低溫?zé)崃黧w兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)中間冷卻溫度

許 琳 雷 波 袁中原

低溫?zé)崃黧w兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)中間冷卻溫度

許 琳 雷 波 袁中原

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

針對(duì)由ORC發(fā)電冷卻單元與常規(guī)冷卻單元串聯(lián)而成的低溫?zé)崃黧w的兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)，研究如何確定兩級(jí)間熱流體的中間冷卻溫度。以系統(tǒng)凈輸出功率最大為目標(biāo)，分析了熱流體溫度、冷卻目標(biāo)溫度、熱流體流量及環(huán)境濕球溫度對(duì)最優(yōu)中間冷卻溫度的影響。結(jié)果表明：最優(yōu)中間冷卻溫度隨熱流體溫度和環(huán)境濕球溫度的升高而增大；熱流體流量和冷卻目標(biāo)溫度的改變基本上對(duì)最優(yōu)中間冷卻溫度無(wú)影響作用。

低溫?zé)崃黧w；兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)；中間冷卻溫度

0 引言

在煤化工、石化等行業(yè)，有許多生產(chǎn)工藝過(guò)程都需要將60～300℃的低溫?zé)崃黧w冷卻到工業(yè)要求的目標(biāo)溫度。目前，常用的工業(yè)級(jí)大容量冷卻方式有空冷、水冷、蒸發(fā)冷以及這些方式的復(fù)合冷卻，在冷卻過(guò)程中需要消耗大量能源且環(huán)境效益差[1]。冷卻設(shè)備是工業(yè)耗能耗水大戶，其用電負(fù)荷占項(xiàng)目總用電量的15%左右，耗水量超過(guò)企業(yè)用水總量的一半[2]。如果可以利用低溫?zé)崃黧w自身的熱量作為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行冷卻，則可以大大降低冷卻過(guò)程的能耗。

有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，以下簡(jiǎn)稱ORC）低溫發(fā)電技術(shù)可將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位電能，在獲得發(fā)電的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝熱流體的降溫冷卻，提高能源利用率，減輕環(huán)境污染[3-5]。但是，ORC的凈發(fā)電效率隨著冷卻目標(biāo)溫度的降低而迅速降低[6]，當(dāng)冷卻目標(biāo)溫度過(guò)低時(shí)，ORC發(fā)電機(jī)組的凈發(fā)電量甚至可能變?yōu)樨?fù)值。

本文針對(duì)一種低溫?zé)崃黧w的兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)：第一級(jí)是發(fā)電冷卻，第二級(jí)是耗電冷卻。當(dāng)?shù)谝患?jí)冷卻的發(fā)電量大于第二級(jí)的耗電量時(shí)，系統(tǒng)有凈的發(fā)電輸出。在這個(gè)兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)中，中間冷卻溫度T是最關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，直接影響到兩個(gè)冷卻單元的設(shè)備規(guī)模和整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

本文以兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的凈輸出功率最大為優(yōu)化目標(biāo)，研究不同的熱流體溫度、冷卻目標(biāo)溫度、熱流體流量及室外濕球溫度等參數(shù)下，系統(tǒng)的最優(yōu)中間冷卻溫度T。

1 低溫?zé)崃黧w的兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)

系統(tǒng)包括串聯(lián)布置的兩級(jí)冷卻單元，其中第一級(jí)ORC發(fā)電冷卻單元主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵、發(fā)電機(jī)等組成[7]；第二級(jí)常規(guī)冷卻單元可以為風(fēng)冷裝置、水冷裝置或蒸發(fā)冷裝置。圖1為兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)流程圖。

如圖1所示，進(jìn)口溫度為T的低溫?zé)崃黧w首先進(jìn)入ORC發(fā)電冷卻單元，冷卻至一個(gè)合適的中間溫度T，再進(jìn)入常規(guī)冷卻單元冷卻至目標(biāo)出口溫度T。

2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

通過(guò)對(duì)兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，建立系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，可以分析中間冷卻溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以便確定最優(yōu)的中間冷卻溫度。系統(tǒng)的熱力學(xué)模型如下。

系統(tǒng)對(duì)低溫?zé)崃黧w的總冷卻量Q為ORC發(fā)電冷卻單元的冷卻量Q與常規(guī)冷卻單元的冷卻量Q之和：

式（1）中：

式（2）和式（3）中，m為低溫?zé)崃黧w的質(zhì)量流量，kg/s；c為低溫?zé)崃黧w的平均定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；T、T和T分別為低溫?zé)崃黧w溫度、中間冷卻溫度和冷卻目標(biāo)溫度，℃。

ORC發(fā)電冷卻單元的凈輸出功率W可表示為膨脹機(jī)輸出的功率W減去工質(zhì)泵和ORC發(fā)電冷卻單元消耗的功率W、W1。

兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的凈輸出功率W可表示為ORC發(fā)電冷卻單元的凈輸出功率W減去常規(guī)冷卻單元中冷凝器的耗功率W2：

式（4）和式（5）中，W為膨脹機(jī)的輸出功率，kW；W為工質(zhì)泵消耗的功率，kW；W1為ORC發(fā)電冷卻單元中冷卻水泵消耗的功率，kW；W2為常規(guī)單元中冷卻水泵消耗的功率，kW。

基于以上所建立的兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，利用Matlab軟件編寫計(jì)算程序，以整個(gè)系統(tǒng)的凈輸出功率最大為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)中間冷卻溫度進(jìn)行求解。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

ORC發(fā)電冷卻單元選取導(dǎo)熱性良好、對(duì)臭氧層無(wú)破壞作用的有機(jī)工質(zhì)R245fa。ORC發(fā)電冷卻單元主要的設(shè)計(jì)參數(shù)包括：蒸發(fā)器、冷凝器的換熱窄點(diǎn)溫差為5℃，膨脹機(jī)等熵效率為0.85，工質(zhì)泵等熵效率為0.7，冷卻水泵等熵效率為0.8。

兩級(jí)冷卻單元的冷凝器均選取蒸發(fā)式冷卻，其冷卻效果主要受到室外環(huán)境濕球溫度的影響。蒸發(fā)式冷卻是通過(guò)水分蒸發(fā)吸熱帶走被冷卻介質(zhì)的熱量，傳熱效率高，節(jié)水節(jié)電效果好[8,9]。

3.1 中間冷卻溫度和系統(tǒng)的凈輸出功率

兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫?zé)崃黧w降溫冷卻的同時(shí)，還期望能夠從低溫?zé)崃黧w中獲取更多的凈輸出功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)低品位能源的最大化利用。假定低溫?zé)崃黧w溫度為90℃，冷卻目標(biāo)溫度為40℃，質(zhì)量流量為6000t/h，環(huán)境濕球溫度為15℃，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，圖2給出了系統(tǒng)的凈輸出功率隨中間冷卻溫度的變化曲線。

圖2 系統(tǒng)的凈輸出功率隨中間冷卻溫度的變化

從圖2可知，當(dāng)中間冷卻溫度升高時(shí)，系統(tǒng)的凈輸出功率先增大后減小，存在一個(gè)中間冷卻溫度使得系統(tǒng)凈輸出功率最大。將系統(tǒng)的凈輸出功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的中間冷卻溫度定義為最優(yōu)中間冷卻溫度T。在上述工況條件下，最優(yōu)中間冷卻溫度約為54.2℃。

3.2 影響最優(yōu)中間冷卻溫度的因素

以下計(jì)算均是以系統(tǒng)的凈輸出功率最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用單因素分析方法，研究不同因素對(duì)最優(yōu)中間冷卻溫度的影響。

（1）熱流體溫度

圖3 最優(yōu)中間冷卻溫度與熱流體溫度關(guān)系圖

假定低溫?zé)崃黧w溫度的變化范圍為80～135℃，冷卻目標(biāo)溫度為40℃，質(zhì)量流量為6000t/h，環(huán)境濕球溫度為15℃，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，最優(yōu)中間冷卻溫度隨熱流體溫度的變化情況如圖3所示。

為了更好的反映二者關(guān)系，對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，公式如下：

式中，T為最優(yōu)中間冷卻溫度，℃。

公式（6）的擬合度為0.999，擬合效果好。從圖3可以看出，最優(yōu)中間冷卻溫度隨熱流體溫度的升高而增大，而且增大的幅度逐漸變小。

當(dāng)熱流體溫度升高時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度升高，ORC發(fā)電冷卻單元的凈發(fā)電效率升高，膨脹機(jī)的輸出功增大，發(fā)電效益增強(qiáng)。

（2）熱流體流量

假定熱流體溫度為90℃，冷卻目標(biāo)溫度為40℃，環(huán)境濕球溫度為15℃，當(dāng)?shù)蜏責(zé)崃黧w流量在100～6000t/h變化時(shí)，計(jì)算得到的最優(yōu)中間冷卻溫度均為54.2℃。

這個(gè)結(jié)果表明熱流體流量的變化，只是改變了系統(tǒng)的容量，最優(yōu)中間冷卻溫度并不隨熱流體流量變化而改變。

（3）冷卻目標(biāo)溫度

假定冷卻目標(biāo)溫度的變化范圍為30～50℃，質(zhì)量流量為6000t/h，環(huán)境濕球溫度為15℃，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，最優(yōu)中間冷卻溫度隨熱流體冷卻目標(biāo)溫度的變化情況如下表1所示。

表1 最優(yōu)中間冷卻溫度隨冷卻目標(biāo)溫度的變化統(tǒng)計(jì)表

從表1可以看出，系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變，冷卻目標(biāo)溫度在30~50℃變化時(shí)，最優(yōu)中間冷卻溫度基本上不隨熱流體的冷卻目標(biāo)溫度變化。

（4）環(huán)境濕球溫度

選取銀川地區(qū)典型氣象年的月平均濕球溫度作為環(huán)境溫度參考值，熱流體溫度為90℃，冷卻目標(biāo)溫度為40℃，質(zhì)量流量為6000t/h。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬，最優(yōu)中間冷卻溫度隨環(huán)境濕球溫度的變化情況如圖4所示。

圖4 最優(yōu)中間冷卻溫度與環(huán)境濕球溫度關(guān)系圖

從圖4可以看出，最優(yōu)中間冷卻溫度變化趨勢(shì)與環(huán)境濕球溫度變化趨勢(shì)基本相同，為了更好的應(yīng)用于工程中，將環(huán)境濕球溫度和最優(yōu)中間冷卻溫度進(jìn)行擬合，公式如下：

式中，T為環(huán)境濕球溫度，℃。

公式（7）的擬合度為0.999，擬合效果好，最優(yōu)中間冷卻溫度與環(huán)境濕球溫度存在一次方函數(shù)關(guān)系。當(dāng)熱力系統(tǒng)其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變時(shí)，室外環(huán)境濕球溫度越大，最優(yōu)中間冷卻溫度值也越大。

如果低溫?zé)崃黧w的冷卻目標(biāo)溫度T實(shí)際設(shè)計(jì)值小于或等于經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得到的最優(yōu)中間冷卻溫度T，此時(shí)對(duì)低溫?zé)崃黧w的冷卻量可全部由ORC發(fā)電冷卻單元承擔(dān)，不需再經(jīng)過(guò)常規(guī)冷卻單元的冷卻換熱。

4 結(jié)論

本文建立了低溫?zé)崃黧w的兩級(jí)串聯(lián)冷卻系統(tǒng)熱力學(xué)模型，研究了熱流體溫度、冷卻目標(biāo)溫度、熱流體流量及環(huán)境濕球溫度對(duì)最優(yōu)中間冷卻溫度的影響，得到以下結(jié)論：

（1）低溫?zé)崃黧w溫度增大時(shí)，最優(yōu)中間冷卻溫度隨之增大；熱流體的流量和冷卻目標(biāo)溫度的改變基本上對(duì)最優(yōu)中間冷卻溫度無(wú)影作用。

（2）當(dāng)兩級(jí)冷卻單元的冷凝器均為蒸發(fā)式冷卻時(shí)，最優(yōu)中間冷卻溫度隨環(huán)境濕球溫度升高而增大，二者近似為線性函數(shù)關(guān)系。

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A Research on Optimal Intermediate Cooling Temperature Based on Serial Two-stage Cooling System of Low-temperature Thermal Fluid

Xu Lin Lei Bo Yuan Zhongyuan

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

This paper established a serial two-stage cooling system of low-temperature thermal fluid, which is composed of ORC power generation cooling unit and conventional cooling unit, and studied how to determine the intermediate cooling temperature of thermal fluid. By calculating the thermal process of the system, taking the maximum net output power as the objective function, and analyzing the effect of thermal fluid temperature, cooling output temperature, thermal fluid flow rate and ambient wet bulb temperature on the optimal intermediate cooling temperature. The results show that the optimal intermediate cooling temperature increases with the higher thermal fluid temperature and ambient wet bulb temperature. Furthermore, it’s found that thermal fluid flow rate and cooling output temperature have no influence on the optimal intermediate cooling temperature.

low-temperature thermal fluid; serial two-stage cooling system; intermediate cooling temperature

1671-6612（2019）06-588-04

TK123

A

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018GZ0160）：工業(yè)低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究與成套裝備應(yīng)用示范

許 琳（1992.04-），女，在讀碩士研究生，E-mail：18567286855@163.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2019-03-11