張立昂, 姜未汀, 曹先常, 陳志良

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司, 上海 201999)

有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankcine Cycle,ORC)作為一種成熟且可行的中低溫余熱回收技術(shù),已被越來越多的企業(yè)采用。國外對于有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的研究最早可追溯到1924年[1]。1966年,RAYSK等學(xué)者提出了可利用氟利昂作為工質(zhì)驅(qū)動(dòng)朗肯循環(huán)回收低溫余熱[2],隨后該項(xiàng)研究引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。與其他余熱回收技術(shù)手段相比,ORC發(fā)電技術(shù)相對成熟,且已有相當(dāng)多的應(yīng)用實(shí)例,目前機(jī)組容量可達(dá)幾十兆瓦。

近年來,對于ORC系統(tǒng)優(yōu)化利用的研究一直沒有停止,在ORC 2017大會上,LEDUC P等人[3]提出將ORC循環(huán)放置在重型卡車和客車的冷卻劑回路中進(jìn)行廢熱回收 ,并認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱回收ORC系統(tǒng)可降低3%的油耗。從長遠(yuǎn)來看,這是一種在重型卡車和客車上“終極廢熱回收”方法。MARCHIONNI M等人[4]提出了一種可復(fù)制的快速的模擬方法來分析和設(shè)計(jì)ORC系統(tǒng)進(jìn)行廢熱功率變換,特別適合總體系統(tǒng)性能分析。其采用的控制策略可以避免不同熱負(fù)荷熱源的干擾。目前國內(nèi)外大型ORC機(jī)組都開始選擇透平機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備而不是采用傳統(tǒng)的螺桿式膨脹機(jī)[5],原因主要是透平機(jī)的ORC循環(huán)效率更高。KANG S H等人[6]提出了一種高速徑流式渦輪,使用R245fa作為工質(zhì),蒸發(fā)溫度在70～90 ℃,轉(zhuǎn)速可達(dá)到 63 000 r/min,實(shí)測輸出功率可達(dá)32.7 kW,渦輪效率可達(dá)78.7%。但與膨脹機(jī)相比,透平機(jī)也有不足之處:透平機(jī)對于進(jìn)口工質(zhì)的狀態(tài)要求很高,不允許進(jìn)口工質(zhì)中含有液滴[7],否則會對透平機(jī)造成危害,影響整個(gè)ORC機(jī)組的正常運(yùn)行。

ORC系統(tǒng)大部分的熱源都集中于中低溫余熱,這些余熱資源并不是特別穩(wěn)定,可能會受到工業(yè)負(fù)荷的變化而波動(dòng)。當(dāng)熱源溫度發(fā)生變化時(shí),如果不及時(shí)調(diào)整工質(zhì)流量可能會造成蒸發(fā)器出口工質(zhì)含有液滴,不利于透平機(jī)的安全運(yùn)行。此外,隨著季節(jié)的變化,水溫的變化也可能會對ORC系統(tǒng)的發(fā)電量產(chǎn)生一定的影響。

目前,國內(nèi)外對于ORC系統(tǒng)的研究大都集中于定工況下的循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化和參數(shù)模擬,對于工程上遇到的變工況運(yùn)行和安全運(yùn)行的情況很少提及。本文主要針對變工況運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬,同時(shí)著重于系統(tǒng)變工況時(shí)的安全運(yùn)行研究,并計(jì)算出發(fā)電效率的變化量。對于工程上應(yīng)用ORC系統(tǒng)尤其是使用透平機(jī)作為動(dòng)力設(shè)備的ORC系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值。

本文采用Aspen Plus軟件對ORC流程進(jìn)行模擬。Aspen Plus軟件是一個(gè)大型通用的流程模擬軟件,可以完成設(shè)備設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)仿真模擬和優(yōu)化等任務(wù),還具備完整的物性系統(tǒng)和完備的單元操作模塊庫,具備計(jì)算方法和流程方法的先進(jìn)性、流程模擬功能的快速可靠性;可以用實(shí)際的生產(chǎn)過程建立模型進(jìn)行模擬,并在流程模擬過程中改變各種參數(shù)條件,得到實(shí)際工況所需要的結(jié)果。

1 ORC及其系統(tǒng)仿真平臺的建立

1.1 ORC簡介

ORC是使用低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)朗肯循環(huán)中水工質(zhì)進(jìn)行的循環(huán),因而ORC可以對低溫?zé)嵩吹挠酂徇M(jìn)行回收并轉(zhuǎn)化成可以靈活使用的高品位的電能[8]。與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比,ORC發(fā)電在低溫回收方面具有更大的優(yōu)勢,回收溫度可以低至70 ℃。圖1為ORC循環(huán)模擬示意。

圖1 ORC循環(huán)模擬示意

ORC發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)基本相同,主要工作部件包括蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、循環(huán)泵和發(fā)電機(jī)。

1.2 ORC系統(tǒng)仿真平臺的建立

本文模擬回收余熱對象為上海市某工業(yè)園區(qū),擬定熱源為用來冷卻出口煙氣的熱水,其流量、溫度和壓力分別為220 t/h,150 ℃,0.5 MPa。首先使用Aspen Plus建立目標(biāo)模型,初步模擬僅建立蒸發(fā)器、膨脹機(jī)(透平)、冷凝器和工質(zhì)泵4個(gè)簡單模塊,并對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。簡單的ORC系統(tǒng)模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 簡單ORC系統(tǒng)初步模擬結(jié)果

初步模擬時(shí),本文將蒸發(fā)器工質(zhì)出口溫度和壓力定為117 ℃和1.8 MPa,透平做工為2.85 MW,蒸發(fā)器吸熱量為25.45 MW,系統(tǒng)熱效率約為11.24%。其中透平模塊的等熵效率和機(jī)械效率根據(jù)文獻(xiàn)[9]設(shè)為80%。

由于動(dòng)力設(shè)備使用透平機(jī),即使有機(jī)工質(zhì)R245fa為干工質(zhì),也需要考慮增加蒸發(fā)器出口的過熱度。一般會選擇在蒸發(fā)器出口設(shè)置過熱度,雖然會增加整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià),但穩(wěn)定性將會大大提高,同時(shí)運(yùn)維費(fèi)用也會降低。如果不設(shè)置出口過熱度,在實(shí)際運(yùn)行過程中,變工況運(yùn)行時(shí)可能會造成出口工質(zhì)中含有液滴,會對透平機(jī)造成危害。本文模擬了正常運(yùn)行狀態(tài)下過熱度從0～25 ℃,系統(tǒng)發(fā)電功率的變化趨勢如圖3所示。由于蒸發(fā)器內(nèi)部可能會發(fā)生溫度交叉的問題,因此在增加過熱度時(shí),需要大大減少工質(zhì)流量。

圖3 改變系統(tǒng)過熱度時(shí)功率變化示意

與工質(zhì)流量為110 kg/s,過熱度為0 ℃的系統(tǒng)相比,過熱度為15 ℃的系統(tǒng)在工質(zhì)流量上少了近50%,僅有60 kg/s。通常情況下,工質(zhì)流量減少時(shí),系統(tǒng)效率將會降低,但是適當(dāng)?shù)靥岣哒舭l(fā)器出口過熱度可有效地提高系統(tǒng)的循環(huán)效率,因此在透平效率不變的情況下,系統(tǒng)效率并沒有太大變化。為了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,需要在系統(tǒng)中設(shè)置一定的過熱度,同時(shí)根據(jù)工程使用中的一些相關(guān)實(shí)例,本文在模擬時(shí)將過熱度設(shè)定在15 ℃。

冷凝器冷源可以使用常溫水,流量溫度的控制比較簡單,但冷源水排放溫度不能過高,因此模擬中設(shè)置冷凝器冷源出口溫度為43 ℃,具體循環(huán)模擬如圖4所示。

2 使用EDR對換熱器進(jìn)行具體參數(shù)模擬

在ORC系統(tǒng)初步確定的基礎(chǔ)上,進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)。使用Aspen Plus中帶有的專業(yè)換熱器設(shè)計(jì)軟件Aspen EDR(Aspen Exchanger Design and Rating),對循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)器進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文選擇使用管殼式換熱器作為換熱器模塊。EDR可以根據(jù)冷/熱源進(jìn)出口狀態(tài)的具體參數(shù),自動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算,并得出最合適的換熱器結(jié)構(gòu),然后根據(jù)《換熱器設(shè)計(jì)手冊》[10]進(jìn)行調(diào)整。

文獻(xiàn)[11]通過敏感性實(shí)驗(yàn)分析,認(rèn)為膨脹機(jī)效率和冷凝溫度對熱效率的影響力最大。但在本文中,由于冷凝器冷源出口溫度需要滿足一定條件,需要根據(jù)冷凝器熱源進(jìn)口數(shù)據(jù),采用冷源水泵進(jìn)行調(diào)節(jié),并且本文主要研究熱負(fù)荷變化下的系統(tǒng)變化,因此設(shè)定冷凝器出口溫度不變,僅選擇對蒸發(fā)器進(jìn)行具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。選擇EDR自動(dòng)模擬的管殼式換熱器結(jié)構(gòu),采用單臺單管程BEM型管殼式換熱器,由于默認(rèn)220 t/h,150 ℃,0.5 MPa的熱水為最大負(fù)荷時(shí)的熱源參數(shù),因此設(shè)計(jì)該換熱器時(shí),沒有考慮留下?lián)Q熱余量。

圖4 過熱度為15 ℃時(shí)系統(tǒng)循環(huán)流程

進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí)其換熱余量設(shè)計(jì)為零,致使換熱器吸熱量略微提高,與之前初步模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)存在微小的偏差:系統(tǒng)功率提升至1.69 MW,蒸發(fā)器換熱量為15.19 MW,系統(tǒng)循環(huán)效率降至11.13%。雖然系統(tǒng)功率得到了提高,但整體循環(huán)效率有所降低。

3 ORC機(jī)組變工況運(yùn)行工況模擬

3.1 機(jī)組變工況運(yùn)行參數(shù)變化

通過模擬ORC系統(tǒng)的結(jié)果可以看出,在中低溫余熱資源回收中使用ORC系統(tǒng)的效果還是令人滿意的。但模擬中使用的熱源大部分是通過常溫水與余熱資源換熱所得,會受到當(dāng)?shù)厮疁?、工業(yè)園區(qū)熱負(fù)荷變化等因素的影響,導(dǎo)致余熱溫度流量產(chǎn)生波動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)需要變工況運(yùn)行時(shí),需要根據(jù)熱源溫度、流量的變化,通過工質(zhì)泵改變工質(zhì)流量的大小,以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

根據(jù)天氣網(wǎng)整理的數(shù)據(jù),2016年上海市全年氣溫波動(dòng)幅度可達(dá)到20 ℃,溫度浮動(dòng)范圍雖然不大,但對于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響較大。同時(shí),本文模擬的對象為上海市某工業(yè)園區(qū),熱源的流量和溫度會隨著園區(qū)熱負(fù)荷的變化而變化。本文以150 ℃,220 t/h,0.5 MPa的熱水作為最大熱源參數(shù)進(jìn)行模擬,分別研究溫度和流量均變化的情況下,工質(zhì)流量、系統(tǒng)功率和系統(tǒng)循環(huán)效率的變化量,并對工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)變工況運(yùn)行的調(diào)整方式進(jìn)行分析。

當(dāng)工業(yè)園區(qū)的熱負(fù)荷減少時(shí),可以選擇減少熱源溫度或者熱源流量兩種方式來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。假定工業(yè)園區(qū)熱源溫度變化范圍在10 ℃以內(nèi),通過改變模擬中的熱源溫度來得到系統(tǒng)各部分的變化,如圖5所示。

由圖5可知,熱源溫度的變化對于系統(tǒng)效率的影響并不大,系統(tǒng)效率變化量不超過0.2%。這是由于設(shè)計(jì)時(shí)透平的機(jī)械效率和等熵效率已經(jīng)被定為恒定值,系統(tǒng)循環(huán)效率不會出現(xiàn)太大的波動(dòng)。當(dāng)熱源溫度降低到145 ℃以下時(shí),需要使用工質(zhì)泵來調(diào)節(jié)工質(zhì)流量,以免蒸發(fā)器出口工質(zhì)含有液滴,影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如果考慮系統(tǒng)穩(wěn)定的因素,那么熱源溫度變化在145～150 ℃的范圍內(nèi),可以不使用工質(zhì)泵進(jìn)行調(diào)節(jié),以減少操作。

此外,也可以選擇定溫度調(diào)節(jié)流量的方式。經(jīng)過系統(tǒng)循環(huán)模擬,在150 ℃,0.5 MPa的定溫定壓狀態(tài)下,變流量運(yùn)行的系統(tǒng)功率、工質(zhì)流量和系統(tǒng)效率變化如圖6所示。

圖5 熱源溫度與系統(tǒng)功率和循環(huán)效率的關(guān)系

圖6 熱源流量與系統(tǒng)功率和效率的關(guān)系

經(jīng)過模擬系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),熱源流量在190～220 t/h的范圍內(nèi),工質(zhì)流量可以維持在60 kg/s不需要調(diào)節(jié),同時(shí)系統(tǒng)熱效率的波動(dòng)范圍在11.1%～11.2%,相對較穩(wěn)定。系統(tǒng)實(shí)際的做功功率也隨著熱源流量的減少而減少。

對比兩種調(diào)節(jié)方式可以看出,在定溫度的條件下,調(diào)節(jié)熱源流量的方式更符合我們對變工況運(yùn)行的預(yù)期。通過改變熱源流量來適應(yīng)工業(yè)園區(qū)熱負(fù)荷的變化對系統(tǒng)的適應(yīng)度更高,僅當(dāng)系統(tǒng)流量降低至190 t/h時(shí),才需要對工質(zhì)泵進(jìn)行調(diào)整。如果考慮到系統(tǒng)操作的簡潔性,當(dāng)熱源溫度在145～150 ℃內(nèi)變化時(shí),可以不進(jìn)行調(diào)整;低至145 ℃時(shí),就需要對熱源流量泵進(jìn)行流量調(diào)整,保證熱源在150 ℃,0.5 MPa的定溫定壓狀態(tài)下;當(dāng)熱源流量在190～220 t/h的范圍內(nèi)時(shí),則不需要對工質(zhì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié),也可使整個(gè)系統(tǒng)的效率維持在較高的狀態(tài)下。

3.2 同負(fù)荷定變量條件下變工況模擬參數(shù)對比

除了考慮系統(tǒng)操作的簡潔性,還需要考慮系統(tǒng)的做功功率及循環(huán)效率。為了對比定溫度調(diào)流量與定流量調(diào)溫度兩種調(diào)節(jié)方式在相同負(fù)荷變換下的優(yōu)缺點(diǎn),需要對熱源進(jìn)行進(jìn)一步的模擬設(shè)定。設(shè)定熱源是被工業(yè)余熱加熱的常溫水,其溫度為20 ℃,壓力為0.002 339 3 MPa。當(dāng)工業(yè)余熱負(fù)荷正常時(shí),220 t/h的常溫水會被加熱到150 ℃,0.5 MPa。根據(jù)熱力學(xué)公式

Q=m(h2-h1)

(1)

式中:Q——常溫水吸熱量,即工業(yè)余熱放熱量;

m——工質(zhì)質(zhì)量;

h1——常溫水的焓值;

h2——加熱后常溫水的焓值。

通過軟件REFPROP可以得到h1和h2的具體數(shù)值,求得Q值約為120 000 kJ/h。通過對Q值的改變,使用式(1)可得到定溫度變流量和定流量變溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)。

對定流量和定溫度兩種情況分別進(jìn)行相關(guān)模擬并得出結(jié)論。定溫度變流量的模擬數(shù)據(jù),如表1所示。

在定溫度的情況下,即不改變工質(zhì)蒸發(fā)溫度,只改變工質(zhì)流量以達(dá)到透平機(jī)進(jìn)口參數(shù)要求。由于透平機(jī)械效率與等熵效率已確定,系統(tǒng)循環(huán)效率不會產(chǎn)生太大變化,但系統(tǒng)功率會隨著熱負(fù)荷的減少而減少。如果考慮透平機(jī)的實(shí)際效率變化,可能不會達(dá)到模擬效果這么好,但是在熱負(fù)荷70%以上時(shí)該數(shù)據(jù)可以作為參考。

表1 調(diào)節(jié)工質(zhì)流量匹配熱源變化時(shí)的各參數(shù)變化

變溫度定流量的模擬數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出,熱負(fù)荷變化量相同時(shí),使用定溫度變流量的調(diào)節(jié)方法相比于定流量變溫度的調(diào)節(jié)方法更加合理。在熱負(fù)荷為90%時(shí),系統(tǒng)做功功率已經(jīng)超過定流量變溫度調(diào)節(jié)法,高達(dá)0.5 MW。使用定流量變溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),在熱負(fù)荷低于70%時(shí),熱源溫度已經(jīng)低于110 ℃,如果不降低系統(tǒng)蒸發(fā)器的出口溫度,系統(tǒng)將無法運(yùn)行。當(dāng)蒸發(fā)器出口溫度降低時(shí),系統(tǒng)循環(huán)效率將會降低,在增加系統(tǒng)操作的同時(shí)對運(yùn)維要求也會相應(yīng)提高。

表2 調(diào)節(jié)工質(zhì)蒸發(fā)溫度匹配熱源變化時(shí)的各參數(shù)變化

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)模擬ORC需要適當(dāng)設(shè)計(jì)蒸發(fā)器出口過熱度,以保證在熱源熱量降低時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)熱源熱量降低時(shí),考慮到系統(tǒng)操作的簡潔性,在一定范圍內(nèi)可以不進(jìn)行調(diào)整;當(dāng)超過這一范圍時(shí),就需要對熱源流量泵進(jìn)行流量調(diào)整,保證熱源溫度在定溫定壓的狀態(tài)下,在熱源流量一定的范圍內(nèi),不需要對工質(zhì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)也可使整個(gè)系統(tǒng)的效率維持在較高的范圍內(nèi)。

(2) 熱負(fù)荷變化量相同時(shí),相比于定流量變溫度的調(diào)節(jié)方法,采用定溫度變流量的調(diào)節(jié)方法更加合理。在透平等熵效率和機(jī)械效率確定的情況下,使用定溫度變流量的調(diào)節(jié)方法對系統(tǒng)循環(huán)效率影響不大;而定流量變溫度調(diào)節(jié)方法在低于一定熱負(fù)荷時(shí),需要降低蒸發(fā)器出口溫度,使得系統(tǒng)循環(huán)效率降低,同時(shí)會增加系統(tǒng)的操作,對運(yùn)維的要求也會相應(yīng)提高。