102 ℃常壓余熱蒸汽有機(jī)朗肯循環(huán)模擬及經(jīng)濟(jì)性分析

徐根東，吳佳軍，陳晶晶，王昌松*，史 冊(cè)

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900；2. 南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210009)

設(shè) 備 改 造

102 ℃常壓余熱蒸汽有機(jī)朗肯循環(huán)模擬及經(jīng)濟(jì)性分析

徐根東1，吳佳軍2，陳晶晶2，王昌松2*，史 冊(cè)1

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900；2. 南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210009)

低品位熱，包括低溫工業(yè)廢熱(<300 ℃)和新能源領(lǐng)域的地?zé)崮堋⑻?yáng)能和生物質(zhì)能等。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，至少 50%的耗能最終以低品位廢熱的形式直接排放到大氣中，尤其是150 ℃的低溫余熱，很難進(jìn)行再利用。低品位能源回收利用對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[1]。

有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle， ORC)發(fā)電是一種可以將低品位熱轉(zhuǎn)化為高品位電能的有效方法[2]。ORC主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)增壓泵組成，其操作運(yùn)行和蒸汽朗肯循環(huán)相同，它的優(yōu)勢(shì)在于采用了低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)，因此可利用低品位熱來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。目前對(duì)ORC的研究主要有工質(zhì)能效研究[3]、系統(tǒng)優(yōu)化研究[4]以及應(yīng)用拓展[5]等。

儀征化纖是我國(guó)大型化纖生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程存在大量廢熱，如聚酯單元工藝塔塔頂102 ℃的常壓余熱蒸汽。目前企業(yè)利用該余熱進(jìn)行漿料預(yù)熱和加熱乙二醇，但回收的熱量?jī)H占10%，其余均需要循環(huán)冷卻水冷卻，造成能源浪費(fèi)。

本文針對(duì)聚酯單元工藝塔塔頂102 ℃常壓余熱蒸汽，利用 Aspen plus 7.3流程模擬軟件，研究五氟丙烷(R245fa)作為有機(jī)工質(zhì)時(shí)，蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過(guò)冷度和過(guò)熱度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響；參考實(shí)際工況的操作狀態(tài)設(shè)計(jì)了發(fā)電循環(huán)，并與模擬優(yōu)化系統(tǒng)在發(fā)電效益上進(jìn)行了比較分析。

1 ORC模型

1.1 ORC 系統(tǒng)流程圖

圖1為有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)流程圖。其中1-2是泵的加壓過(guò)程，2-3為蒸發(fā)器中有機(jī)工質(zhì)恒壓蒸發(fā)吸熱過(guò)程，即在蒸發(fā)壓力下，有機(jī)工質(zhì)吸熱汽化成飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽的狀態(tài)。3-4過(guò)程為透平膨脹做工過(guò)程，4-1過(guò)程為恒壓冷凝過(guò)程，即在恒定的壓力下將過(guò)熱蒸汽冷凝為飽和液體或者過(guò)冷液體。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)圖

1.2 熱力學(xué)模型

圖2為ORC系統(tǒng)溫熵圖。以R245fa作為ORC循環(huán)工質(zhì)時(shí)，循環(huán)過(guò)程各個(gè)狀態(tài)如下圖所示1-2-3-4(4s)-1，并分4個(gè)過(guò)程，分別如下：

圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)溫熵圖

(1) 等壓吸熱過(guò)程(2-3s或3)：有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中和余熱熱源進(jìn)行換熱，工質(zhì)吸收熱量發(fā)生汽化達(dá)到蒸發(fā)壓力下的飽和蒸汽狀態(tài)3s或者過(guò)熱狀態(tài)3，過(guò)程吸收的熱量為公式:

q1=h3-h2

(1)

(2) 膨脹做工過(guò)程(3-4或4s)：有機(jī)工質(zhì)在理想狀態(tài)下在透平機(jī)中發(fā)生等熵膨脹3-4s，實(shí)際過(guò)程不可逆的情況下發(fā)生的膨脹做功：

WT=h3-h4

(2)

(3) 等壓冷凝過(guò)程(4-1)：由透平膨脹機(jī)排出的過(guò)熱乏汽在冷凝器中被冷卻劑(一般采用循環(huán)水)冷凝，工質(zhì)所放出的熱量為：

q2=h4-h1

(3)

(4) 等熵壓縮過(guò)程(1-2)：冷凝之后的液體需要經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵升壓后送至蒸發(fā)器中，外界對(duì)有機(jī)工質(zhì)所做的功：

Wp=h2-h1

(4)

基于熱力學(xué)第一定律ORC的熱效率為：

(5)

(6)

公式(1～6)中,h1，h2，h3，h4分別為循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的比焓值，h5和h6分別代表余熱熱源換熱前后比焓值，kJ/kg；WT，Wp和Wnet分別是膨脹做工，外界對(duì)有機(jī)工質(zhì)做工和凈輸出功kJ/kg；q1和q2為等壓吸熱過(guò)程的吸熱量和等壓冷凝過(guò)程的工質(zhì)放熱量，kJ/kg。

1.3 有機(jī)工質(zhì)

有機(jī)工質(zhì)的選擇是ORC的關(guān)鍵，其中R245fa是ORC低溫余熱發(fā)電優(yōu)選工質(zhì)[6]。表1是R245fa有機(jī)工質(zhì)的物性參數(shù)。

表1 R245fa的物性參數(shù)

1.4 設(shè)計(jì)模擬參數(shù)

表2是參考文獻(xiàn)提供的實(shí)際發(fā)電過(guò)程中系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力兩個(gè)操作狀態(tài)作為設(shè)計(jì)模擬的參數(shù)[7]。利用文獻(xiàn)中提到的蒸發(fā)壓力為1.08 Mpa和冷凝壓力為0.21 Mpa的條件，結(jié)合儀征余熱狀態(tài)設(shè)計(jì)了如下有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。R245fa飽和蒸汽代表蒸發(fā)器的工質(zhì)出口狀態(tài)，R245fa過(guò)熱蒸汽代表透平膨脹做工后的出口狀態(tài)，R245fa飽和液體代表冷凝器的工質(zhì)出口狀態(tài)。

表2 有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)模擬參數(shù)

2 結(jié)果與討論

(a)

(b)

(c)

(d) 圖3 系統(tǒng)熱效率和效率隨系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、 冷凝壓力、過(guò)冷度和過(guò)熱度的變化關(guān)系

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 投資預(yù)算

表3是投資一臺(tái)基于ORC發(fā)電系統(tǒng)和電站安裝材料的耗費(fèi)明細(xì)，相關(guān)投資預(yù)算以700萬(wàn)元為計(jì)。

表3 有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電設(shè)備投資預(yù)算

2.2.2 效益分析

表4 有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)發(fā)電參數(shù)

注：發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率0.95

3 結(jié) 論

針對(duì)聚酯工段單元塔頂蒸汽余熱工段的102 ℃常壓余熱蒸汽，利用Aspen對(duì)基本ORC系統(tǒng)模擬發(fā)現(xiàn)：

c) 最優(yōu)發(fā)電操作工況下，每年可以獲得123萬(wàn)元～197萬(wàn)元的收益，靜態(tài)回收期為3.5～5.6年內(nèi)。

[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] 王大彪，段捷，胡哺松，等.有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].節(jié)能技術(shù)，2015，33(3):235-242.

[3] Bao J, Zhao L. A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24:325-342.

[4] 許俊俊.中低溫有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究[D].廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2016:14-23.

[5] Tchanche B F, Lambrinos G, Frangoudakis A, et al. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles - A review of various applications[M]// Heat conversion into power using small scale organic Rankine cycles. 2011:3963-3979.

[6] 魏新利，李明輝，馬新靈，等.有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和性能分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，37(2):73-76.

[7] Ouml; nder Kaka. Energy and exergy analysis of an organic Rankine for power generation from waste heat recovery in steel industry[J]. Energy Conversion & Management, 2014, 77(1):108-117.

[8] 汪波，茅靳豐，耿世彬，等.國(guó)內(nèi)換熱器的研究現(xiàn)狀與展望[J].制冷與空調(diào)，2010，24(5):61-65.

[9] 錢(qián)伯章.換熱器節(jié)能技術(shù)綜述[J].化工裝備技術(shù)，2014，35(3):60-66.

Process simulation and economic analysis for the 102 ℃ waste heat recovery using Organic Rankine Cycle

Xu Gendong1, Wu Jiajun2, Chen Jingjing2, Wang Changsong2*, Shi Ce1

(1.SinopecYizhengChemicalFibreCo.,Ltd.,YizhengJiangsu211900,China;2.StateKeylaboratoryofMaterials-OrientedChemicalEngineeringNanjingTechUniversity,NanjingJiangsu210009,China.)

The Organic Rankine Cycle (ORC) power generation process was proposed for the 102 ℃ waste heat recovery of Yizheng chemical fibre polyester unit 11. The effects of evaporation pressure, condensation pressure, degree of superheated and subcooling on the energy efficiency and exergy efficiency of the process were investigated for the proposed process based on Aspen Plus V7.3.When the evaporation pressure was at 1.28 MPa, condensing pressure at 0.16 MPa, degree of subcooling and superheat at 0, system efficiency was the highest. The process of the static payback period was 3.5～5.6 years.

Organic Rankine Cycle; thermal effiency; exergy effiency; economic analysis

2017-03-13

徐根東(1970-)，江蘇興化人，高級(jí)工程師，主要從事生產(chǎn)管理工作。

TK115

B

1006-334X(2017)02-0044-04

*通訊作者: 王昌松，wcs@njtech.edu.cn。