不同余熱情況下有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)能量性能對比

王夢穎，馮霄，王彧斐

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不同余熱情況下有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)能量性能對比

王夢穎1，馮霄2，王彧斐3

（1中國石油大學(xué)（北京）新能源研究院，北京102249；2西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710049；3中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院，重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）

有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)都是發(fā)展前景廣闊的低溫余熱動(dòng)力利用技術(shù)，這兩種技術(shù)在余熱利用方面各有其優(yōu)勢和劣勢。在煉廠中，余熱資源分布廣泛，針對不同余熱熱源選擇合適的動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)對能量的有效利用具有實(shí)際意義。熱效率和?效率是評(píng)價(jià)動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)。通過將余熱資源分成3類，即顯熱熱源、復(fù)合熱源和潛熱熱源，用Aspen Hysys軟件對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)進(jìn)行流程模擬，考察了余熱資源特性對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)能量性能的影響。結(jié)果表明當(dāng)余熱為顯熱熱源時(shí)，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)于有機(jī)朗肯循環(huán)；當(dāng)余熱為復(fù)合熱源且潛熱與顯熱比=1或當(dāng)余熱為潛熱熱源時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。

有機(jī)朗肯循環(huán)；卡琳娜循環(huán)；余熱資源；能量性能；計(jì)算機(jī)模擬；回收；熱力學(xué)性質(zhì)

引 言

過程工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量低溫余熱，由于這些余熱的溫位較低，一般都通過空冷或水冷排棄到環(huán)境中，造成了能量的浪費(fèi)。因此，從能量的品質(zhì)上考慮，如何合理回收利用這些余熱，具有十分深遠(yuǎn)的意義。而動(dòng)力循環(huán)是余熱的一種回收方式，其中，有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)是兩種可以將熱轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力循環(huán)技術(shù)[1]，在余熱回收動(dòng)力循環(huán)方面得到了廣泛的研究和應(yīng)用[2]。

有機(jī)朗肯循環(huán)是一種以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)技術(shù)。在有機(jī)朗肯循環(huán)中，循環(huán)工質(zhì)的選擇和操作參數(shù)是影響系統(tǒng)性能的主要因素。循環(huán)工質(zhì)可以是純凈的有機(jī)工質(zhì)或者是混合物[3]。已有研究提出有機(jī)朗肯循環(huán)的不同結(jié)構(gòu)，可以是亞臨界或超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)，其壓力級(jí)別可以是單級(jí)或多級(jí)[4]。

卡琳娜循環(huán)是一種以氨水混合物為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)，是對傳統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)的一種改進(jìn)[5]，由于氨水混合物在變溫條件下實(shí)現(xiàn)沸騰的特點(diǎn)，使得余熱熱源的復(fù)合曲線能與工質(zhì)的復(fù)合曲線更好地匹配，使其比水蒸氣朗肯循環(huán)具有更高的熱效率[6]。該技術(shù)首先由Kalina博士[7]提出。在眾多的研究中，卡琳娜循環(huán)比普通的蒸汽朗肯循環(huán)產(chǎn)功更顯著，并且在回收400～600℃的顯熱熱源，溫差變化較大的情況下，該技術(shù)比朗肯循環(huán)更有優(yōu)勢[8]。Mlcak[9]研究發(fā)現(xiàn)，利用溫度為110℃左右的熱源驅(qū)動(dòng)卡琳娜循環(huán)效率高于傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)30%～50%。但是由于影響朗肯循環(huán)的效率主要與選取的工質(zhì)有關(guān)，因此，這兩種動(dòng)力循環(huán)的優(yōu)劣并不是絕對的。在Thorin[10]的研究工作中，高溫位（大約400℃）的廢熱在卡琳娜循環(huán)中產(chǎn)功量高于傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)，而在回收溫度較低的余熱熱源時(shí)，卡琳娜循環(huán)并沒有體現(xiàn)產(chǎn)功能力的優(yōu)勢；也有研究表明[11]卡琳娜循環(huán)在熱源溫度為108～122℃時(shí)效率高于有機(jī)朗肯循環(huán)3%；然而工質(zhì)為異戊烷的有機(jī)朗肯循環(huán)在回收溫度為175℃的余熱時(shí)表現(xiàn)出較好的熱效率和?效率[12]。

在對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的熱力學(xué)性能進(jìn)行比較時(shí)，眾多研究將熱源分為潛熱熱源和顯熱熱源。

對于潛熱熱源，其溫度可以看作定值。Victor等[3]研究表明在溫度范圍為100～250℃時(shí)，純有機(jī)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)的能量效率高于卡琳娜循環(huán)。

而在回收顯熱熱源方面，Bombarda等[13]對回收柴油機(jī)廢熱的卡琳娜循環(huán)和亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)比較，并發(fā)現(xiàn)卡琳娜循環(huán)比單級(jí)和雙級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)產(chǎn)功分別高45%和25%。他們發(fā)現(xiàn)雖然卡琳娜循環(huán)可以獲得相對較高的有用功，但是它需要非常高的壓力才能獲得更好的熱力學(xué)性能。因此，與有機(jī)朗肯循環(huán)相比，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)11[5,9]（KCS11）在中等壓力下回收低溫地?zé)豳Y源時(shí)的整體性能更好[14]。Walraven等[15]對回收低溫?zé)嵩矗?00～150℃）的不同類型的有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)跨臨界和多級(jí)亞臨界的有機(jī)朗肯循環(huán)的性能最優(yōu)。然而也存在不一樣的結(jié)果。Yari等[16]研究了三角形朗肯循環(huán)并將它與有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)進(jìn)行了比較。當(dāng)熱源為120℃的熱水時(shí)，優(yōu)化后結(jié)果表明三角形朗肯循環(huán)的凈輸出功最高，而卡琳娜循環(huán)最低[16]。但是，該研究并沒有分析有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的性能與其他相關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)果為何不同。

從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，大部分研究表明卡琳娜循環(huán)在余熱溫位較高的情況下優(yōu)勢更顯著[8]，而對于溫位較低（低于200℃）的情況，且余熱特性不同時(shí)，不同學(xué)者對這兩種循環(huán)評(píng)價(jià)不一[3,9-12,15-17]。然而，煉油廠的廢熱資源復(fù)雜得多，主要是由于余熱的溫度范圍廣，在某些情況下，潛熱和顯熱余熱會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。因此，本文考察了余熱資源特性對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)能量性能的影響。本文將煉油廠余熱源分類成3種類型并分析了不同類型余熱特性對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的熱效率和?效率的影響。

1 熱源的分類和循環(huán)過程建模

對于有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)過程進(jìn)行能量性能分析的基礎(chǔ)工作在于獲取循環(huán)過程中各物流的物性參數(shù)，進(jìn)而求得各物流的?。Aspen Hysys軟件具有完善的物性數(shù)據(jù)庫，而其中的Refprop物性方程適用于以氨水為工質(zhì)的卡琳娜循環(huán)[10]。

1.1 熱源的分類

余熱的特性包括余熱的熱容流率、供應(yīng)和目標(biāo)溫度、潛熱顯熱比例。根據(jù)這些特點(diǎn)，余熱資源可以分為3種類型，如圖1所示。顯熱熱源在放熱過程中伴隨著溫度的變化。-曲線是一條斜線。潛熱與顯熱比（）等于0。例如煙氣、熱水是這種類型的余熱。復(fù)合熱源是由一個(gè)近似等溫相變過程和變溫放熱過程組合起來的熱源。-曲線由一個(gè)斜線和一條水平線組合而成，大于0。蒸餾塔的全凝器中冷凝冷卻的物流就是這樣的一個(gè)例子。潛熱源只有一個(gè)近似等溫相變過程。-曲線是一條水平線，無窮大。蒸餾塔頂部分凝器中的物流放熱熱源就是一種潛熱熱源。

圖2為考慮不同類型余熱的冷熱復(fù)合曲線，其中熱物流為余熱線，冷物流為動(dòng)力循環(huán)工質(zhì)。其冷熱復(fù)合曲線之間所圍成的面積基本顯示了理想狀況下熱源和循環(huán)工質(zhì)之間傳熱的?損失大小。通過改變循環(huán)工質(zhì)的組成、流率和壓力可以進(jìn)一步調(diào)整冷復(fù)合曲線的斜率和拐點(diǎn)的位置，使其與熱源更好地匹配，以減少傳熱過程的?損失。而熱效率和?效率都與循環(huán)工質(zhì)的組成、流率和壓力有關(guān)。因此，在建立循環(huán)過程模型后，分析各因素對循環(huán)過程的影響并確定最優(yōu)操作參數(shù)，然后針對不同類型的余熱對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)進(jìn)行對比。

在確定最優(yōu)操作參數(shù)過程中，假設(shè)存在一股進(jìn)口溫度為150℃熱物流，當(dāng)余熱中存在顯熱時(shí)，該熱物流可以被冷卻到55℃，其熱負(fù)荷為1000 kW，兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)其余工況見表1。為了簡化流程模擬和發(fā)掘循環(huán)系統(tǒng)的最大做功能力，對這兩種循環(huán)過程進(jìn)行以下假設(shè)：

（1）整個(gè)循環(huán)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）忽略各操作單元和管路中的熱損失，忽略換熱器進(jìn)出口壓降；

（3）循環(huán)工質(zhì)在透平入口處為飽和氣相；

（4）循環(huán)工質(zhì)在溶液泵入口處為飽和液相。

表1 循環(huán)過程操作參數(shù)

1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)建模

影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率主要與工質(zhì)的選擇有關(guān)，而工質(zhì)的余熱回收能力隨著熱源條件的變化而變化。眾多學(xué)者都對循環(huán)工質(zhì)的篩選進(jìn)行了大量的研究。Lakew等[19]指出熱源的特性、溫位和目標(biāo)方程都會(huì)影響工質(zhì)的篩選。而Yu等[20]在有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)篩選中考慮了低溫余熱特性，并發(fā)現(xiàn)不同類型的余熱資源呈現(xiàn)出不同的最佳工質(zhì)的熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。

在Aspen Hysys中對典型的有機(jī)朗肯循環(huán)建模如圖3所示。該循環(huán)由預(yù)熱器、蒸發(fā)器、透平、冷凝器、溶液泵組成。在Hysys中使用了加熱器、冷卻器、透平和泵模塊。有機(jī)工質(zhì)在預(yù)熱器和蒸發(fā)器中回收熱源供給的熱量，因此預(yù)熱器的出口溫度應(yīng)為工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度，然后工質(zhì)蒸汽在透平中膨脹做功，透平出口為低溫低壓狀態(tài)，透平出口乏氣通過冷凝器冷凝后送入溶液泵，完成一個(gè)循環(huán)（1→2→3→4→5→1）。

1.3 卡琳娜循環(huán)建模

本文中卡琳娜循環(huán)的模型是在Larsen等[18]研究的卡琳娜動(dòng)力回收柴油機(jī)尾氣余熱裝置基礎(chǔ)上建立的。由于本文中使用的熱源進(jìn)口溫度為150℃，較柴油機(jī)尾氣余熱進(jìn)口溫度較低，因此在模型中將分離器進(jìn)口的回?zé)崞骱蠹尤牖厥沼酂岬念A(yù)熱器。卡琳娜循環(huán)在Aspen Hysys中建模如圖4所示。

余熱熱源經(jīng)過蒸發(fā)器和一定濃度的卡琳娜循環(huán)工質(zhì)氨水混合物換熱，氨水混合物（11）經(jīng)回?zé)崞?加熱后達(dá)到泡點(diǎn)溫度，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)達(dá)到工作溫度；氨水混合物蒸汽（2）在透平中膨脹做功，透平輸出的低溫低壓乏氣（3）在回?zé)崞?中與冷物流（13、14）換熱，然后與閃蒸罐中流出的低濃度氨水混合物（20）混合，混合后的氣液混合物被冷凝器冷卻后被泵1加壓，加壓后的低濃度氨水混合物由分離器分為兩部分，一部分低濃度氨水（8）在混合器2中與閃蒸罐塔頂高濃度氣相氨水（17）混合；混合后的氨水混合物在冷凝器2中冷凝，然后在泵2中加壓以及回?zé)崞?中加熱后，完成一個(gè)動(dòng)力子循環(huán)。由分離器塔底分離出的另一部分（18）經(jīng)過回?zé)崞?、回?zé)崞?和預(yù)熱器加熱后進(jìn)入閃蒸罐分離，分離后的高濃度氣相氨水混合物（16）在回?zé)崞?中進(jìn)行換熱，然后與低濃度氨水（8）混合。閃蒸罐塔釜的低濃度的稀溶液（18）經(jīng)回?zé)崞鲹Q熱后，與透平出口乏氣混合后冷凝形成基礎(chǔ)溶液，完成另一個(gè)循環(huán)，循環(huán)中既有傳熱過程，又有傳質(zhì)分離過程。

由于卡琳娜循環(huán)中含有兩個(gè)循環(huán)，為了讓流程更易收斂，因此在模擬時(shí)需要將循環(huán)中的某處物流打斷，以此為模型輸入初值，在另一個(gè)循環(huán)中設(shè)置一個(gè)循環(huán)模塊。在上述狀態(tài)點(diǎn)（1）處打斷物流，即回?zé)崞?出口物流（0-1）和蒸發(fā)器進(jìn)口物流（1）是不連接的，在蒸發(fā)器的進(jìn)口物流輸入初值。所需輸入的初值包括透平進(jìn)口壓力、工質(zhì)質(zhì)量流率、工質(zhì)濃度和工質(zhì)初始溫度。對比模擬結(jié)果，如果回?zé)崞?出口物流（0-1）結(jié)果與蒸發(fā)器進(jìn)口物流（1）輸入值一致，說明模擬收斂、計(jì)算可靠。在整個(gè)流程中，假設(shè)如1.1節(jié)中所述。整個(gè)模型需要的用戶輸入項(xiàng)有：余熱的溫度、余熱負(fù)荷、透平和泵的效率、透平出口壓力、閃蒸罐的溫度和壓力。

有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)在Hysys建模中Properties設(shè)定具體見表2、表3。

表2 有機(jī)朗肯循環(huán)在Hysys建模中Properties設(shè)定

表3 卡琳娜循環(huán)在Hysys建模中Properties設(shè)定

由于冷卻水為水，因此選取專門針對水的SteamNBS物性方法用于計(jì)算其相關(guān)物性。

與有機(jī)朗肯循環(huán)相比，卡琳娜循環(huán)的流程工藝更復(fù)雜，這是由于相對于有機(jī)工質(zhì)，氨水在完全蒸發(fā)之前，存在著氣態(tài)和液態(tài)兩種狀態(tài)，也就是說氨水的蒸發(fā)過程是變溫過程。此外，循環(huán)中使用閃蒸罐實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)濃度的調(diào)節(jié)，降低了透平的壓力和循環(huán)回?zé)徇^程的平均溫度。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

定義如下幾個(gè)指標(biāo)用于比較兩個(gè)循環(huán)的能量性能和能量回收性能：

余熱回收率

循環(huán)系統(tǒng)熱效率

余熱動(dòng)力回收效率

余熱?回收率

循環(huán)系統(tǒng)?效率

余熱動(dòng)力回收?效率

2 結(jié)果與討論

2.1 顯熱熱源的回收

2.1.1 有機(jī)朗肯循環(huán) 對于有機(jī)朗肯循環(huán)過程，當(dāng)余熱全為顯熱，余熱入口溫度為150℃，最佳工質(zhì)選擇R236fa這種臨界溫度低于余熱入口溫度的工質(zhì)，其具有可接受的熱效率和較有優(yōu)勢的余熱回收量[20]。

圖5為不同透平進(jìn)口壓力時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)回收過程余熱和有機(jī)工質(zhì)R236fa的溫焓圖。循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入溶液泵的溫度設(shè)定為25℃，透平出口壓力設(shè)定為270 kPa。從圖中可以看出隨著透平進(jìn)口壓力的降低，循環(huán)系統(tǒng)能夠回收的熱量增大，有機(jī)工質(zhì)的沸程增大。但是，壓力的降低也會(huì)導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)效率降低。圖6為對于操作條件下，不同壓力下循環(huán)系統(tǒng)效率變化圖。

從圖6中可以看出有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)余熱回收效率隨著透平進(jìn)口壓力的增加而降低，循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨著壓力的升高而增大。當(dāng)透平進(jìn)口壓力設(shè)定為1800 kPa時(shí)，該系統(tǒng)具有較有優(yōu)勢的余熱回收量和可接受的熱效率。表4為圖3中各物流對應(yīng)的操作參數(shù)。

表4 有機(jī)朗肯循環(huán)各物流的狀態(tài)參數(shù)

經(jīng)過計(jì)算得到有機(jī)朗肯循環(huán)在顯熱熱源下的余熱回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為8.8%，余熱動(dòng)力回收效率為8.8%，余熱?回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為43.9%，余熱動(dòng)力回收?效率為43.9%。

2.1.2 卡琳娜循環(huán)系統(tǒng) 影響該卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)的操作參數(shù)主要是循環(huán)工質(zhì)氨水的濃度和透平的進(jìn)口壓力，該循環(huán)系統(tǒng)的熱效率在不同氨水濃度和透平的進(jìn)口壓力下見表5。

表5 在不同透平進(jìn)口壓力和氨水濃度時(shí)的卡琳娜循環(huán)熱效率

注：—表示在該濃度和壓力下，循環(huán)系統(tǒng)中透平進(jìn)口有液相。

從表5中可以看出，該循環(huán)系統(tǒng)在透平進(jìn)口壓力為2000 kPa時(shí)，不同濃度的氨水在循環(huán)系統(tǒng)中的熱效率都比較高，因此確定該循環(huán)系統(tǒng)中透平進(jìn)口壓力為2000 kPa。

圖7是在透平進(jìn)口壓力為2000 kPa下，不同氨水濃度對卡琳娜系統(tǒng)熱效率和?效率的影響。從圖7中可以看出，隨著氨水濃度的增加，系統(tǒng)的熱效率和?效率均先減小后略微增加。由于熱源進(jìn)口溫度為150℃，這就限制了透平進(jìn)口物流的溫度，也就限制了氨水的最低濃度。又由于冷卻水溫度的限制，使得冷凝器1可將氨水混合物最低可冷卻至25℃，因而也限制了對應(yīng)氨水混合物的最高濃度。由于當(dāng)氨水濃度為0.84時(shí)，透平進(jìn)口溫度不能滿足夾點(diǎn)限制，因而最終確定該系統(tǒng)氨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85。表6為圖4中各物流對應(yīng)的操作參數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算得到卡琳娜循環(huán)在顯熱熱源下的余熱回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為10.8%，余熱動(dòng)力回收效率為10.8%，余熱?回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為54.1%，余熱動(dòng)力回收?效率為54.1%。

2.2 潛熱熱源的回收

當(dāng)熱源全部為潛熱時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇臨界溫度低于余熱進(jìn)口溫度25～35℃的工質(zhì)具有較好的余熱回收能力和可接受的熱效率[19]。因此，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)可選R236fa，循環(huán)系統(tǒng)各參數(shù)與2.1節(jié)中有機(jī)朗肯循環(huán)參數(shù)相同?？漳妊h(huán)系統(tǒng)中氨水濃度和系統(tǒng)壓力與2.1節(jié)中相同。

在余熱為150℃的潛熱熱源下，經(jīng)過計(jì)算得到有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收率為100.0%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為13.0%，余熱動(dòng)力回收效率為13.0%，余熱?回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為44.1%，余熱動(dòng)力回收?效率為44.1%?？漳妊h(huán)的余熱回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為10.8%，余熱動(dòng)力回收效率為10.8%，余熱?回收率為100%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為36.6%，余熱動(dòng)力回收?效率為36.6%。從結(jié)果可以看出，當(dāng)很大時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)凈發(fā)電量大于卡琳娜循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)余熱動(dòng)力回收效率和余熱動(dòng)力回收?效率均高于卡琳娜循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。

表6 卡琳娜循環(huán)各物流的狀態(tài)參數(shù)

2.3 復(fù)合熱源的回收

該復(fù)合熱源的潛熱與顯熱比例定為1，分別在2.1節(jié)中建立的有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)模型中進(jìn)行余熱回收模擬計(jì)算。其中，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇R601。因?yàn)樵跓嵩礈囟葹?50℃所對應(yīng)的最小潛熱比例為0.8[19]。當(dāng)潛熱比例超過該值時(shí)，有機(jī)工質(zhì)選擇熱效率最大的工質(zhì)。由于在回收復(fù)合熱源時(shí)，有機(jī)工質(zhì)發(fā)生了改變，因而有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中透平進(jìn)口壓力經(jīng)模擬后設(shè)定為1330 kPa?？漳妊h(huán)系統(tǒng)中氨水濃度和系統(tǒng)壓力參數(shù)與2.1節(jié)中相同。

經(jīng)過計(jì)算得到當(dāng)余熱為復(fù)合熱源且=1時(shí)有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收率為99.0%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為10.2%，余熱動(dòng)力回收效率為10.1%，余熱?回收率為99.6%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為41.7%，余熱動(dòng)力回收?效率為41.5%?？漳妊h(huán)的余熱回收率為92.5%，循環(huán)系統(tǒng)熱效率為10.7%，余熱動(dòng)力回收效率為9.9%，余熱?回收率為99.4%，循環(huán)系統(tǒng)?效率為41.5%，余熱動(dòng)力回收?效率為41.3%。因?yàn)橛袡C(jī)朗肯循環(huán)余熱動(dòng)力回收效率和余熱動(dòng)力回收?效率均高于卡琳娜循環(huán)，有機(jī)朗肯循環(huán)凈發(fā)電量大于卡琳娜循環(huán)，所以當(dāng)=1時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。

當(dāng)向較小方向變動(dòng)時(shí)，余熱資源更趨于顯熱熱源，則卡琳娜循環(huán)將逐漸優(yōu)于有機(jī)朗肯循環(huán)。當(dāng)向較大方向變動(dòng)時(shí)，余熱資源更趨于潛熱熱源，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。

2.4 討論

表7為這兩種循環(huán)在3種余熱情況下的余熱回收參數(shù)，從以上結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)余熱源為顯熱熱源時(shí)，應(yīng)選擇卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)余熱源為潛熱熱源時(shí)，應(yīng)選擇有機(jī)朗肯循環(huán)。當(dāng)余熱源為復(fù)合熱源時(shí)，潛熱與顯熱比影響有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)兩者的相對能量性能，當(dāng)=1或更大時(shí)，余熱動(dòng)力回收系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮有機(jī)朗肯循環(huán)；當(dāng)很小時(shí)，余熱動(dòng)力回收系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先考慮卡琳娜循環(huán)。在0～1之間存在某一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)大于該值時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)能量性能較好，當(dāng)小于該值時(shí)，卡琳娜循環(huán)能量性能較好。該值與熱源所處的溫度、有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的工質(zhì)以及參數(shù)相關(guān)。

表7 不同余熱源的余熱回收情況對比

3 結(jié) 論

由于煉廠中低溫余熱比常規(guī)余熱資源更加復(fù)雜。本文通過將余熱資源分成3類，即顯熱熱源、復(fù)合熱源和潛熱熱源，并對有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)在不同余熱情況下進(jìn)行了對比分析，可得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)余熱源為顯熱熱源時(shí)，卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)于有機(jī)朗肯循環(huán)；

（2）當(dāng)余熱源為潛熱熱源時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)。

（3）當(dāng)余熱源為復(fù)合熱源且潛熱與顯熱比=1時(shí)，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。

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Comparison of energy performance of organic Rankine and Kalina cycles considering different waste heat sources

WANG Mengying1, FENG Xiao2, WANG Yufei3

(1New Energy Institute, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2School of Chemical Engineering & Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China; 3State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Organic Rankine cycle (ORC) and Kalina cycle are both promising ways for low temperature waste heat utilization, and these two technologies have their own advantages and disadvantages on using waste heat. In refineries, there is considerable waste heat. It is significant to choose a proper cycle system considering different waste heat sources for efficient utilization of energy. Thermal efficiency and exergy efficiency are two key parameters to evaluate energy performance of power cycle systems. In this paper, the waste heat sources are classified into three types (, sensible heat source, combined heat source and latent heat source). An organic Rankine cycle and a Kalina cycle for low waste heat recovery are simulated by Aspen Hysys considering the characteristics of waste heat sources. The results show that when the waste heat is sensible heat source, the energy performance of Kalina cycle is better than that of ORC, while when waste heat is combined heat source and the ratio of latent heat source and sensible heat source () is equal to 1 or when waste heat is latent heat source, the energy performance of ORC is better than that of Kalina cycle.

organic Rankine cycle; Kalina cycle; waste heat sources; energy performance; computer simulation; recovery; thermodynamic properties

date: 2016-08-30.

Prof. FENG Xiao, xfeng@xjtu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161209

TQ 021.8

A

0438—1157（2016）12—5089—09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21576286）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21576286).

2016-08-30收到初稿，2016-09-02收到修改稿。

聯(lián)系人：馮霄。第一作者：王夢穎（1992—），女，碩士研究生。