称性不仅代表着性能差异，还蕴含着可被利用的内部调节潜力。在系统层面，通过串联和并联多个换热器来扩大传热能力或提升运行灵活性，主要是为了实现容量扩展和稳态负荷分担[27]、[28]。因此，平行支路通常会配备性能相似或相同的换热器，以平衡系统阻力。例如，Habka等人[29]比较了不同的换热器配置，以确定在不同地热资源条件下的最佳CHP方案。同时，大多数研究以最大[30]或平均运行条件[20]、[31]作为设计依据，而偏离设计工况时的性能则通常基于稳态参数进行分析。不过，从流动组织角度来看，由于结构特点，并联换热器系统本身就具备流量重新分配的潜力。当并行支路中的换热器在传热能力和流动阻力特性上存在差异时，它们对总质量流量变化的响应就会不一致，这就为通过流量重新分配来调节系统传热负荷提供了物理基础。目前，现有研究尚未系统探讨这一潜在机制在缓解热源波动问题中的应用。

总体而言，现有缓解热源波动的策略主要依赖于外部调节，如热能储存或基于反馈的运行控制，其目标主要是提升稳态性能、实现容量匹配以及保障运行安全。尽管并联换热器系统被广泛用于负荷分担和容量扩展，但它们利用流量重新分配来缓解源头侧动态扰动的固有能力尚未得到系统研究。尤其是，在设计阶段刻意引入并行支路之间的结构与水力不对称性作为增强系统鲁棒性的策略，目前仍几乎未被探索。因此，目前仍缺乏一种能够利用固有流量重新分配特性来缓解动态扰动的低复杂度架构解决方案。

为填补这一空白，本研究针对并联双管换热器系统提出了一种以设计为导向的流量重新分配策略，以总热流体质量流量的阶跃变化作为典型的源头侧扰动，并通过数值模拟定量评估其动态调节能力。该策略利用各支路之间传热能力和流动阻力存在的差异，使得系统能够在不同运行条件下实现被动式的热负荷重新分配，而无需额外的热储存或主动反馈控制。首先通过集总参数稳态模型筛选可行的流量分配比例，随后通过三维瞬态模拟评估系统级的动态响应。通过这种稳态-瞬态相结合的分析框架，系统地在既定的配置和扰动范围内，量化了流量分配比例作为关键设计参数在提升系统对质量流量波动抵抗能力方面的作用。

系统描述
本文介绍了一种具有可调流量分配能力的并联双管换热器系统，如图1所示。该系统由两个几何结构相同的逆流双管换热器、温度传感器、流量计、流量调节阀以及压力调节阀组成。温度传感器用于测量热流体和冷流体的入口温度，而流量计则用于检测总质量流量以及各支路的特定质量流量。

总体研究框架
本研究的目的是通过预先定义并联换热器系统的流量分配比例，来减轻热源波动对系统的影响。总体研究框架分为两个主要阶段。图2展示了本研究采用的总体研究框架。首先，在流量分配设计阶段，需要评估在不同热源质量流量和分配比例下的总传热率及系统压降。

稳态筛选与典型瞬态案例选择
为分析不同流量分配比例对系统缓解热源波动能力及其动态响应的影响，本研究采用了集总参数法筛选出候选的流量分配比例，并在特定运行条件下进行瞬态模拟。图7显示了九种不同流量分配比例（β）下的总传热系数（qsys）和系统压降（Δpsys）。总热流体质量流量（mhs）的取值范围为0.10至……

结论
本研究针对具有预定义流量分配比例的并联双管换热器系统进行了研究。通过结合基于集总参数的稳态计算与三维瞬态数值模拟，系统地评估了总热流体质量流量发生阶跃变化时，流量分配对系统稳态性能、动态响应以及累积传热量的影响。主要结论如下：
1. 稳态分析结果表明……