低溫余熱回收的有機朗肯循環(huán)模擬與優(yōu)化

胡國華，李越，陳瑩，張藜藜

（中海油石化工程有限公司，山東濟南250101）

隨著煉化企業(yè)的大型化，可回收的低溫余熱越來越多，低溫余熱（90～120°C的熱量）的利用水平對全廠的節(jié)能降耗起著越來越大的作用[1~3]。通常，煉化企業(yè)低溫?zé)嶂饕獊碜猿?、催化裂化、延遲焦化、制氫、加氫裂化和重整等工藝裝置，煉油廠低溫余熱分布廣，溫位不高，回收較為困難，煉油廠和化工廠多年來一直受到能源消耗問題的困擾，尤其是工藝設(shè)備中的低溫?zé)崃勘焕速M。一般情況下會通過空氣冷卻器進行冷卻，或者通過循環(huán)水進行去除，這會浪費很多資源。利用工作液的能源，也是一種對能源浪費，使公共工程（水電）消耗的增加，直接影響企業(yè)的效率。低溫余熱的利用是煉化企業(yè)等高耗能行業(yè)節(jié)能降耗行之有效的途徑和方法[4，5]。根據(jù)煉化企業(yè)熱源產(chǎn)生與熱阱利用的特點，低溫余熱資源主要包括工藝物流、凝結(jié)水、乏汽、鍋爐和加熱爐煙氣等，目前絕大部分110~200℃的余熱已被利用，剩下的低溫位余熱未得到充分利用。

有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）以低沸點有機物作為循環(huán)工質(zhì)，將中低熱能吸收成高溫高壓蒸汽，在膨脹設(shè)備中膨脹工作，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)能源質(zhì)量的提高[6~8]。與采用水為工質(zhì)的水蒸汽朗肯循環(huán)相比，有機朗肯循環(huán)具有輔助系統(tǒng)少、結(jié)構(gòu)簡單、在同等壓力下的蒸發(fā)溫度低、回收余熱熱量多、透平輸出功率大、降低排氣溫度等優(yōu)點。

ORC余熱發(fā)電技術(shù)基于有機朗肯循環(huán)原理，以工業(yè)低溫余熱為驅(qū)動熱源，以優(yōu)質(zhì)電能為產(chǎn)品技術(shù)[9]。ORC低溫發(fā)電技術(shù)不同于眾所周知的以水為循環(huán)工質(zhì)的發(fā)電技術(shù)[10]。該技術(shù)使用的工質(zhì)為沸點較低的有機物，如氟利昂、異丁烷（R600a）、烴類化合物等，可在較低溫度下氣化成高壓蒸汽，高溫蒸汽和高壓用于驅(qū)動膨脹機。因此，有機蘭金動力循環(huán)技術(shù)可以利用低品位工業(yè)廢熱作為煙氣和廢水、蒸汽等動力熱源，輸出機械功。

本文重點以工藝裝置回收的凝結(jié)水為熱源，進行有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)模擬研究。

1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、透平機、冷凝器、工質(zhì)泵四個部件，該系統(tǒng)的操作與傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)非常相似。有機工質(zhì)依次經(jīng)歷五個階段，即工質(zhì)泵從5到6絕熱升壓的過程和蒸發(fā)器中恒壓吸熱的過程。從6到3、從3到4在膨脹機中絕熱膨脹的過程，從4到5是在冷凝器中恒壓冷凝的過程。其工作流程如圖1所示，有機工質(zhì)經(jīng)過泵加壓后被送入蒸發(fā)器中，由余熱源加熱，汽化形成高壓蒸汽，進入汽輪機膨脹做功。汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，汽輪機產(chǎn)生的低壓蒸汽進入凝汽器，被冷凝介質(zhì)冷凝后，又被泵加壓送入蒸發(fā)器中，如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)將熱轉(zhuǎn)化成有用功。

圖1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)

1.2 工質(zhì)選擇

作為ORC的能量載體，有機工質(zhì)的選擇和運行工況對于ORC的實現(xiàn)具有至關(guān)重要的影響，在很大程度上影響和決定著ORC系統(tǒng)的性能。合適的工質(zhì)能使系統(tǒng)效率更高、工作更穩(wěn)定，且成本較低。

理想的ORC系統(tǒng)工質(zhì)應(yīng)該具備以下特征：

1）臨界流體溫度必須高于最大循環(huán)溫度，以避免跨臨界循環(huán)可能引起的許多問題。因此，更高溫度的熱源需要高臨界溫度的工質(zhì)；因為冷凝溫度受環(huán)境溫度的限制。調(diào)節(jié)范圍是有限的，所以工作流體的臨界溫度不能太低，否則冷凝壓力太高或不能冷凝。

2）流體壓力水平適宜，最高循環(huán)溫度對應(yīng)的飽和壓力不宜過高。壓力過大會造成機械壓力問題，增加不必要的設(shè)備成本；循環(huán)中的最小飽和壓力不能太低。最好保持正壓，防止外界空氣滲入影響循環(huán)性能。

3）過程流體的三相點必須低于最低流體溫度，以確保流體在循環(huán)的任何部分都不會凝固而造成堵塞甚至損壞。

4）工質(zhì)在T-s圖中飽和蒸汽線上ds/dT應(yīng)接近0或大于0，即所選工質(zhì)為干流體或等熵流體，防止膨脹進入濕蒸汽區(qū)。

5）臨界溫度和壓力低，比熱低，粘度和表面張力低，汽化潛熱高，熱導(dǎo)率高，熱穩(wěn)定性好。

6）為使工作環(huán)境不因操作不當(dāng)或腐蝕性泄漏而對人體或設(shè)備產(chǎn)生有害影響，需選擇無毒或低毒、不易燃、不易爆的工作環(huán)境，并與設(shè)備材料和潤滑劑具有良好的相容性。

7）良好的環(huán)境友好性。

8）價格便宜，且易于獲得。

在實際應(yīng)用場合，需要根據(jù)熱源的具體情況，綜合考慮以上各種因素，進行適當(dāng)取舍，以選擇合適的工質(zhì)。

本文研究模擬采用國際通用的有機工質(zhì)R245fa，屬于HFC類，它安全可靠、無毒不易燃，物理化學(xué)特性穩(wěn)定。R245fa具有優(yōu)異的傳熱特性與較低的壓降特性，這個特性能減小換熱器尺寸及降低液體泵的功耗，設(shè)備成本低；R245fa不可燃，設(shè)備安全，安全防護成本低；R245fa熱穩(wěn)定性好，可達到260℃，適應(yīng)熱源范圍廣泛；R245fa朗肯循環(huán)效率高，回收周期短；R245fa材料兼容性好，有多種密封材料可使用。因此R245fa是現(xiàn)階段ORC發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)選工質(zhì)。

2 工藝模擬

目前，行業(yè)內(nèi)通用的工藝流程模擬軟件有Aspen Plus和Hysys、PRO/II、DESIGNII、ChemCAD等，本研究采用Hysys進行工藝模擬。首先定義物性包數(shù)據(jù)后，進行模型搭建，模型搭建完成并輸入基本的設(shè)備參數(shù)后即可，模型會顯示藍色，如圖2所示，之后即可進行不同工況下的模擬。

圖2 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)模擬模型

在同樣的熱源流量條件下，我們分別在固定熱源溫度和冷源溫度的條件下，取用不同的冷源和熱源溫度分別進行了發(fā)電量和余熱利用率（扣除工質(zhì)泵耗電）的模擬計算，采集數(shù)據(jù)結(jié)果，得到圖3和圖4所示的曲線圖。

圖3 不同冷源溫度下發(fā)電量及余熱利用率曲線

圖4 不同熱源溫度下發(fā)電量及余熱利用率曲線

從圖3和圖4可以看出：冷源溫度越低，熱源溫度越高，余熱利用率越高，發(fā)電量越大。這與熱力學(xué)原理不相違背，初參數(shù)（過熱蒸汽壓力，溫度）提高，其他條件不變，熱效率將提高，反之，則下降；終參數(shù)（排汽壓力）下降，初參數(shù)不變，則熱效率提高，反之，則下降。

在此基礎(chǔ)上，利用MATLAB&Refprop9.1軟件進行模擬，在不同環(huán)境溫度下，從系統(tǒng)的熱效率和凈功量熱力性能方面，對R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)進行對比分析，分別得到圖5和圖6所示的曲線圖。

圖5 不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)熱效率熱力性能分析

圖6 不同環(huán)境溫度下系統(tǒng)凈功量熱力性能分析

根據(jù)圖5可以看出：隨著蒸發(fā)溫度的升高，R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率均隨著增大。當(dāng)環(huán)境溫度由5℃達到25℃的過程中，異丁烷循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率始終處于最高。而當(dāng)接近于臨界溫度的蒸發(fā)壓力時，R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率均有小幅度的下降趨勢，這表明R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)均具有最佳蒸發(fā)溫度相對應(yīng)的最高系統(tǒng)熱效率。當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時，R245fa在蒸發(fā)溫度達到140℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率為0.192%，異丁烷在蒸發(fā)溫度達到160℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率為0.214%。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時，R245fa在蒸發(fā)溫度達到140℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率為0.163%，異丁烷在蒸發(fā)溫度達到160℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率為0.185%。

根據(jù)圖6可以看出：隨著蒸發(fā)溫度的升高，R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量均處于先增大后減小的趨勢。當(dāng)環(huán)境溫度由5℃達到25℃的過程中，異丁烷循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量始終處于最高。而R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量存在不同差值，這表明R245fa和異丁烷兩種循環(huán)工質(zhì)均具有最佳蒸發(fā)溫度相對應(yīng)的最高系統(tǒng)凈功量。當(dāng)環(huán)境溫度為5℃時，R245fa在蒸發(fā)溫度達到140℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量為36.1kJ/kg，異丁烷在蒸發(fā)溫度達到160℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量為40.4kJ/kg。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時，R245fa在蒸發(fā)溫度達到140℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量為48.5kJ/kg，異丁烷在蒸發(fā)溫度達到160℃時，其循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)凈功量為51.6kJ/kg。

綜合上述分析，考慮系統(tǒng)的熱效率和凈功量熱力性能，在各個臨界溫度以下，異丁烷為最優(yōu)循環(huán)工質(zhì)。

3 結(jié)論與前瞻

提高熱源參數(shù)，降低冷源參數(shù)可有效地提升有機朗肯循環(huán)的熱效率。在石化行業(yè)，存在大量的熱源和熱阱，若能將他們匹配起來，將避免大量的能源浪費?，F(xiàn)在石化領(lǐng)域的能源優(yōu)化大多是從單一裝置進行優(yōu)化，但由于每個裝置不同的溫位需求，導(dǎo)致有些裝置需要大量的冷源，有些裝置需要大量的熱源，若能從全廠乃至整個工業(yè)區(qū)的低溫余熱綜合利用的角度出發(fā)，采用低溫余熱發(fā)電的方式回收冷熱源的能量，將會在節(jié)省能量的基礎(chǔ)上節(jié)約循環(huán)水耗量并產(chǎn)生巨大的效益。