有機朗肯循環(huán)機組性能仿真與變工況運行分析

張立昂, 姜未汀, 曹先常, 陳志良

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司, 上海 201999)

有機朗肯循環(huán)(Organic Rankcine Cycle,ORC)作為一種成熟且可行的中低溫余熱回收技術,已被越來越多的企業(yè)采用。國外對于有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術的研究最早可追溯到1924年[1]。1966年,RAYSK等學者提出了可利用氟利昂作為工質驅動朗肯循環(huán)回收低溫余熱[2],隨后該項研究引起了各國學者的廣泛關注。與其他余熱回收技術手段相比,ORC發(fā)電技術相對成熟,且已有相當多的應用實例,目前機組容量可達幾十兆瓦。

近年來,對于ORC系統(tǒng)優(yōu)化利用的研究一直沒有停止,在ORC 2017大會上,LEDUC P等人[3]提出將ORC循環(huán)放置在重型卡車和客車的冷卻劑回路中進行廢熱回收 ,并認為發(fā)動機冷卻液熱回收ORC系統(tǒng)可降低3%的油耗。從長遠來看,這是一種在重型卡車和客車上“終極廢熱回收”方法。MARCHIONNI M等人[4]提出了一種可復制的快速的模擬方法來分析和設計ORC系統(tǒng)進行廢熱功率變換,特別適合總體系統(tǒng)性能分析。其采用的控制策略可以避免不同熱負荷熱源的干擾。目前國內外大型ORC機組都開始選擇透平機作為動力設備而不是采用傳統(tǒng)的螺桿式膨脹機[5],原因主要是透平機的ORC循環(huán)效率更高。KANG S H等人[6]提出了一種高速徑流式渦輪,使用R245fa作為工質,蒸發(fā)溫度在70～90 ℃,轉速可達到 63 000 r/min,實測輸出功率可達32.7 kW,渦輪效率可達78.7%。但與膨脹機相比,透平機也有不足之處:透平機對于進口工質的狀態(tài)要求很高,不允許進口工質中含有液滴[7],否則會對透平機造成危害,影響整個ORC機組的正常運行。

ORC系統(tǒng)大部分的熱源都集中于中低溫余熱,這些余熱資源并不是特別穩(wěn)定,可能會受到工業(yè)負荷的變化而波動。當熱源溫度發(fā)生變化時,如果不及時調整工質流量可能會造成蒸發(fā)器出口工質含有液滴,不利于透平機的安全運行。此外,隨著季節(jié)的變化,水溫的變化也可能會對ORC系統(tǒng)的發(fā)電量產生一定的影響。

目前,國內外對于ORC系統(tǒng)的研究大都集中于定工況下的循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化和參數模擬,對于工程上遇到的變工況運行和安全運行的情況很少提及。本文主要針對變工況運行時的系統(tǒng)進行模擬,同時著重于系統(tǒng)變工況時的安全運行研究,并計算出發(fā)電效率的變化量。對于工程上應用ORC系統(tǒng)尤其是使用透平機作為動力設備的ORC系統(tǒng)具有一定的參考價值。

本文采用Aspen Plus軟件對ORC流程進行模擬。Aspen Plus軟件是一個大型通用的流程模擬軟件,可以完成設備設計、穩(wěn)態(tài)仿真模擬和優(yōu)化等任務,還具備完整的物性系統(tǒng)和完備的單元操作模塊庫,具備計算方法和流程方法的先進性、流程模擬功能的快速可靠性;可以用實際的生產過程建立模型進行模擬,并在流程模擬過程中改變各種參數條件,得到實際工況所需要的結果。

1 ORC及其系統(tǒng)仿真平臺的建立

1.1 ORC簡介

ORC是使用低沸點的有機工質代替?zhèn)鹘y(tǒng)朗肯循環(huán)中水工質進行的循環(huán),因而ORC可以對低溫熱源的余熱進行回收并轉化成可以靈活使用的高品位的電能[8]。與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比,ORC發(fā)電在低溫回收方面具有更大的優(yōu)勢,回收溫度可以低至70 ℃。圖1為ORC循環(huán)模擬示意。

圖1 ORC循環(huán)模擬示意

ORC發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)基本相同,主要工作部件包括蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、循環(huán)泵和發(fā)電機。

1.2 ORC系統(tǒng)仿真平臺的建立

本文模擬回收余熱對象為上海市某工業(yè)園區(qū),擬定熱源為用來冷卻出口煙氣的熱水,其流量、溫度和壓力分別為220 t/h,150 ℃,0.5 MPa。首先使用Aspen Plus建立目標模型,初步模擬僅建立蒸發(fā)器、膨脹機(透平)、冷凝器和工質泵4個簡單模塊,并對其參數進行設計模擬。簡單的ORC系統(tǒng)模擬結果如圖2所示。

圖2 簡單ORC系統(tǒng)初步模擬結果

初步模擬時,本文將蒸發(fā)器工質出口溫度和壓力定為117 ℃和1.8 MPa,透平做工為2.85 MW,蒸發(fā)器吸熱量為25.45 MW,系統(tǒng)熱效率約為11.24%。其中透平模塊的等熵效率和機械效率根據文獻[9]設為80%。

由于動力設備使用透平機,即使有機工質R245fa為干工質,也需要考慮增加蒸發(fā)器出口的過熱度。一般會選擇在蒸發(fā)器出口設置過熱度,雖然會增加整個系統(tǒng)的造價,但穩(wěn)定性將會大大提高,同時運維費用也會降低。如果不設置出口過熱度,在實際運行過程中,變工況運行時可能會造成出口工質中含有液滴,會對透平機造成危害。本文模擬了正常運行狀態(tài)下過熱度從0～25 ℃,系統(tǒng)發(fā)電功率的變化趨勢如圖3所示。由于蒸發(fā)器內部可能會發(fā)生溫度交叉的問題,因此在增加過熱度時,需要大大減少工質流量。

圖3 改變系統(tǒng)過熱度時功率變化示意

與工質流量為110 kg/s,過熱度為0 ℃的系統(tǒng)相比,過熱度為15 ℃的系統(tǒng)在工質流量上少了近50%,僅有60 kg/s。通常情況下,工質流量減少時,系統(tǒng)效率將會降低,但是適當地提高蒸發(fā)器出口過熱度可有效地提高系統(tǒng)的循環(huán)效率,因此在透平效率不變的情況下,系統(tǒng)效率并沒有太大變化。為了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行,需要在系統(tǒng)中設置一定的過熱度,同時根據工程使用中的一些相關實例,本文在模擬時將過熱度設定在15 ℃。

冷凝器冷源可以使用常溫水,流量溫度的控制比較簡單,但冷源水排放溫度不能過高,因此模擬中設置冷凝器冷源出口溫度為43 ℃,具體循環(huán)模擬如圖4所示。

2 使用EDR對換熱器進行具體參數模擬

在ORC系統(tǒng)初步確定的基礎上,進行換熱器設計。使用Aspen Plus中帶有的專業(yè)換熱器設計軟件Aspen EDR(Aspen Exchanger Design and Rating),對循環(huán)系統(tǒng)中蒸發(fā)器進行具體的結構設計。本文選擇使用管殼式換熱器作為換熱器模塊。EDR可以根據冷/熱源進出口狀態(tài)的具體參數,自動進行模擬計算,并得出最合適的換熱器結構,然后根據《換熱器設計手冊》[10]進行調整。

文獻[11]通過敏感性實驗分析,認為膨脹機效率和冷凝溫度對熱效率的影響力最大。但在本文中,由于冷凝器冷源出口溫度需要滿足一定條件,需要根據冷凝器熱源進口數據,采用冷源水泵進行調節(jié),并且本文主要研究熱負荷變化下的系統(tǒng)變化,因此設定冷凝器出口溫度不變,僅選擇對蒸發(fā)器進行具體系統(tǒng)設計。選擇EDR自動模擬的管殼式換熱器結構,采用單臺單管程BEM型管殼式換熱器,由于默認220 t/h,150 ℃,0.5 MPa的熱水為最大負荷時的熱源參數,因此設計該換熱器時,沒有考慮留下換熱余量。

圖4 過熱度為15 ℃時系統(tǒng)循環(huán)流程

進行換熱器設計時其換熱余量設計為零,致使換熱器吸熱量略微提高,與之前初步模擬計算的數據存在微小的偏差:系統(tǒng)功率提升至1.69 MW,蒸發(fā)器換熱量為15.19 MW,系統(tǒng)循環(huán)效率降至11.13%。雖然系統(tǒng)功率得到了提高,但整體循環(huán)效率有所降低。

3 ORC機組變工況運行工況模擬

3.1 機組變工況運行參數變化

通過模擬ORC系統(tǒng)的結果可以看出,在中低溫余熱資源回收中使用ORC系統(tǒng)的效果還是令人滿意的。但模擬中使用的熱源大部分是通過常溫水與余熱資源換熱所得,會受到當地水溫、工業(yè)園區(qū)熱負荷變化等因素的影響,導致余熱溫度流量產生波動。當系統(tǒng)需要變工況運行時,需要根據熱源溫度、流量的變化,通過工質泵改變工質流量的大小,以保證系統(tǒng)的安全運行。

根據天氣網整理的數據,2016年上海市全年氣溫波動幅度可達到20 ℃,溫度浮動范圍雖然不大,但對于系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響較大。同時,本文模擬的對象為上海市某工業(yè)園區(qū),熱源的流量和溫度會隨著園區(qū)熱負荷的變化而變化。本文以150 ℃,220 t/h,0.5 MPa的熱水作為最大熱源參數進行模擬,分別研究溫度和流量均變化的情況下,工質流量、系統(tǒng)功率和系統(tǒng)循環(huán)效率的變化量,并對工業(yè)園區(qū)系統(tǒng)變工況運行的調整方式進行分析。

當工業(yè)園區(qū)的熱負荷減少時,可以選擇減少熱源溫度或者熱源流量兩種方式來對系統(tǒng)進行調節(jié)。假定工業(yè)園區(qū)熱源溫度變化范圍在10 ℃以內,通過改變模擬中的熱源溫度來得到系統(tǒng)各部分的變化,如圖5所示。

由圖5可知,熱源溫度的變化對于系統(tǒng)效率的影響并不大,系統(tǒng)效率變化量不超過0.2%。這是由于設計時透平的機械效率和等熵效率已經被定為恒定值,系統(tǒng)循環(huán)效率不會出現太大的波動。當熱源溫度降低到145 ℃以下時,需要使用工質泵來調節(jié)工質流量,以免蒸發(fā)器出口工質含有液滴,影響系統(tǒng)的安全運行。如果考慮系統(tǒng)穩(wěn)定的因素,那么熱源溫度變化在145～150 ℃的范圍內,可以不使用工質泵進行調節(jié),以減少操作。

此外,也可以選擇定溫度調節(jié)流量的方式。經過系統(tǒng)循環(huán)模擬,在150 ℃,0.5 MPa的定溫定壓狀態(tài)下,變流量運行的系統(tǒng)功率、工質流量和系統(tǒng)效率變化如圖6所示。

圖5 熱源溫度與系統(tǒng)功率和循環(huán)效率的關系

圖6 熱源流量與系統(tǒng)功率和效率的關系

經過模擬系統(tǒng)發(fā)現,熱源流量在190～220 t/h的范圍內,工質流量可以維持在60 kg/s不需要調節(jié),同時系統(tǒng)熱效率的波動范圍在11.1%～11.2%,相對較穩(wěn)定。系統(tǒng)實際的做功功率也隨著熱源流量的減少而減少。

對比兩種調節(jié)方式可以看出,在定溫度的條件下,調節(jié)熱源流量的方式更符合我們對變工況運行的預期。通過改變熱源流量來適應工業(yè)園區(qū)熱負荷的變化對系統(tǒng)的適應度更高,僅當系統(tǒng)流量降低至190 t/h時,才需要對工質泵進行調整。如果考慮到系統(tǒng)操作的簡潔性,當熱源溫度在145～150 ℃內變化時,可以不進行調整;低至145 ℃時,就需要對熱源流量泵進行流量調整,保證熱源在150 ℃,0.5 MPa的定溫定壓狀態(tài)下;當熱源流量在190～220 t/h的范圍內時,則不需要對工質流量進行調節(jié),也可使整個系統(tǒng)的效率維持在較高的狀態(tài)下。

3.2 同負荷定變量條件下變工況模擬參數對比

除了考慮系統(tǒng)操作的簡潔性,還需要考慮系統(tǒng)的做功功率及循環(huán)效率。為了對比定溫度調流量與定流量調溫度兩種調節(jié)方式在相同負荷變換下的優(yōu)缺點,需要對熱源進行進一步的模擬設定。設定熱源是被工業(yè)余熱加熱的常溫水,其溫度為20 ℃,壓力為0.002 339 3 MPa。當工業(yè)余熱負荷正常時,220 t/h的常溫水會被加熱到150 ℃,0.5 MPa。根據熱力學公式

Q=m(h2-h1)

(1)

式中:Q——常溫水吸熱量,即工業(yè)余熱放熱量;

m——工質質量;

h1——常溫水的焓值;

h2——加熱后常溫水的焓值。

通過軟件REFPROP可以得到h1和h2的具體數值,求得Q值約為120 000 kJ/h。通過對Q值的改變,使用式(1)可得到定溫度變流量和定流量變溫度的相關數據。

對定流量和定溫度兩種情況分別進行相關模擬并得出結論。定溫度變流量的模擬數據,如表1所示。

在定溫度的情況下,即不改變工質蒸發(fā)溫度,只改變工質流量以達到透平機進口參數要求。由于透平機械效率與等熵效率已確定,系統(tǒng)循環(huán)效率不會產生太大變化,但系統(tǒng)功率會隨著熱負荷的減少而減少。如果考慮透平機的實際效率變化,可能不會達到模擬效果這么好,但是在熱負荷70%以上時該數據可以作為參考。

表1 調節(jié)工質流量匹配熱源變化時的各參數變化

變溫度定流量的模擬數據如表2所示。由表2可以看出,熱負荷變化量相同時,使用定溫度變流量的調節(jié)方法相比于定流量變溫度的調節(jié)方法更加合理。在熱負荷為90%時,系統(tǒng)做功功率已經超過定流量變溫度調節(jié)法,高達0.5 MW。使用定流量變溫度進行調節(jié)時,在熱負荷低于70%時,熱源溫度已經低于110 ℃,如果不降低系統(tǒng)蒸發(fā)器的出口溫度,系統(tǒng)將無法運行。當蒸發(fā)器出口溫度降低時,系統(tǒng)循環(huán)效率將會降低,在增加系統(tǒng)操作的同時對運維要求也會相應提高。

表2 調節(jié)工質蒸發(fā)溫度匹配熱源變化時的各參數變化

4 結 論

(1) 設計模擬ORC需要適當設計蒸發(fā)器出口過熱度,以保證在熱源熱量降低時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當熱源熱量降低時,考慮到系統(tǒng)操作的簡潔性,在一定范圍內可以不進行調整;當超過這一范圍時,就需要對熱源流量泵進行流量調整,保證熱源溫度在定溫定壓的狀態(tài)下,在熱源流量一定的范圍內,不需要對工質流量進行調節(jié)也可使整個系統(tǒng)的效率維持在較高的范圍內。

(2) 熱負荷變化量相同時,相比于定流量變溫度的調節(jié)方法,采用定溫度變流量的調節(jié)方法更加合理。在透平等熵效率和機械效率確定的情況下,使用定溫度變流量的調節(jié)方法對系統(tǒng)循環(huán)效率影響不大;而定流量變溫度調節(jié)方法在低于一定熱負荷時,需要降低蒸發(fā)器出口溫度,使得系統(tǒng)循環(huán)效率降低,同時會增加系統(tǒng)的操作,對運維的要求也會相應提高。