單級閃蒸-卡琳娜循環(huán)發(fā)電熱力學性能分析與優(yōu)化

李晚君

西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065

通常情況下，液化天然氣（LNG）需要氣化為氣態(tài)天然氣才能被利用。LNG 的沸點大約為-162 ℃，其氣化時吸收的熱量大約為840 kJ/kg［1］。Kanbur 等［2］描述了LNG 冷能應(yīng)用于分離工藝、食品冷藏、CO2捕獲以及發(fā)電等領(lǐng)域的工藝流程，詳細討論了LNG 冷能系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能差異，結(jié)果表明，LNG 冷能系統(tǒng)在熱力學效率、經(jīng)濟性以及環(huán)境指標等方面都具有較大的優(yōu)勢。隨著能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，近幾年我國LNG 進口及生產(chǎn)取得了快速發(fā)展，而且LNG 蘊涵著大量低溫冷能，回收這部分能量具有可觀的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。同時，地熱發(fā)電是中高品位地熱資源的一種有效利用方式［3］。我國已知的地熱資源約占全球地熱資源總量的10%，相當于4 000多億t標準煤［4］。

在眾多熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)中，卡琳娜循環(huán)以價格低廉、易獲取的氨水混合物為工質(zhì)，在換熱過程中由于沒有傳統(tǒng)有機工質(zhì)的兩相區(qū)，有著較小的換熱損失和更高的傳熱效率，因此對卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)的分析及優(yōu)化的研究成果較多。Zhang 等［5］對卡琳娜循環(huán)進行了熱力學分析，簡述不同的卡琳娜體系及其應(yīng)用，比較朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的優(yōu)缺點，同時，利用不同關(guān)聯(lián)式計算卡琳娜體系中氨水混合物的性質(zhì)，探討了其安全性、穩(wěn)定性和腐蝕性等問題。閆天一等［6］結(jié)合我國余熱回收利用現(xiàn)狀以及有機朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)的特點，在綜述有機朗肯循環(huán)與卡琳娜循環(huán)在不同條件的中低溫余熱回收利用方面的優(yōu)劣勢基礎(chǔ)上進行了綜合分析及比較。

為進一步從地熱閃蒸循環(huán)中回收地熱水熱量，本文基于氨水混合物在兩相加熱過程中表現(xiàn)良好的特點，采用氨水為卡琳娜循環(huán)的工作流體，構(gòu)建單級地熱閃蒸-卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，對影響發(fā)電性能的因素進行分析，以期得到以熱效率和?效率為目標函數(shù)的最佳運行工況參數(shù)。

1 單級閃蒸-卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

本文構(gòu)建的聯(lián)合動力循環(huán)由單級地熱閃蒸循環(huán)、卡琳娜循環(huán)和LNG 直接膨脹系統(tǒng)組成，如圖1所示。采用模擬軟件Aspen HYSYS 對整個流程進行模擬計算，熱力學方法選用Peng-Robinson狀態(tài)方程［7］。

P1—地熱泵；P2—氨水泵；P3—氨水泵；P4—LNG 泵；HX1—換熱器1；HX2—換熱器2；HX3—換熱器3；HX4—換熱器4；T1—地熱渦輪機；T2—LNG渦輪機；T3—氨水渦輪機；TV1—節(jié)流閥；TV2—節(jié)流閥；Tank—儲罐；Sep1—地熱分離器；Sep2—氨水分離器；Mixer 1—地熱混合器；Mixer 2—氨水混合器圖1 聯(lián)合動力循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)由換熱器、氣液分離器、渦輪機、泵和混合器等主要部件構(gòu)成。在地熱單級閃蒸循環(huán)中，采出的地熱水（流股1）依次通過節(jié)流閥TV1和地熱分離器Sep1，在地熱分離器Sep1 中將采出的地熱水分為地熱水（流股7）和地熱蒸汽（流股3）。地熱蒸汽（流股3）進入地熱渦輪機T1進行膨脹做功發(fā)電，隨后成為地熱乏氣（流股4）進入換熱器HX4中被冷卻，經(jīng)地熱泵P1增壓輸送至地熱混合器Mixer1 中；地熱水（流股7）進入換熱器HX1 進行換熱，隨后進入地熱混合器Mixer 1 中，與來自地熱泵P1的地熱水（流股6）混合后注入回灌井，完成地熱單級閃蒸循環(huán)。在卡琳娜循環(huán)中，進入氨水混合器Mixer 2 的氨水混合物是液態(tài)流股，經(jīng)過氨水泵P3升高壓力后流入換熱器HX1中被地熱水（流股7）加熱至飽和溫度，隨后在氨水分離器Sep2 中被分離成富氨蒸汽（流股11）和貧氨溶液（流股15）。貧氨溶液（流股15）在換熱器HX2中與LNG 進行換熱，通過節(jié)流閥TV 2進行降壓處理。富氨蒸汽（流股11）首先進入氨水渦輪機T3進行膨脹發(fā)電，隨后在換熱器HX3中進行換熱并經(jīng)氨水泵P2提高壓力，與減壓后的貧氨溶液（流股17）在氨水混合器Mixer 2 中混合，最后，離開氨水混合器Mixer 2 的氨水混合物（流股18）再次進入氨水泵P3中，完成卡琳娜循環(huán)。在LNG直接膨脹部分中，來自LNG 儲罐的液化天然氣（流股20）經(jīng)LNG 泵P4 加壓輸送至換熱器HX2 中交換熱量，隨后在換熱器HX3 中，LNG 被加熱成高溫高壓的天然氣（流股23），最后進入天然氣渦輪機T2 膨脹做功發(fā)電，完成發(fā)電過程后的天然氣（流股24）進入換熱器HX4中被地熱乏氣（流股4）加熱，加熱至指定溫度后輸送至用戶。

1.2 系統(tǒng)模型驗證

為了驗證系統(tǒng)模型的準確性，采用Aspen HYSYS 軟件對系統(tǒng)進行模擬仿真，驗證結(jié)果如表1 所示。在相同條件下，本文與文獻［8］的結(jié)果保持著較高的一致性。以上分析結(jié)果表明，使用HYSYS模擬的系統(tǒng)模型是可靠的。

表1 模型驗證

1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本文提出的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在基本狀態(tài)下的參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 基本狀態(tài)下的主要參數(shù)設(shè)置

2 系統(tǒng)熱力學性能評價指標

基于熱力學第一定律和熱力學第二定律，并結(jié)合單級閃蒸-卡琳娜系統(tǒng)示意圖1，建立該系統(tǒng)的熱力學性能評價指標［9］。

2.1 系統(tǒng)熱效率

系統(tǒng)熱效率ηen計算見式（1）。

式中：m?地熱為流股1 的質(zhì)量流量；h地熱進口焓為流股1的質(zhì)量焓；h地熱出口焓為流股9的質(zhì)量焓。

2.2 系統(tǒng)的?效率

系統(tǒng)的?效率ηex計算見式（4）。

3 系統(tǒng)熱力學性能分析

采用控制變量法［10］研究關(guān)鍵參數(shù)氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、地熱水蒸發(fā)壓力和天然氣輸送壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響。

3.1 氨水混合物蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響

氨水混合物蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響如圖2所示。由圖2可知：在氨質(zhì)量分數(shù)為52%且LNG 氣化壓力、地熱水蒸發(fā)壓力和天然氣輸送壓力保持不變時，隨著氨水混合物蒸發(fā)壓力的升高，該系統(tǒng)的熱效率從30.63%降至29.23%，?效率從48.97%降至46.62%。這是由于氨水混合物蒸發(fā)壓力增大導致熱源進、出口的熱流差值不斷減小，同時，氨水渦輪機和天然氣渦輪機做功呈現(xiàn)下降趨勢使得系統(tǒng)凈輸出功率減小，但是由于系統(tǒng)凈輸出功率減少的幅度遠遠大于熱源進、出口的熱流差值變化的幅度，因此系統(tǒng)的熱效率也隨之減小?？梢姡彼旌衔镎舭l(fā)壓力的增大導致系統(tǒng)凈輸出功率減小，系統(tǒng)的?效率也隨之減小。

圖2 氨水混合物蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱效率和?效率的影響

3.2 LNG氣化壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響

LNG 氣化壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響如圖3 所示。由圖3 可知：在氨質(zhì)量分數(shù)為52%且氨水混合物蒸發(fā)壓力、地熱水蒸發(fā)壓力和天然氣輸送壓力均保持不變時，隨著LNG 氣化壓力的升高，系統(tǒng)的熱效率從30.23% 增至31.96%，?效率從48.60%增至50.19%。這是由于LNG 渦輪機入口壓力的增大提高了LNG 渦輪機的輸出功率以及LNG 出口?，因此熱效率和?效率均增大。

圖3 LNG氣化壓力對系統(tǒng)熱效率和?效率的影響

3.3 地熱水蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響

地熱水蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響如圖4 所示。由圖4 可知：在氨質(zhì)量分數(shù)為52%且氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力和天然氣輸送壓力均保持不變時，隨著地熱水蒸發(fā)壓力的升高，該系統(tǒng)的熱效率從29.67%增至30.64%，?效率從49.80%減至48.97%。這是因為隨著地熱水蒸發(fā)壓力的增大，熱源進、出口的熱流差值不斷減小，同時地熱渦輪機做功呈現(xiàn)微小的下降趨勢，但是由于地熱渦輪機做功減少的幅度遠遠小于熱源進、出口熱流差值變化的幅度，因此系統(tǒng)的熱效率也隨之增大?？梢姡責崴舭l(fā)壓力的增大導致LNG 出口?下降，因此系統(tǒng)的?效率也隨之減小。

圖4 地熱水蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)熱效率和?效率的影響

3.4 天然氣輸送壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響

天然氣輸送壓力對系統(tǒng)熱力學性能的影響如圖5 所示。由圖5 可知：在氨質(zhì)量分數(shù)為52%且氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力和地熱水蒸發(fā)壓力均保持不變時，隨著天然氣輸送壓力的升高，該系統(tǒng)的熱效率從34.96%減至30.64%，?效率從45.79%增至48.97%。這可能是隨著天然氣輸送壓力從400 kPa 升至800 kPa，天然氣渦輪機做功減少，導致系統(tǒng)凈輸出功減少；與此同時，天然氣輸送壓力的增大并沒有對熱源熱量的大小產(chǎn)生影響，因此系統(tǒng)的熱效率減小?？梢姡烊粴廨斔蛪毫υ龃蟮耐瑫r使得系統(tǒng)輸出?顯著提高，所以系統(tǒng)的?效率增大。

圖5 天然氣輸送壓力對系統(tǒng)熱效率和?效率的影響

4 系統(tǒng)優(yōu)化

4.1 單目標優(yōu)化

為了探究循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在熱力學方面所能達到的最優(yōu)性能，分別以熱效率和?效率為系統(tǒng)目標函數(shù)，以氨水混合物蒸發(fā)壓力、地熱水蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力和天然氣輸送壓力為優(yōu)化參數(shù)，對系統(tǒng)進行單目標優(yōu)化。

遺傳算法［11］中的基本參數(shù)與控制變量（優(yōu)化參數(shù)）的取值范圍分別見表3和表4。

表3 遺傳算法基本參數(shù)

表4 優(yōu)化參數(shù)取值范圍

當氨的質(zhì)量分數(shù)分別為48%、50%和52%時，計算得到的優(yōu)化結(jié)果在規(guī)定的遺傳代數(shù)內(nèi)快速收斂，迭代過程分別見圖6和圖7。

圖6 遺傳代數(shù)對熱效率優(yōu)化結(jié)果的影響

圖7 遺傳代數(shù)對?效率優(yōu)化結(jié)果的影響

由圖6 和圖7 可知：經(jīng)過一定的迭代次數(shù)后，優(yōu)化均快速收斂；系統(tǒng)熱力學性能隨著氨質(zhì)量分數(shù)的增大而增大。在氨質(zhì)量分數(shù)、地熱水蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、天然氣外輸壓力和氨水混合物蒸發(fā)壓力分別取52%、596.95 kPa、4 000 kPa、500 kPa 和1 400 kPa 時，可得到最大熱效率，其值為34.46%；在氨質(zhì)量分數(shù)、地熱水蒸發(fā)壓力、LNG氣化壓力、天然氣外輸壓力和氨水混合物蒸發(fā)壓力分別取52%、570.00 kPa、4 000 kPa、800 kPa 和1 400 kPa 時，可得到最大?效率，其值為50.65%。通過對關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，系統(tǒng)的熱效率和?效率在氨質(zhì)量分數(shù)為52%時分別提高了12.47%和3.43%。由此可見，當其中一個目標函數(shù)達到最優(yōu)值時，并不能保證另一個目標函數(shù)也會是最優(yōu)的。為了最大限度地提高熱效率和?效率，需要對系統(tǒng)進行多目標優(yōu)化。

4.2 多目標優(yōu)化

帶精英保留策略的非支配排序遺傳算法，即NSGA-Ⅱ（elitist non-dominated sorting in genetic algorithm）是在傳統(tǒng)遺傳算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合帕累托最優(yōu)概念以及精英保留策略，針對目標函數(shù)大于等于2個的最優(yōu)化問題所提出的一種解決方法［12-13］。

多目標優(yōu)化中的控制變量、變量范圍、目標函數(shù)以及約束條件均與單目標優(yōu)化中的設(shè)置保持一致，NSGA-Ⅱ的各參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 NSGA-Ⅱ基本參數(shù)的設(shè)置

通過篩選去掉錯誤因子和經(jīng)過數(shù)代遺傳后，各系統(tǒng)均得到了收斂性和魯棒性較好的多目標優(yōu)化結(jié)果，結(jié)果如圖8所示。圖8展示了各系統(tǒng)的Pareto前沿面［14］以及由LINMAP決策方法［15］選擇的最優(yōu)點。

圖8 系統(tǒng)的Pareto前沿面及最優(yōu)點

優(yōu)化后的參數(shù)見表6。由表6可知：當氨質(zhì)量分數(shù)為48%時，系統(tǒng)?效率最小，其值為44.53%，熱效率居中，其值為30.17%；當氨質(zhì)量分數(shù)為50%時，系統(tǒng)此時的熱效率最小，其值為29.52%，?效率為44.83%；當氨質(zhì)量分數(shù)為52%時，系統(tǒng)有最優(yōu)?效率和熱效率，其值分別為45.31%和32.14%。由此可知，當氨質(zhì)量分數(shù)、地熱水蒸發(fā)壓力、LNG氣化壓力、天然氣外輸壓力和氨水混合物蒸發(fā)壓力分別取52%、582.55 kPa、3 282.85 kPa、503.40 kPa 和1 627.80 kPa時，可獲得最佳的熱效率和?效率，其值分別為32.14%和45.31%。

表6 NSGA-Ⅱ 優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

1）基于Peng-Robinson 狀態(tài)方程，選用模擬軟件Aspen HYSYS對構(gòu)建的單級地熱閃蒸-卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行了模擬計算，該系統(tǒng)主要由LNG直接膨脹部分、地熱單級閃蒸循環(huán)以及卡琳娜循環(huán)組成。

2）通過改變系統(tǒng)關(guān)鍵運行參數(shù)的范圍，從熱力學角度分析其對系統(tǒng)的影響。熱力學分析結(jié)果表明，氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、天然氣輸送壓力、地熱水蒸發(fā)壓力和氨質(zhì)量分數(shù)對系統(tǒng)熱力學性能影響較大。

3）單目標優(yōu)化結(jié)果顯示，系統(tǒng)在氨質(zhì)量分數(shù)為52%時獲得的最大熱效率為34.46%，對應(yīng)的氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、天然氣輸送壓力和地熱水蒸發(fā)壓力分別為1 400 kPa、4 000 kPa、500 kPa 和596.95 kPa；獲得的最大?效率為50.65%，對應(yīng)的氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、天然氣輸送壓力和地熱水蒸發(fā)壓力分別為1 400 kPa、4 000 kPa、800 kPa和570.00 kPa。

4）采用LINMAP 決策方法從多目標優(yōu)化結(jié)果中搜索得到系統(tǒng)最佳優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)的熱效率為32.14%、?效率為45.31%，對應(yīng)的氨水混合物蒸發(fā)壓力、LNG 氣化壓力、天然氣輸送壓力、地熱水蒸發(fā)壓力和氨質(zhì)量分數(shù)分別為1 627.80 kPa、3 232.85 kPa、503.40 kPa、582.55 kPa和52%。