張建亮

(濟(jì)南熱力集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250011)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗和環(huán)境問題已成為制約經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。余熱回收利用已成為當(dāng)前我國節(jié)能減排研究的重要方向，利用形式也呈多樣化發(fā)展。從我國能源結(jié)構(gòu)來看，70%左右的能源消耗在工業(yè)生產(chǎn)中，而其中60%～65%轉(zhuǎn)變成了不同載體、不同溫度的余熱資源[1]?；厥蘸屠霉I(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的中低溫余熱(溫度350～650 ℃的為中溫余熱，溫度在350 ℃以下的為低溫余熱)，不僅有助于緩解我國能源短缺，還能有效解決工業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電技術(shù)對熱源溫度具有廣泛的適應(yīng)性，在中低溫余熱回收中受到廣泛重視[2]。

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)中通常將平準(zhǔn)化電力成本(Levelized Electricity Cost，LEC)作為衡量循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的依據(jù)[3-6]。本文以某企業(yè)玻璃生產(chǎn)線煙氣利用為背景，在建立平準(zhǔn)化電力成本計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，考察7種工質(zhì)(2-甲基丁烷、一氟二氯乙烷、丙酮、正庚烷、苯、辛烷、甲苯)亞臨界循環(huán)、超臨界循環(huán)熱效率、平準(zhǔn)化電力成本，考慮工質(zhì)的環(huán)保及安全性，評價(jià)工質(zhì)對中溫余熱熱源有機(jī)朗肯循環(huán)的適用性。

2 平準(zhǔn)化電力成本模型與計(jì)算條件

2.1 平準(zhǔn)化電力成本模型

選取有機(jī)朗肯循環(huán)的4個(gè)基本部件(工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機(jī))作為計(jì)算平準(zhǔn)化電力成本的基本要素，忽略其他部件的影響。

以2018年美元為基準(zhǔn)的平準(zhǔn)化電力成本CLEC的計(jì)算式為[7]：

式中CLEC——以2018年美元為基準(zhǔn)的平準(zhǔn)化電力成本，美元/(kW·h)

βrf——等額償還銀行貸款時(shí)投資回收因子

F2018——以2018年美元為基準(zhǔn)的設(shè)備購置費(fèi)，美元

βom——運(yùn)行維護(hù)成本比例，取0.015

Pnet——系統(tǒng)凈輸出功率，kW

ty——系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間，h，取8 000 h

i——利率，取0.005

t——系統(tǒng)使用壽命，a，取20 a

F1996——以1996年美元為基準(zhǔn)的設(shè)備購置費(fèi)，美元

β2018——以2018年美元為基準(zhǔn)的化工廠成本指數(shù)，取603.1

β1996——以1996年美元為基準(zhǔn)的化工廠成本指數(shù)，取382.0

以1996年美元為基準(zhǔn)的設(shè)備購置費(fèi)包括工質(zhì)泵、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)的購置費(fèi)用，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[8]。用于計(jì)算工質(zhì)泵、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹機(jī)的購置費(fèi)用的工質(zhì)泵耗電功率、膨脹機(jī)輸出功率、冷凝器換熱面積、蒸發(fā)器換熱面積根據(jù)亞臨界循環(huán)、超臨界循環(huán)的熱力學(xué)模型、經(jīng)濟(jì)模型[9]，由計(jì)算條件計(jì)算得到。有機(jī)朗肯循環(huán)的熱效率為系統(tǒng)凈輸出功率與工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱功率之比。

2.2 計(jì)算條件

筆者選取7種工質(zhì)進(jìn)行分析，工質(zhì)的特性參數(shù)見表1。2-甲基丁烷、正庚烷、辛烷屬于烷烴類，一氟二氯乙烷屬于鹵代烴類，苯、甲苯屬于苯類，丙酮屬于酮類。

表1 工質(zhì)的特性參數(shù)

采用REFPROP軟件計(jì)算工質(zhì)物性參數(shù)，并使用Excel構(gòu)建有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)模型、經(jīng)濟(jì)模型、LEC模型。計(jì)算條件：熱源入口煙氣溫度為400 ℃，體積流量為76 600 m3/h，出口溫度為80 ℃。冷卻水的入口溫度和環(huán)境溫度均為20 ℃，環(huán)境壓力為0.1 MPa。冷凝溫度為30 ℃，冷凝器兩側(cè)的夾點(diǎn)溫差為5 ℃。膨脹機(jī)效率為70%，工質(zhì)泵的效率為80%，換熱器(冷凝器、蒸發(fā)器)換熱效率為100%。亞臨界循環(huán)的蒸發(fā)器出口過熱度為5 ℃。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 亞臨界循環(huán)

不同工質(zhì)亞臨界循環(huán)的熱效率、平準(zhǔn)化電力成本隨蒸發(fā)溫度的變化分別見圖1、2。由圖1可知，7種工質(zhì)亞臨界循環(huán)的熱效率均隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，苯、甲苯亞臨界循環(huán)的熱效率比較高。由圖2可知，7種工質(zhì)亞臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本均隨蒸發(fā)溫度的升高而減小，苯、甲苯亞臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本比較低。綜合考慮熱效率、平準(zhǔn)化電力成本，在7種工質(zhì)中，苯、甲苯亞臨界循環(huán)的綜合性能最優(yōu)。

圖1 不同工質(zhì)亞臨界循環(huán)的熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化

圖2 不同工質(zhì)亞臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本隨蒸發(fā)溫度的變化

3.2 超臨界循環(huán)

對于超臨界循環(huán)，蒸發(fā)器出口無過熱度，并在兩種膨脹機(jī)入口壓力(5.5、6.0 MPa)下進(jìn)行分析。不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在兩種膨脹機(jī)入口壓力下的熱效率隨膨脹機(jī)入口溫度(允許范圍)的變化分別見圖3、4。由圖3、4可知，膨脹機(jī)入口溫度一定的條件下，兩種膨脹機(jī)入口壓力下各種工質(zhì)超臨界循環(huán)的熱效率整體上接近。苯、甲苯超臨界循環(huán)的膨脹機(jī)入口溫度允許范圍比較窄，但熱效率比較高。除正庚烷、辛烷外，其他工質(zhì)超臨界循環(huán)的熱效率基本隨膨脹機(jī)入口溫度的升高而增大，而庚烷、辛烷超臨界循環(huán)有減小的趨勢。

圖3 不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在膨脹機(jī)入口壓力5.5 MPa下熱效率隨膨脹機(jī)入口溫度的變化

圖4 不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在膨脹機(jī)入口壓力6.0 MPa下熱效率隨膨脹機(jī)入口溫度的變化

不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在兩種膨脹機(jī)入口壓力下的平準(zhǔn)化電力成本隨膨脹機(jī)入口溫度的變化分別見圖5、6。由圖5、6可知，各種工質(zhì)超臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本均隨膨脹機(jī)入口溫度的升高而減小。在膨脹機(jī)允許入口溫度內(nèi)，苯、甲苯超臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本比較低。

膨脹機(jī)入口溫度一定的前提下，膨脹機(jī)入口壓力5.5 MPa下各種工質(zhì)超臨界循環(huán)的平準(zhǔn)化電力成本均低于膨脹機(jī)入口壓力6.0 MPa條件。因此，膨脹機(jī)入口壓力5.5 MPa條件下的超臨界循環(huán)綜合性能更優(yōu)。

圖5 不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在膨脹機(jī)入口壓力5.5 MPa下平準(zhǔn)化電力成本隨膨脹機(jī)入口溫度的變化

圖6 不同工質(zhì)超臨界循環(huán)在膨脹機(jī)入口壓力6.0 MPa下平準(zhǔn)化電力成本隨膨脹機(jī)入口溫度的變化

4 環(huán)保及安全性評價(jià)

在工程應(yīng)用中，工質(zhì)的環(huán)保性和安全性也是重要的指標(biāo)?，F(xiàn)階段，適用于有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)一般遵循以下原則：全球變暖潛能值(GWP)小于5 000，臭氧消耗潛值(ODP)約為0，毒性小且不可燃。7種工質(zhì)的GWP、ODP、安全指標(biāo)見表2，工質(zhì)的安全指標(biāo)分類見表3。

由表2、3可知，苯、甲苯雖然毒性低，但可燃性較高，工程應(yīng)用中存在較大風(fēng)險(xiǎn)，對管道、設(shè)備的密封提出更高要求。雖然2-甲基丁烷目前已應(yīng)用在冰箱、空調(diào)等家電上，但鑒于其較高的可燃性，工程應(yīng)用還有待探討。一氟二氯乙烷不僅環(huán)境友好，毒性低、不傳播火焰，而且綜合性能居中。因此，現(xiàn)階段一氟二氯乙烷適宜作為中溫?zé)嵩从袡C(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)。

表2 工質(zhì)的GWP、ODP、安全指標(biāo)

表3 工質(zhì)的安全指標(biāo)分類

5 結(jié)論

① 7種工質(zhì)亞臨界循環(huán)的熱效率均隨蒸發(fā)溫度升高而增大，平準(zhǔn)化電力成本均隨蒸發(fā)溫度升高而減小。

② 7種工質(zhì)超臨界循環(huán)達(dá)到的最大熱效率均高于亞臨界循環(huán)，平準(zhǔn)化電力成本均低于亞臨界循環(huán)。膨脹機(jī)入口壓力為5.5 MPa條件下超臨界循環(huán)綜合性能優(yōu)于入口壓力6.0 MPa。

③ 無論亞臨界循環(huán)，還是超臨界循環(huán)，苯、甲苯均在熱效率和平準(zhǔn)化電力成本方面表現(xiàn)出最佳的綜合性能，一氟二氯乙烷的綜合性能居中。

④ 苯、甲苯雖然毒性低，但可燃性較高，工程應(yīng)用中存在較大風(fēng)險(xiǎn)，對管道、設(shè)備的密封提出更高要求。一氟二氯乙烷不僅環(huán)境友好，而且毒性低、不傳播火焰，現(xiàn)階段適合作為中溫余熱熱源有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)。