(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

隨著我國能源供需結(jié)構(gòu)日趨緊張，開展余熱利用來提高能量綜合利用率越來越受重視。工業(yè)余熱利用主要應(yīng)用于電力、冶金、化工等行業(yè)，而較少用于天然氣壓氣站[1-2]。燃驅(qū)壓氣站生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生400～500 ℃的中溫?zé)煔?，對這部分煙氣余熱進(jìn)行回收不僅符合節(jié)能減排政策，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

有機(jī)朗肯循環(huán)具有適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備簡單等優(yōu)點，成為國內(nèi)外學(xué)者研究余熱利用的熱點。為最大限度地通過有機(jī)朗肯循環(huán)回收余熱，系統(tǒng)流程改進(jìn)和復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計成了重要研究方向。Zhang Mogeng等[3]提出一種復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)同時回收工業(yè)余熱和LNG冷能。雷歡等[4]將ORC和溴化鋰吸收式制冷結(jié)合回收中溫余熱，系統(tǒng)火用損失從參考系統(tǒng)的139 kW降為93 kW，大幅提高了火用效率。S. Quoilin等[5]對ORC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，并通過R123驗證模型準(zhǔn)確性。針對工質(zhì)的選擇，張津[6]認(rèn)為等熵流體最適合作為工質(zhì)。A. A. Lakew等[7]研究有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)，認(rèn)為熱源溫度為80～160 ℃時，R227ea輸出功最高，熱源溫度為160～200 ℃，R245fa輸出功最高。B. F. Tchanche等[8]在熱源溫度約為90 ℃時，對比了20種工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)R134a、R152a、R290、R600、R600a具有更高的熱效率。劉廣林等[9]認(rèn)為對于低于150 ℃的熱源溫度，R245fa表現(xiàn)最佳，而當(dāng)熱源為190 ℃時，R601a表現(xiàn)較好。陳奇成等[10]認(rèn)為對于300 ℃左右的熱源溫度，苯、甲苯和環(huán)己烷表現(xiàn)較好。除了純工質(zhì)，學(xué)者們也研究了混合工質(zhì)，以求其非共沸特性帶來更高的循環(huán)效率[11]。

壓氣站燃驅(qū)壓縮機(jī)組煙氣溫度高于400 ℃，選用單級有機(jī)朗肯循環(huán)會帶來循環(huán)壓比過大及能量無法充分利用等問題。為實現(xiàn)能量的“多級開發(fā)，梯級利用”，本文提出一種運(yùn)行于亞臨界狀態(tài)的[12]復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對煙氣余熱的分段利用。本文詳細(xì)闡述了工質(zhì)和蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、煙氣分段點溫度等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)輸出功的影響，分析確定了系統(tǒng)實現(xiàn)最大輸出功的工況，并對最優(yōu)工況進(jìn)行了熱力學(xué)分析。本文的分析結(jié)果不僅適用于壓氣站煙氣，也適用于其他相近溫度煙氣的有機(jī)朗肯循環(huán)。

1 復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡述

圖1所示為復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程，系統(tǒng)包括3個子循環(huán)分別記作循環(huán)I、循環(huán)Ⅱ、循環(huán)Ⅲ。系統(tǒng)總熱源為煙氣，冷源為水。為避免煙氣和水溫差過大帶來的設(shè)備尺寸和成本增加，初進(jìn)入系統(tǒng)的煙氣由循環(huán)I和循環(huán)Ⅱ耦合利用，循環(huán)Ⅲ則吸收剩余的煙氣余熱。每個循環(huán)包括循環(huán)泵、蒸發(fā)器、透平膨脹機(jī)和冷凝器。

圖1 復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程

1.2 熱力學(xué)模型

假設(shè)各部件中流體均為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流且為絕熱過程；除膨脹機(jī)和循環(huán)泵的熱力過程外，忽略工質(zhì)重力勢能變化、宏觀動能變化及流動摩擦損失；煙氣為天然氣燃燒產(chǎn)物，循環(huán)過程中比定壓熱容不變；忽略煙氣風(fēng)機(jī)和水泵的功耗；蒸發(fā)器和冷凝器出口為飽和狀態(tài)[13]。

蒸發(fā)器I熱平衡方程及火用損失：

Qevap,I=Mgascp,gas(T2-T1)=MI(hI1-hI4)

(1)

(2)

中間換熱器熱平衡方程及火用損失：

QIH=MI(hI2-hI1)=MⅡ(hⅡ1-hⅡ4)

(3)

IIH=T0[MI(sI2-sI3)-MⅡ(sⅡ1-sⅡ4)]

(4)

冷凝器Ⅱ熱平衡方程及火用損失：

Qcond,Ⅱ=Mwcp,w(T2-T1)=MⅡ(hⅡ2-hⅡ3)

(5)

(6)

蒸發(fā)器Ⅲ熱平衡方程及火用損失：

Qevap,Ⅲ=Mgascp,gas(T3-T2)=MⅢ(hⅢ1-hⅢ4)

(7)

(8)

冷凝器Ⅲ熱平衡方程及火用損失：

Qcond,Ⅲ=Mwcp,w(T2-T1)=MⅢ(hⅢ2-hⅢ3)

(9)

(10)

循環(huán)泵和膨脹機(jī)火用損失：

Ip/t=MT0(sin-sout)

(11)

循環(huán)凈輸出功：

Wi=Wi,t-Wi,p

(12)

系統(tǒng)熱效率：

(13)

系統(tǒng)火用效率：

(14)

2 系統(tǒng)優(yōu)化和分析

本系統(tǒng)以某天然氣壓氣站為例，煙氣質(zhì)量流量和溫度已知，流出系統(tǒng)的部分將排入大氣被浪費(fèi)，具有“一過性”，因此應(yīng)最大限度地從煙氣中獲得輸出功[14]，以凈輸出功而非熱效率或火用效率為優(yōu)化目標(biāo)。工質(zhì)的物性參數(shù)來自美國NIST實驗室開發(fā)的物性軟件REFPROP9.0。煙氣參數(shù)和計算參數(shù)如表1所示。

2.1 工質(zhì)比選

1)循環(huán)I工質(zhì)選用

循環(huán)I熱源是初始溫度為673 K、質(zhì)量流量為27 kg/s的煙氣，考慮工質(zhì)物性和熱源溫度[16]，選擇環(huán)己烷、D4、正辛烷、丙酮、甲苯、苯等6種臨界溫度較高的工質(zhì)進(jìn)行對比，各工質(zhì)物性參數(shù)如表2所示。

表1 條件參數(shù)

圖2所示為各工質(zhì)以標(biāo)準(zhǔn)沸點為冷凝溫度，凈輸出功隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖2可知，對于單級有機(jī)朗肯循環(huán)，熱源初始溫度和流量一定時，若給定冷凝溫度，則存在最佳蒸發(fā)溫度使循環(huán)凈輸出功最大[17]。圖3所示為各工質(zhì)最大凈輸出功隨冷凝溫度的變化。由圖3可知，循環(huán)的最大凈輸出功隨冷凝溫度升高而降低。在冷凝溫度低于405 K時，苯的最大凈輸出功始終高于其他工質(zhì)；當(dāng)冷凝溫度高于405 K，甲苯和苯最大凈輸出功接近。考慮甲苯比苯具有更好的安全性，因此循環(huán)I選用甲苯作為工質(zhì)。

圖2 蒸發(fā)溫度對凈輸出功的影響

表2 工質(zhì)物性參數(shù)

圖3 冷凝溫度對最大凈輸出功的影響

2)循環(huán)Ⅱ工質(zhì)選用

循環(huán)Ⅱ冷凝溫度為308 K考慮工質(zhì)臨界溫度和標(biāo)準(zhǔn)沸點，選擇R123、R113、R141b、R600a、R601a、R245fa、正戊烷等7種工質(zhì)進(jìn)行對比，各工質(zhì)物性參數(shù)如表2所示。循環(huán)Ⅱ蒸發(fā)器吸熱量來自循環(huán)I冷凝器放熱量，因此可對比給定蒸發(fā)器換熱量時的各工質(zhì)凈輸出功。圖4所示為蒸發(fā)器換熱量取1 000 kW、冷凝溫度取308 K，循環(huán)凈輸出功隨蒸發(fā)溫度的變化。由圖4可知，各工質(zhì)凈輸出功均先隨蒸發(fā)溫度上升而增大，當(dāng)蒸發(fā)溫度接近工質(zhì)臨界溫度時，凈輸出功略有減小。R141b的凈輸出功始終高于其他工質(zhì)，選作循環(huán)Ⅱ的工質(zhì)。

圖4 蒸發(fā)溫度對凈輸出功的影響

3)循環(huán)Ⅲ工質(zhì)選用

循環(huán)Ⅲ冷凝溫度為308 K熱源溫度為循環(huán)I煙氣出口溫度。選取R141b、R123、R113、R245fa、R601a、戊烷、丙酮等7種工質(zhì)對比，各工質(zhì)物性參數(shù)如表2所示。圖5所示為各工質(zhì)最大凈輸出功隨煙氣溫度的變化。由圖5可知，循環(huán)最大凈輸出功隨煙氣初始溫度增大而增大，丙酮在各熱源溫度下的最大輸出功高于其他工質(zhì)。選擇丙酮作為循環(huán)Ⅲ工質(zhì)。

圖5 熱源溫度對最大凈輸出功的影響

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化

將系統(tǒng)分為頂部耦合循環(huán)(循環(huán)I+循環(huán)Ⅱ)和底部單級循環(huán)(循環(huán)Ⅲ)進(jìn)行分析。影響系統(tǒng)凈輸出功的變量為循環(huán)I蒸發(fā)溫度Tevap，I(與煙氣分段點溫度T2關(guān)聯(lián))、循環(huán)I冷凝溫度Tcond，I(與循環(huán)Ⅱ蒸發(fā)溫度Tevap，Ⅱ關(guān)聯(lián))和循環(huán)Ⅲ蒸發(fā)溫度Tevap，Ⅲ。

煙氣分段點溫度的改變即為煙氣提供給頂部循環(huán)和底部循環(huán)熱量的改變。圖6所示為煙氣分段點溫度對最大熱效率的影響。由圖6可知，頂部耦合循環(huán)熱效率始終高于底部單級循環(huán)。因此優(yōu)先滿足頂部循環(huán)所需熱量，剩余煙氣熱量供給底部。

圖6 煙氣分段點溫度對最大熱效率的影響

循環(huán)I蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對頂部耦合循環(huán)的影響如圖7所示。凈輸出功最大時，Tevap，I=441 K，Tcond，I=369 K。

圖7 循環(huán)I蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對頂部耦合循環(huán)的影響

甲苯和R141b耦合循環(huán)與甲苯單級循環(huán)相比，凈輸出功高4.06%，循環(huán)熱效率高6.35%(蒸發(fā)溫度對甲苯單級循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響如圖8所示)，此外還降低了單個循環(huán)壓比，使系統(tǒng)尺寸和成本降低，且避免了冷凝溫度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)沸點造成的冷凝器負(fù)壓過大，更具實際意義。

圖8 蒸發(fā)溫度對甲苯單級循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

確定煙氣分段點溫度為449 K。圖9所示為蒸發(fā)溫度對丙酮單級循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響。當(dāng)蒸發(fā)溫度為365 K，循環(huán)凈輸出功最大。

圖9 蒸發(fā)溫度對丙酮單級循環(huán)凈輸出功和熱效率的影響

2.3 熱力學(xué)分析

系統(tǒng)凈輸出功最大時，各狀態(tài)點參數(shù)如表3所示。此時系統(tǒng)凈輸出功為1 587 kW，熱效率為20.26%，火用效率為42.68%，凈輸出功比甲苯工質(zhì)單級循環(huán)提高了23.33%，比蒸汽朗肯循環(huán)提高了12%。

為進(jìn)一步觀察系統(tǒng)熱力性能，圖10所示為各部件火用損失情況。由圖10可知，蒸發(fā)器I的火用損失最嚴(yán)重，占總火用損的56.43%，主要系熱源溫度與循環(huán)I蒸發(fā)溫度匹配性差。蒸發(fā)器I和蒸發(fā)器Ⅲ內(nèi)冷熱流體的溫度變化如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)各部件火用損失

圖11 蒸發(fā)器I和蒸發(fā)器Ⅲ內(nèi)冷熱流體的溫度變化

表3 優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

本文以某燃驅(qū)壓氣站煙氣為熱源，構(gòu)建了亞臨界復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，以凈輸出功為目標(biāo)確定各循環(huán)最優(yōu)工質(zhì)和工況，并進(jìn)行了火用分析，得出如下結(jié)論：

1)復(fù)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)將煙氣余熱分段分級回收，通過耦合循環(huán)吸收高溫?zé)煔庥酂幔偻ㄟ^一個單級循環(huán)吸收剩余煙氣余熱，可以大幅提高能量利用率。

2)當(dāng)煙氣初始溫度和流量一定時，若已知冷凝溫度，則單級有機(jī)朗肯循環(huán)存在一個蒸發(fā)溫度使循環(huán)凈輸出功最大，耦合有機(jī)朗肯循環(huán)存在一組蒸發(fā)溫度和中間溫度使循環(huán)凈輸出功最大。當(dāng)循環(huán)吸熱量一定時，凈輸出功隨蒸發(fā)溫度升高先增大后稍有減小。

3)對于溫度為673 K的煙氣，若采用單級有機(jī)朗肯循環(huán)回收余熱，甲苯表現(xiàn)優(yōu)于其他工質(zhì)；本文的復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)相比甲苯單級循環(huán)最大凈輸出功提高了23.33%，更大限度利用煙氣余熱，系統(tǒng)壓比和冷凝器負(fù)壓也更小，具有顯著優(yōu)越性。

4)復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的火用損失集中在蒸發(fā)器，主要是煙氣和工質(zhì)溫差較大所致，可考慮采用混合工質(zhì)來提高二者溫度匹配性。膨脹機(jī)火用損失較高，可考慮采用更高效率的膨脹機(jī)。

符號說明

Q——單位時間換熱量，kW

M——質(zhì)量流量，kg/s

cp——比定壓熱容，J/(kg·K)

T——溫度，K

h——比焓，kJ/kg

I——火用損，kW

s——比熵，kJ/(kg·K)

W——功，kW

η——效率

下標(biāo)

evap ——蒸發(fā)器

cond ——冷凝器

IH ——中間換熱器

gas ——煙氣

w ——冷卻水

I, Ⅱ, Ⅲ ——循環(huán)I，循環(huán)Ⅱ，循環(huán)Ⅲ

1，2，3，…——節(jié)點標(biāo)號

in，out ——進(jìn)口，出口

e ——火用

p——循環(huán)泵

t——膨脹機(jī)

i——循環(huán)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之一