袁中原 陳 薇 胡 欽

低壓蒸汽余熱發(fā)電應(yīng)用研究

袁中原 陳 薇 胡 欽

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

基于工程熱力學(xué)理論，針對(duì)低壓飽和蒸汽，建立了蒸汽直接膨脹系統(tǒng)、ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)、蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算模型，研究了蒸汽壓力和回水溫度對(duì)三種系統(tǒng)凈發(fā)電量和發(fā)電效率的影響。結(jié)果表明：聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量最高；三種系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率均隨蒸汽壓力的升高而升高，但ORC系統(tǒng)升高幅度較小；直接膨脹系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率隨回水溫度的升高而急劇下降，其變化規(guī)律完全不同于另外兩個(gè)系統(tǒng)。

低壓飽和蒸汽；余熱發(fā)電；凈發(fā)電量；發(fā)電效率

0 引言

在化工行業(yè)，存在大量低壓飽和蒸汽，需要冷凝到特定的目標(biāo)溫度，以滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程的要求。目前，這些低壓蒸汽通常采用空冷或水冷方式進(jìn)行冷凝，但空冷和水冷均屬于耗能、耗水型冷卻方式，冷卻過(guò)程中造成了大量能源的浪費(fèi)，同時(shí)間接造成環(huán)境污染。因此，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和降低能耗是解決我國(guó)能源問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境壓力問(wèn)題的重要途徑[1-3]。

低壓飽和蒸汽中蘊(yùn)含了壓力能和熱能，可以通過(guò)余熱發(fā)電的方式回收該部分能量。低壓飽和蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)主要包含三類(lèi)：蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電系統(tǒng)、蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)。蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的火力發(fā)電汽輪機(jī)系統(tǒng)較為類(lèi)似，其運(yùn)行原理是蒸汽推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電系統(tǒng)可以利用熱功轉(zhuǎn)換原理，將蒸汽中的一部分熱能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)，將蒸汽冷凝為工藝要求的凝結(jié)水，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低壓蒸汽冷凝的同時(shí)輸出電能，具有良好的節(jié)能環(huán)保效果[4-8]。

然而，蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)都有自身的缺點(diǎn)，蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)中膨脹機(jī)出口乏汽中的大量潛熱無(wú)法有效利用，而ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)由于采用的是有機(jī)工質(zhì)，其臨界點(diǎn)較低，不適用于溫度較高的熱源。因此，為了更好回收蒸汽中余熱，可以采用蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的方式。

本文針對(duì)某煤制油化工廠的低壓飽和蒸汽，依據(jù)熱力學(xué)基本理論，建立蒸汽直接膨脹系統(tǒng)、ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)、蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算模型，對(duì)上述三種蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

低壓蒸汽品位較低，適合采用蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)、有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電系統(tǒng)、以及蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)。本文針對(duì)某煤制油化工廠的低壓飽和蒸汽，分析上述三種蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用。

1.1 直接膨脹系統(tǒng)

圖1 蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)

蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，運(yùn)行原理為：（1）來(lái)流的低壓蒸汽送入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電，同時(shí)，低壓蒸汽變?yōu)榈蜏氐蛪旱姆ζ?；?）乏汽送入凝汽器被冷凝為目標(biāo)溫度的凝結(jié)水；（3）凝液被排放至廠區(qū)回水管網(wǎng)。

1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)

圖2 蒸汽有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)

蒸汽有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖2，運(yùn)行原理為：（1）來(lái)流的蒸汽送入ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器，將系統(tǒng)中的有機(jī)工質(zhì)加熱為高溫高壓的有機(jī)蒸汽，同時(shí)，蒸汽被凝結(jié)為目標(biāo)溫度的凝結(jié)水，排放至廠區(qū)回水管網(wǎng)；（2）蒸發(fā)器出口的有機(jī)蒸汽送入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱挠袡C(jī)乏汽；（3）有機(jī)乏汽送入冷凝器被冷凝為有機(jī)凝液，經(jīng)由泵送至蒸發(fā)器，持續(xù)吸收來(lái)流蒸汽的熱量。

1.3 聯(lián)合系統(tǒng)

圖3 聯(lián)合系統(tǒng)

蒸汽直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理圖如圖3所示，運(yùn)行原理為：（1）來(lái)流的蒸汽送入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電，同時(shí)，蒸汽變?yōu)閴毫β愿哂诖髿鈮毫Φ姆ζ唬?）蒸汽乏汽送入ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器，將系統(tǒng)中的有機(jī)工質(zhì)加熱為高溫高壓的有機(jī)蒸汽，同時(shí)，蒸汽乏汽被凝結(jié)為目標(biāo)溫度的凝結(jié)水，排放至廠區(qū)回水管網(wǎng)；（3）蒸發(fā)器出口的有機(jī)蒸汽送入膨脹機(jī)，推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱挠袡C(jī)乏汽；（4）有機(jī)乏汽送入冷凝器被冷凝為有機(jī)凝液，經(jīng)由泵送至蒸發(fā)器，持續(xù)吸收來(lái)流蒸汽的熱量。

2 計(jì)算模型

采用熱力學(xué)基本理論[9]，分別建立低壓蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)、ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)、直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算模型。

2.1 直接膨脹系統(tǒng)計(jì)算模型

（1）膨脹機(jī)

膨脹機(jī)為做功發(fā)電設(shè)備，其發(fā)電量可采用下式計(jì)算：

（2）凝汽器

假定凝汽器采用蒸發(fā)式冷凝方式，該設(shè)備包含有水泵和風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備，其耗電量可采用下式計(jì)算：

（3）凈發(fā)電量

低壓蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量為：

式中，E為蒸汽直接膨脹發(fā)電量，kW；m為蒸汽流量，t/h；1,s為來(lái)流蒸汽的焓值，kJ/kg；2,s為膨脹機(jī)出口蒸汽的焓值，kJ/kg；E,為蒸發(fā)式凝汽器耗電量，kW；為系數(shù)，取0.015；3,s為凝汽器出口凝結(jié)水的焓值，kJ/kg；E,為蒸汽直接膨脹凈發(fā)電量。

2.2 ORC系統(tǒng)計(jì)算模型

（1）蒸發(fā)器

ORC系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)被來(lái)流蒸汽加熱為高溫高壓的狀態(tài)，有機(jī)工質(zhì)與來(lái)流蒸汽的熱平衡關(guān)系為：

（2）膨脹機(jī)

高溫高壓的有機(jī)工質(zhì)推動(dòng)膨脹機(jī)做功發(fā)電，發(fā)電量可按下式計(jì)算：

（3）冷凝器

有機(jī)工質(zhì)乏汽在冷凝器中被冷凝為有機(jī)凝液，假定冷凝器采用蒸發(fā)式冷凝器，該設(shè)備包含有水泵和風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備，其耗電量可采用下式計(jì)算：

（4）工質(zhì)泵

有機(jī)工質(zhì)被工質(zhì)泵從冷凝器輸送至蒸發(fā)器，該設(shè)備為耗電設(shè)備，耗電量如下：

（5）凈發(fā)電量

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量為：

式中，4,s為蒸發(fā)器出口凝結(jié)水焓值，kJ/kg；m為有機(jī)工質(zhì)流量，t/h；1,ORC為蒸發(fā)器出口有機(jī)工質(zhì)焓值，kJ/kg；4,ORC為蒸發(fā)器入口有機(jī)工質(zhì)焓值，kJ/kg；E為ORC膨脹機(jī)發(fā)電量，kW；2,ORC為ORC膨脹機(jī)出口有機(jī)工質(zhì)焓值，kJ/kg；E,ORC為蒸發(fā)式冷凝器耗電量，kW；為系數(shù)，取0.015；3,ORC為冷凝器出口有機(jī)凝液的焓值，kJ/kg；E,為工質(zhì)泵耗電量，kW；4,ORC為工質(zhì)泵出口有機(jī)工質(zhì)的焓值，kJ/kg；E,為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量。

2.3 聯(lián)合系統(tǒng)計(jì)算模型

蒸汽直接膨脹系統(tǒng)聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽膨脹機(jī)出口乏汽的壓力略高于大氣壓力，本文采用0.105MPa。與上述兩種余熱發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算模型的建立類(lèi)似，聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量為：

3 結(jié)果與討論

采用建立的計(jì)算模型，對(duì)三種余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率進(jìn)行計(jì)算，分析來(lái)流蒸汽壓力和回水溫度對(duì)凈發(fā)電量和發(fā)電效率的影響。

3.1 蒸汽壓力的影響

圖4 蒸汽壓力對(duì)凈發(fā)電量的影響

圖5 蒸汽壓力對(duì)發(fā)電效率的影響

以蒸汽流量100t/h、回水溫度50℃的工況為例，分析了蒸汽壓力對(duì)三種余熱發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量和發(fā)電效率的影響，分別如圖5和圖6所示。圖中顯示，聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率最高，而且，凈發(fā)電量與發(fā)電效率隨蒸汽壓力的變化呈現(xiàn)較高的一致性。三種余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率均隨蒸汽壓力的升高而升高，這是由于可利用能量和能量品位均隨蒸汽溫度的升高而升高。從圖中可以看出，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量與發(fā)電效率，隨蒸發(fā)壓力升高的增長(zhǎng)幅度逐漸變緩，當(dāng)蒸汽壓力低于0.5MPa時(shí)，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量高于直接膨脹系統(tǒng)的發(fā)電量，但從圖中可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)蒸汽壓力高于0.5MPa時(shí)，直接膨脹系統(tǒng)的發(fā)電量將高于ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，直接膨脹系統(tǒng)更適用于來(lái)流蒸汽壓力較高的工況。

3.2 回水溫度的影響

圖6 回水溫度對(duì)凈發(fā)電量的影響

圖7 回水溫度對(duì)發(fā)電效率的影響

以來(lái)流蒸汽壓力0.3MPa、流量100t/h的工況為例，分析了回水溫度對(duì)三種余熱發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量和發(fā)電效率的影響。從圖5和圖6可以看出，聯(lián)合系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率最高。圖中顯示，隨著回水溫度的升高，蒸汽直接膨脹系統(tǒng)的凈發(fā)電量和凈發(fā)電效率呈急劇下降的狀態(tài)，這是由于隨著回水溫度的升高，蒸汽膨脹機(jī)出口乏汽的壓力的升高，導(dǎo)致可用來(lái)發(fā)電的蒸汽能量降低。從圖6和圖7中可以看出，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電效率與回水溫度無(wú)關(guān)，該現(xiàn)象可以由卡諾定理來(lái)解釋?zhuān)叩膬舭l(fā)電量隨回水溫度的升高而緩慢下降，這是由于回水溫度的升高導(dǎo)致可利用能量降低，而且降低幅度較小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某煤制油化工廠的低壓飽和蒸汽，建立了蒸汽直接膨脹余熱發(fā)電系統(tǒng)、ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)、直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算模型，分析了來(lái)流蒸汽壓力和回水溫度對(duì)三種系統(tǒng)凈發(fā)電量和發(fā)電效率的影響，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）直接膨脹聯(lián)合ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率最高。

（2）三種余熱發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電量和發(fā)電效率均隨來(lái)流蒸汽壓力的升高而升高，但ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的升高幅度較小。

（3）ORC系統(tǒng)與聯(lián)合系統(tǒng)的發(fā)電效率與回水溫度無(wú)關(guān)，但凈發(fā)電量隨回水溫度的升高略有下降。

（4）蒸汽直接膨脹系統(tǒng)的凈發(fā)電量和發(fā)電效率隨回水溫度的升高而急劇降低。

[1] 連紅奎,李艷,束光陽(yáng)子,等.我國(guó)工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù),2011,29(2):123-128.

[2] 周耘,王康,陳思明.工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀及技術(shù)展望[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2010,20(23):162-164.

[3] 余斌.我國(guó)工業(yè)余熱回收利用空間廣闊[J].中國(guó)建材資訊,2015,(4):6-7.

[4] Sylvain Quoilin, Martijn Van DenBroek, et al. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013,22:168-186.

[5] Junjiang Bao, Li Zhao. A review of working fluid and expanders elections for organic Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013,24: 325-342.

[6] Tao Chen, Weilin Zhuge, Yangjun Zhang, et al. A novel cascade organic Rankine cycle (ORC) system for waste heat recovery of truck diesel engines[J]. Energy Conversion and Management, 2017,138:210–223.

[7] Denny Budisulistyo, Susan Krumdieck. A novel design methodology for waste heat recovery systems using organic Rankine cycle [J]. Energy Conversion and Management, 2017,142:1–12.

[8] Antti Uusitalo, Juha Honkatukia, Teemu Turunen- Saaresti. Evaluation of a small-scale waste heat recovery organic Rankine cycle [J]. Applied Energy, 2017,192: 146–158.

[9] 沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2007.

The Research on Cogeneration of Low-pressure Saturated Steam

Yuan Zhongyuan Chen Wei Hu Qin

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

Based onthermodynamics theory , the simulation method on three cogeneration of Low-pressure saturated steam, including steam expansion system, ORC system and cascade system were developed. The effect of steam pressure and cooling temperature on net power and power efficiency were investigated. The results show that the cascade system has the maximum net power. The net power and power efficiency increase with the steam pressure increase, and the increase degree of ORC system is lowest. The net power and power efficiency sharply decrease with the cooling temperature increase, which is different the others system.

Low-pressure saturated steam; Cogeneration technology; net power; power efficiency

1671-6612（2019）06-660-05

TM617

A

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目：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（2018GZ0160）

袁中原（1983.8-），男，博士，E-mail：zhongyuan.yuan@home.swjtu.edu.cn

2019-06-15