不同LNG蒸發(fā)壓力下的ORC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

許福泉

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，福建福州 350008）

1 引言

能源是國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)，能源的開發(fā)和使用效率是衡量社會(huì)文明的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。國(guó)內(nèi)工業(yè)耗能占全國(guó)能源消耗的70%，同時(shí)這部分耗能中，超過50%的能量是以不可利用的廢熱形式直接排放到大氣中，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的熱污染[1]。同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)清潔能源的需要不斷加大，對(duì)天然氣的消費(fèi)需求日益增長(zhǎng)。LNG通常采用低溫常壓運(yùn)輸，在使用過程中采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行液-汽轉(zhuǎn)換，這會(huì)浪費(fèi)約(830—860)×103kJ/t的冷量[2-4]。有機(jī)朗肯循環(huán)在熱能與冷能回收利用方面具有較好的可行性和經(jīng)濟(jì)性，許多學(xué)者對(duì)其展開了廣泛的研究[5-11]。

對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)的結(jié)構(gòu)分析與工質(zhì)選擇一直是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。Chao[12]比較了R123、R114和R600等11種工質(zhì)，研究了不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。以系統(tǒng)凈輸出功為評(píng)價(jià)指標(biāo)，指出R600適合用于回收60℃-150℃的低溫?zé)崮堋Ｍ鯊|[13]以?效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同冷凝溫度對(duì)以LNG為冷源的有機(jī)朗肯循環(huán)的影響，指出propane表現(xiàn)出最佳的?效率和凈輸出功，是該系統(tǒng)理想工質(zhì)。

Imran[14]等以地?zé)崮転榈蜏責(zé)嵩捶謩e構(gòu)建簡(jiǎn)單ORC、完全回?zé)酧RC和抽氣回?zé)崾絆RC發(fā)電系統(tǒng)。研究結(jié)果表明采用完全回?zé)崾浇Y(jié)構(gòu)可顯著提高ORC的?效率，但不利于整體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。而采用抽氣回?zé)峤Y(jié)構(gòu)雖然會(huì)降低系統(tǒng)的輸出功，但對(duì)降低冷凝器設(shè)備的負(fù)荷有益。Wang[15]等和Song[16]等分別以地?zé)崮堋⑻柲転榈蜏責(zé)嵩春蚅NG為冷源，選用二氧化碳為工作流體，構(gòu)建了超臨界ORC系統(tǒng)，指出存在一個(gè)最佳蒸發(fā)壓力，使系統(tǒng)獲得最佳的?效率。

Hongtan等[17]用R-K-S狀態(tài)方程計(jì)算和分析了LNG冷量?的構(gòu)成，發(fā)現(xiàn)其主要由壓力?與溫度?組成。指出以LNG為冷源的ORC發(fā)電系統(tǒng)中，提高蒸發(fā)壓力會(huì)使溫度?減少，壓力?上升，無法對(duì)冷量?的利用產(chǎn)生積極作用。

通過對(duì)以上的學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，其針對(duì)的是單方面的低品位余熱或者LNG冷能ORC的工質(zhì)篩選研究，而聯(lián)合低品位余熱與LNG冷能的ORC工質(zhì)篩選的研究還暫為缺乏。同時(shí)，對(duì)LNG蒸發(fā)壓力對(duì)ORC系統(tǒng)的性能影響分析較少。因此，本文通過構(gòu)建多種ORC結(jié)構(gòu)，并依據(jù)工質(zhì)的熱物性、環(huán)保性以及安全性等，從refprop軟件中篩選出8種適合于該運(yùn)行工況下的有機(jī)工質(zhì)，詳細(xì)分析LNG蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)的熱力性能和工質(zhì)篩選方面的影響。最后，采用優(yōu)化算法獲得最適合低溫?zé)崮芘cLNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工質(zhì)。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介與工質(zhì)篩選

2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

以某低溫余熱聯(lián)合冷能發(fā)電廠為例。該廠的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的LNG冷源的溫度為-162℃，低溫余熱源溫度為100℃。由于該溫度區(qū)間跨越了環(huán)境溫度，通過構(gòu)建傳統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)會(huì)造成低溫余熱與LNG冷能的雙重浪費(fèi)，難以提高冷能的利用率[18]。故建立以下五個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)構(gòu)，以提高低溫?zé)崮芘cLNG冷能的利用效率。ORC系統(tǒng)圖以及T-s圖，如圖1～5所示。

圖1 簡(jiǎn)單有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)與T-s圖

圖2 回?zé)嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)與T-s圖

圖3 再熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)與T-s圖

圖4 回?zé)?再熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)與T-s圖

圖5 雙級(jí)并聯(lián)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)與T-s圖

2.2 工質(zhì)選取

對(duì)系統(tǒng)的熱力性能而言，循環(huán)工質(zhì)的熱物性影響巨大，但在實(shí)際生產(chǎn)中，難以找到各項(xiàng)性能都能完全滿足上述所有條件的工質(zhì)。故在ORC系統(tǒng)的初期研究中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)熱物性表現(xiàn)較好的工質(zhì)重點(diǎn)研究，并選取最佳的運(yùn)行工質(zhì)。本文對(duì)REFPROP9.0物性軟件中的82種純有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行初步篩選，方法如下：

（1）去除12種含氯工質(zhì)。由于含氯有機(jī)物對(duì)臭氧層具有破壞性，余70種。

（2）去除26種三相點(diǎn)溫度太高的工質(zhì)。由于本文是以LNG為冷源，循環(huán)的冷凝溫度為-85～-45℃，故循環(huán)工質(zhì)的三相點(diǎn)溫度應(yīng)不高于-85℃，故移除26種三相點(diǎn)溫度高于-85℃的有機(jī)工質(zhì)，余下44種。

（3）去除12種在該系統(tǒng)運(yùn)行工況會(huì)產(chǎn)生物性改變的工質(zhì)，余32種。

（4）去除9種極度易燃易爆、有劇烈毒性或本身毒性較低但是受熱會(huì)分解為劇烈毒性的工質(zhì)，余23種。

（5）去除5種不飽和碳?xì)浠衔?，由于這類工質(zhì)受熱工質(zhì)物性不穩(wěn)定，且達(dá)到一定濃度易爆炸，余18種。

（6）去除5種溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）大于8500的工質(zhì)，由于該類物質(zhì)對(duì)全球變暖影響巨大，余13種。

（7）去除5種在非常用制冷劑工質(zhì)，由于該類物質(zhì)在現(xiàn)今的生產(chǎn)中較少出現(xiàn)，余8種。

在這8種工質(zhì)中，butane、isobutane和propane為飽和碳水化合物；R134a、R152a、R227ea、R245fa和R1234ze為不含氯的鹵代烴，即HFC制冷劑工質(zhì)。候選工質(zhì)的物性參數(shù)如表1所示：

表1 候選工質(zhì)的物性參數(shù)

3 系統(tǒng)熱力性能計(jì)算

由于實(shí)際ORC發(fā)電系統(tǒng)異常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化分析過程，本文的系統(tǒng)模型假定如下：系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；忽略蒸發(fā)器、冷凝器以及管道中的壓降；忽略系統(tǒng)各熱力設(shè)備與環(huán)境熱交換；冷凝器出口的液體工質(zhì)為飽和狀態(tài)；LNG成分為純甲烷。以某聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠為例，有機(jī)朗肯循環(huán)的主要計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 低溫?zé)崮芘c冷能ORC發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算條件

3.1 有機(jī)朗肯循環(huán)數(shù)學(xué)模型

由于構(gòu)成低品位熱能-LNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)部件模型相同，因此以回?zé)嵩贌崾接袡C(jī)朗肯循環(huán)為例，各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）循環(huán)泵加壓過程耗功：

循環(huán)泵不可逆損失為：

（2）回?zé)崞骰責(zé)岫葹椋?/p>

回?zé)崞鞑豢赡鎿p失為：

（3）預(yù)熱器釋放冷量為：

預(yù)熱器不可逆損失為：

（4）余熱鍋爐加熱過程換熱量為：

余熱鍋爐不可逆損失為：

（5）汽輪機(jī)I對(duì)外輸出功：

汽輪機(jī)I的不可逆損失為：

（6）再熱器再熱壓力比為：

再熱器換熱量為：

再熱器不可逆損失為：

（7）汽輪機(jī)II對(duì)外輸出功：

汽輪機(jī)II的不可逆損失為：

（8）冷凝器冷卻過程換熱量：

冷凝器中不可逆損失為：

（9）升壓泵耗功為：

升壓泵不可逆損失為：

（10）換熱器釋放冷量為：

預(yù)熱器不可逆損失：

3.2 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率

有機(jī)朗肯循環(huán)的?效率可定義為離開系統(tǒng)的?值之和輸入系統(tǒng)的?值之和，即：

式中：Fl為循環(huán)工質(zhì)流量；Fg為熱源流量；Fhe為再熱器熱源流量；FLNG為L(zhǎng)NG流量；各熱力參數(shù)下標(biāo)數(shù)字對(duì)應(yīng)回?zé)嵩贌崾接袡C(jī)朗肯循環(huán)的各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 不同LNG蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)?效率影響分析

通過對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其關(guān)鍵參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響如下所示。同時(shí)為便于分析，雙級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)中的循環(huán)I與循環(huán)II采用相同的工質(zhì)，而不同工質(zhì)組合對(duì)雙級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)的性能影響將優(yōu)化分析中展開。

圖6為L(zhǎng)NG不同蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)?效率的影響曲線。由圖可知，五種結(jié)構(gòu)的的?效率均隨LNG蒸發(fā)壓力變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，存在一個(gè)最佳的LNG蒸發(fā)壓力使系統(tǒng)的?效率最佳。這是由于在LNG蒸發(fā)壓力較低時(shí)，提高蒸發(fā)壓力可以有效地提高工質(zhì)在冷源中的平均吸熱溫度，從而減少系統(tǒng)在冷凝器中的不可逆損失，系統(tǒng)?效率上升。當(dāng)蒸發(fā)壓力到達(dá)某一值時(shí)，由于LNG在冷凝器中的低溫吸熱段減少，從而使工質(zhì)在冷凝器中的平均吸熱溫度開始降低，不可逆損失開始增大，系統(tǒng)?效率減少。

圖6 不同蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)?效率的影響：（a）簡(jiǎn)單ORC（b）回?zé)酧RC（c）再熱ORC（d）回?zé)?再熱ORC（e）雙級(jí)并聯(lián)ORC

同時(shí)將回?zé)酧RC、再熱ORC、回?zé)?再熱ORC和雙級(jí)并聯(lián)ORC所能達(dá)到的最佳?效率與簡(jiǎn)單ORC進(jìn)行對(duì)比，其分別提高3.09%、1.24%、4.43%和4.07%。和簡(jiǎn)單有機(jī)朗肯循環(huán)相比，其他有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)主要提高了兩個(gè)方面的熱力性能，一方面是回收了汽輪機(jī)乏汽出口的熱量，降低了工質(zhì)與冷源的換熱溫差，減少了冷凝器的不可逆損失。另一方面是擴(kuò)大了LNG冷能的溫度利用區(qū)間，使低溫冷能得到更加充分的利用。

4.2 有機(jī)朗肯循環(huán)?損失構(gòu)成分析

圖7為L(zhǎng)NG蒸發(fā)壓力為2Mpa，回?zé)岫葹?.1，再熱壓力比為0.3，蒸發(fā)溫度為60℃，汽輪機(jī)入口溫度為85℃，冷凝溫度為-75℃下的五種不同系統(tǒng)的?損失分布和?輸出比例。

圖7 以butane為循環(huán)工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)?損失分布與?輸出比例

從圖中可以看出，在冷凝器中，發(fā)生了超過40%的不可逆損失，這是由于汽輪機(jī)出口乏汽的溫度與LNG冷源溫度之間存在巨大的傳熱溫差，而在傳熱過程中，換熱流體的溫差越大，則換熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失越大。在預(yù)熱器部件中，由于采用海水進(jìn)行循環(huán)工質(zhì)的預(yù)熱，這部分的冷量無法有效利用，故系統(tǒng)在預(yù)熱器中的不可逆損失較大。同時(shí)在圖7中，系統(tǒng)在汽輪機(jī)中的不可逆損失僅次于冷凝器。這是由于汽輪機(jī)內(nèi)部的機(jī)械損失是造成該部件不可逆損失的主要原因，而工質(zhì)的運(yùn)行工況對(duì)汽輪機(jī)不可逆損失產(chǎn)生的影響較少。

4.3 有機(jī)朗肯循環(huán)性能優(yōu)化

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵影響參數(shù)較多，相互之間的影響錯(cuò)綜復(fù)雜，其中某一參數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)，對(duì)其他參數(shù)的最優(yōu)取值也有重大影響。因此，采用粒子群算法，以系統(tǒng)?效率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)低溫?zé)崮芘cLNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的主要影響參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

粒子群算法是模擬鳥類覓食的一種智能算法，以?效率為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)上述種ORC，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。粒子群算法的參數(shù)設(shè)置如下：粒子數(shù)為25，學(xué)習(xí)因子為2.1，迭代次數(shù)為500，最小可容許誤差為10-9，結(jié)果無變化終止次數(shù)為200，最低冷凝壓力為0.005Mpa，最低汽輪機(jī)出口乏汽干度為0.88。

從圖8（a）中可知，采用回?zé)峤Y(jié)構(gòu)與再熱結(jié)構(gòu)后，八種工質(zhì)的?效率均有顯著的提升，且相對(duì)于其他工質(zhì)，濕工質(zhì)propane具有最高?效率。同時(shí)對(duì)比圖6發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化結(jié)果與LNG蒸發(fā)壓力變化對(duì)?效率的影響曲線中獲得的最佳循環(huán)工質(zhì)不一致，propane的?效率反而最高。這是由于在優(yōu)化過程中為了防止工質(zhì)在冷凝器中的冷凝壓力過低，設(shè)定系統(tǒng)最低冷凝壓力為0.005Mpa，因此工質(zhì)在結(jié)構(gòu)中所能達(dá)到的最低冷凝溫度也各不相同。由于propane在冷凝壓力為0.005Mpa時(shí)，系統(tǒng)最低冷凝溫度可以分別為-93℃，而冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)的?效率影響顯著，因此，具有最低冷凝溫度的propane工質(zhì)的?效率最高。

圖8 不同蒸發(fā)壓力對(duì)系統(tǒng)最優(yōu)?效率：（a）單級(jí)ORC（b）雙級(jí)并聯(lián)ORC

圖8（b）中，分別以propane和R152a作為循環(huán)I和循環(huán)II的運(yùn)行工質(zhì)時(shí)，雙級(jí)并聯(lián)ORC的?效率最大，最佳?效率為38 %。同時(shí)在圖8（a）中，以propane為循環(huán)工質(zhì)的回?zé)?再熱有機(jī)朗肯循環(huán)的最佳?效率為39.93%。通過優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比，表明以Propane為循環(huán)工質(zhì)的回?zé)?再熱式ORC是低溫?zé)崮芘cLNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳循環(huán)結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文以綜合利用低溫余熱與LNG冷能為目的，構(gòu)建多個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)進(jìn)行系統(tǒng)工質(zhì)的選擇與結(jié)構(gòu)分析，研究主要結(jié)論如下：

（1）建立低溫余熱與LNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)篩選的初步原則，并采用該方法篩選出八種工質(zhì)（Butane、Isobutane、Propane；R134a、R152a、R227ea、R245fa和R1234ze）作為低溫余熱與LNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。

（2）分析不同LNG蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)?效率的影響。發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳LNG蒸發(fā)溫度，使系統(tǒng)獲得最佳?效率。

（3）分析五種有機(jī)朗肯循環(huán)的?損失構(gòu)成。發(fā)現(xiàn)冷凝器是系統(tǒng)不可逆損失的主要發(fā)生部件，采用合理的方式降低這部分由于傳熱溫差過大引起的不可逆損失是提高系統(tǒng)?效率的關(guān)鍵。

（4）采用粒子群算法，通過對(duì)不同的ORC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定不同工質(zhì)的最佳?效率，及其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能參數(shù)，并選取最佳工質(zhì)。指出，以Propane為循環(huán)工質(zhì)時(shí)，回?zé)?再熱式ORC系統(tǒng)獲得39.93%的最佳?效率，是低溫?zé)崮?LNG冷能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的理想結(jié)構(gòu)。

符號(hào)說明

e —— 比?，kJ/kg

E —— ?，kW

F —— 質(zhì)量流量，kg/s

h —— 比焓，kJ/kg

I —— 不可逆損失，kW

P —— 功率，kW

Q —— 換熱量，kW

α —— 回?zé)岫?/p>

β —— 再熱壓力比

ηex —— ?效率

下角標(biāo)

1,2,3…17 —— 狀態(tài)點(diǎn)

pp —— 循環(huán)泵

reg —— 回?zé)崞?/p>

he —— 預(yù)熱器

SG —— 余熱鍋爐

tur —— 汽輪機(jī)