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        損失成本分析法在ORC發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用研究

        2020-07-16 11:59:44侯中蘭魏新利馬新靈孟祥睿
        節(jié)能技術(shù) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:冷源工質(zhì)蒸發(fā)器

        侯中蘭,魏新利,馬新靈,孟祥睿

        (1.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院,河南 鄭州 450001; 2.熱能系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與裝備教育部工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450001)

        0 引言

        在眾多關(guān)于低溫余熱發(fā)電的研究中,有機朗肯循環(huán)(簡稱ORC)被認(rèn)為是一種非常好的利用方式[1],在地?zé)岚l(fā)電、工業(yè)余熱回收等方面有大量應(yīng)用,而在實際的推廣應(yīng)用方面,還有許多的現(xiàn)實問題需要克服[2]。

        目前,關(guān)于ORC系統(tǒng)的膨脹機[3]、蒸發(fā)器[4]、工質(zhì)泵[5]、冷凝器[6]等重要單元設(shè)備性能分析以及熱力學(xué)系統(tǒng)的性能分析[7-9]已有很多研究。 除了熱力學(xué)分析之外,也有不少學(xué)者對ORC余熱發(fā)電的熱經(jīng)濟性進(jìn)行了分析研究。王志奇[10]等分析了蒸發(fā)壓力、熱源溫度及蒸發(fā)器最小傳熱溫差對系統(tǒng)性能的影響,得出當(dāng)熱源溫度為140℃時,采用R123作為有機工質(zhì)的經(jīng)濟性最佳,相應(yīng)的發(fā)電成本為0.142元/ kWh。Roy[11]等通過對采用燃料電池、燃?xì)廨啓C和有機朗肯循環(huán)的生物質(zhì)能系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟分析得到,該系統(tǒng)最低發(fā)電成本為0.086 $/kWh。Patel[12]等發(fā)現(xiàn)新型蒸汽壓縮吸收與ORC一體化系統(tǒng)的簡單投資回收期和盈虧平衡點分別為6.2年和4.9年。莫東鳴[13]等以系統(tǒng)發(fā)電成本為評價指標(biāo),對用于回收工業(yè)鍋爐煙氣余熱ORC系統(tǒng)進(jìn)行了熱經(jīng)濟分析與優(yōu)化,得到了最小發(fā)電成本時有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的最優(yōu)工作參數(shù)。

        然而ORC余熱發(fā)電有熱量傳遞、機械功與電轉(zhuǎn)換等熱力過程,目前國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行熱力學(xué)及熱經(jīng)濟性分析時,多注重以作為統(tǒng)一的基準(zhǔn)用于衡量系統(tǒng)性能,對熱經(jīng)濟指標(biāo)中的發(fā)電成本、投資回收期等比較重視,對損失成本的研究較少。依據(jù)熱經(jīng)濟學(xué)的原理[14],ORC發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部不同位置的及損失不僅數(shù)量上不同,從熱經(jīng)濟成本分析也是不等價的。本文應(yīng)用熱力學(xué)第二定律及熱經(jīng)濟原理分析方法,采用穩(wěn)流系統(tǒng)輸入輸出平衡、熱經(jīng)濟成本平衡等方法分析各流成本、設(shè)備損失及損失成本,提出優(yōu)化價值系數(shù)來判斷優(yōu)化次序,并將此分析方法應(yīng)用于ORC余熱發(fā)電工程,為系統(tǒng)優(yōu)化方向提供了參考。

        1.1 熱經(jīng)濟學(xué)成本

        圖1 熱經(jīng)濟成本傳遞圖

        對于第j個子系統(tǒng),平衡及熱經(jīng)濟成本平衡分別如下式所示

        Ei+Ei+1-Irj=Ei+2(i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)

        (1)

        ciEi+ci+1Ei+1+Cnj=ci+2Ei+2

        (i=1,2,…,k;j=1,2,…,m)

        (2)

        式中Ei——進(jìn)出各子系統(tǒng)的流/kWh;

        Irj——各子系統(tǒng)的損失/kWh;

        ci——流i的單位成本/元·kJ-1或元·(kWh)-1;

        Cnj——子系統(tǒng)j的非能量成本/元,包括折舊、維護、人工費用等。

        (3)

        (4)

        式中cin、cpr——進(jìn)入能量系統(tǒng)及最終產(chǎn)品的流單位成本/元·kJ-1或元·(kWh)-1;

        Ein、Epr——進(jìn)入能量系統(tǒng)及產(chǎn)品的流/kJ或kWh。

        Crj=crj×Irj

        (5)

        其中crj采用相應(yīng)子系統(tǒng)或設(shè)備輸出或產(chǎn)品的值。

        為從熱經(jīng)濟方面衡量分析對象實施技術(shù)優(yōu)化的重要性,將其年度損失成本與該非能源成本之比稱為優(yōu)化價值系數(shù)v,公式如下

        (6)

        2 系統(tǒng)介紹

        2.1 基本情況

        ORC發(fā)電工作過程為:液體工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收余熱收集系統(tǒng)收集的熱量變?yōu)檎羝?,推動膨脹機旋轉(zhuǎn),通過傳動裝置帶動發(fā)電機發(fā)電;在膨脹機中做完功的乏氣進(jìn)入冷凝器由冷源系統(tǒng)提供的冷量變?yōu)橐后w,工質(zhì)由工質(zhì)泵升壓后輸送到蒸發(fā)器,完成下一個動力循環(huán)。系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

        圖2 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)示意圖

        2.2 系統(tǒng)非能源成本

        某ORC發(fā)電機組設(shè)備投資為1 200萬元。以工程壽命周期為30年計算,年折舊費用為40萬元,年其他費用合計13萬元。該工程余熱收集及冷源借用原有系統(tǒng),費用記為0。系統(tǒng)非能源成本如表1所示。

        2.3 分析模型建立

        表1 系統(tǒng)設(shè)備編號及非能源成本信息/萬元

        設(shè)備編號固定投資年度折舊成本年其他費用年非能源成本A-余熱源00.0011B-冷源0022C-冷凝器1003.3325.33D-工質(zhì)泵1755.8316.83E-蒸發(fā)器2006.6728.67F-膨脹機72524.17529.17合計1 200401353

        圖3 總系統(tǒng)流及熱經(jīng)濟成本簡圖

        根據(jù)系統(tǒng)依據(jù)NIST公司的REFPROP軟件,可以求得不同工質(zhì)在一定壓力、溫度下的焓及熵值。本工程有機工質(zhì)流量穩(wěn)定,則處于一定狀態(tài)下穩(wěn)定物質(zhì)流的[15]可用下式表示

        E=[(h-T0s)-(h0-T0s0)]×qm

        (7)

        式中h——一定狀態(tài)下體系的焓/kJ·kg-1;

        s——一定狀態(tài)下體系的熵/kJ·(kg·K)-1;

        h0、s0——環(huán)境狀態(tài)下體系的焓和熵;

        qm——有機工質(zhì)的流量/kg·h-1或t·h-1。

        (8)

        式中EQ——熱量或冷量/kJ;

        ΔH——熱源或冷源提供的熱量或冷量/kJ,可由流體焓值的變化求出。

        3 典型工況分析

        該工程典型工況在環(huán)境溫度298 ℃、大氣壓力0.1 MPA時測得。依據(jù)年工作時間8 000 h,計算可得熱源每年可提供的熱量為1 923.85萬kWh,冷源每年提供冷量為117.33萬kWh;根據(jù)測得的工質(zhì)泵、發(fā)電機功率計算可得其年耗電量分別為70.96萬kWh、898.4萬kWh。有機工質(zhì)在不同設(shè)備的狀態(tài)如表2中流5、6、7、8所示。

        工業(yè)余熱與其他可再生能源一樣,其輸入的單位能源成本為c1=0。本工程在原有冷卻工程中改進(jìn),熱源及循環(huán)冷卻水和改造前工況一致,能源成本沒有變動,取c2=0,c4=c5=0。本工程最終產(chǎn)品為E12,未被膨脹機利用的低溫低壓有機工質(zhì)乏汽作為ORC的起點,設(shè)其單位成本C7=0。其他流結(jié)果如表2所示。

        表2 系統(tǒng)火用流計算結(jié)果

        流編號T/KP/MPaqm/kg·s-1h/kJ·kg-1s/kJ·kg-1Ei/104kWh·年-1ci/元·(kWh)-114161.283.33602.561.769 35 306.88023901.1583.33491.761.494 63 380.33031 923.850.000 542950.589.3691.910.321 9833.72053140.489.36171.220.582 91141.9306-117.33-0.017 073550.3336259.861.196 8726.26083170.3136503.771.849225.660.032 593182.4236474.361.863 4272.570.234 2104051.8736258.441.19751 696.910.043 31170.960.712898.400.142 9

        3.2 熱經(jīng)濟分析

        表3 計算結(jié)果一覽表

        設(shè)備及編號Irj/kWh·年-1損失占比/%Crj/萬元·年-1損失成本占比/[%]vC-冷凝器383.2733.0812.4616.462.34D-工質(zhì)泵24.052.085.637.440.82E-蒸發(fā)器499.5043.1121.6428.582.50F-膨脹機251.9421.7435.9947.531.23合計1 158.7610075.72100

        圖4 損失成本及價值系數(shù)圖

        4 結(jié)論

        依據(jù)熱力學(xué)第二定律及熱經(jīng)濟學(xué)原理,本文采用穩(wěn)流系統(tǒng)輸入輸出平衡、熱經(jīng)濟成本平衡等方法分析各流成本、設(shè)備損失及損失成本,得出結(jié)論如下:

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