低溫煙氣有機郎肯循環系統熱力性能與經濟性的對比研究

呂劍

摘要：有機朗肯循環系統發電系統內部參數與外界環境緊密相關，熱源參數的變化、冷卻水溫度的變化都會使得系統內部各個點參數改變，從而導致系統長期運行在非額定工況熱效率低。該文以循環工質為R245fa的有機朗肯循環系統作為研究對象，通過建立蒸發器和冷凝器換熱模型，得出有機朗肯循環系統在不同熱源溫度、不同冷卻水溫度下的最佳蒸發溫度、凝結溫度變化情況，從而獲得蒸發溫度、凝結溫度與熱源溫度、冷卻水溫度之間的函數關系。在實際有機朗肯循環系統余熱發電工程中，存在著很多不穩定因素，因此對有機朗肯循環系統變工況特性分析是非常有必要的，對于提高系統整體性能具有指導性意義。

關鍵詞：有機朗肯循環；變工況特性；熱力系統

有機朗肯循環系統是利用低品位熱源發電的新型技術，作為中、低溫余熱回收的有效方式在節能環保領域具有廣闊的前景。中國是一個能源消耗大國，余熱資源非常豐富，不管是廢氣還是廢水，在各工廠內都隨處可見。如此多的余熱資源組成了一個龐大的資源庫，其中的余熱資源隨工廠類別、地域、生產工藝的不同而不同，就算是同一個余熱資源，其相關參數也是不斷變化的。不管是熱源還是冷源的變化都會導致有機朗肯循環系統內部參數的改變，從而導致發電系統長期運行在非額定工況系統熱效率低。因此為了有效解決余熱資源的變化給有機朗肯循環系統所帶來的負面影響，就必須對有機朗肯循環系統進行變工況分析，一方面能夠提高系統的整體適應性，另一方面能提高熱效率和輸出功率。

1、有機朗肯循環系統簡介

有機朗肯循環系統由加壓泵、蒸發器、汽輪機、冷凝器四個主要裝置組成，理想狀態下有機工質在這四個裝置中分別經歷絕熱壓縮、等壓吸熱、絕熱膨脹和等壓放熱四個過程。等壓吸熱過程是有機工質在蒸發器內吸收熱源放出的熱量而蒸發成汽態，等壓放熱過程是有機工質在冷凝器內放出熱量而凝結成液態，這兩個過程中循環工質分別與熱源和冷源相互作用，與外界環境有著緊密聯系，時刻因外界環境的變化而受到影響。

余熱資源的參數變化主要體現在兩個方面，即熱源和冷源的變化。熱源的變化主要是指熱源的溫度和流量隨生產工藝的變化。熱源的變化直接影響著蒸發器內的等壓吸熱過程，熱源溫度高，機組輸出功率大，溫度低，機組輸出功率小。冷源的變化主要是指冷源的溫度隨晝夜或季節的變化。冷源的變化直接影響著凝汽器內的等壓放熱過程，冷卻溫度高，機組輸出功率小，冷卻溫度低，機組輸出功率大。

該文從蒸發器、凝汽器換熱模型著手，來分析有機朗肯循環系統的變工況特性。為了計算分析方便，該文在模型建立過程中所采用的計算輸入條件如下：熱源：80 ℃熱水；空氣干球溫度：20 ℃，相對濕度：55%，大氣壓：101.325 kPa；冷卻水溫度：25 ℃；有機工質：R245fa。

2、蒸發器換熱模型

蒸發器作為有機朗肯循環系統中的關鍵設備，其主要任務就是使有機工質通過相變從熱源中吸收熱量。有機工質在蒸發器內吸收熱源放出的熱量成為具有一定壓力和溫度的氣體，蒸發器內發生的過程主要包含二個階段：預熱和蒸發，其熱力過程。溫差是指蒸發段熱源出口溫度與工質飽和壓力下所對應的飽和溫度之差。蒸發器內節點溫差越小，效率越高，可以回收更多的熱量。但是，節點溫差小會使換熱面積增大，一方面增大投資成本，另一方面增加排氣阻力。因此應該從循環的效率和經濟性能全面考慮，選擇合適的節點溫差。蒸發器相對總投資費用和相對單位熱回收費用與節點溫差變化的關系，由圖可知節點溫差為5～10℃是比較合理的。

考慮到經濟性能以及計算方便，本文選定蒸發器內的節點溫差，根據分別對預熱段和蒸發段建立能量平衡方程如下：熱源的出口溫度與蒸發溫度近似為線性關系，為了分析方便，定義出口溫差為熱源出口溫度與蒸發溫度的差值，兩者之間的關系。出口溫差與工質蒸發溫度近似為拋物線關系，出口溫差最小點出現在蒸發溫度為58 ℃處。

3、冷凝器換熱模型

有機工質在汽輪機內不可能把能量完全轉化成功，而是有一大部分能量儲存在乏汽中。從汽輪機排放出來的乏汽需要在冷凝器內冷凝成液態，這一過程是定壓過程，且釋放出大量的汽化潛熱，然后通過冷卻水傳熱給外界環境。有機工質在凝結時放熱給冷卻水，冷卻水因被加熱溫度由TL3升高至TL2。由熱力學第二定律可知，熱量在傳遞時是需要有溫差的，即蒸汽的凝結溫度TL1總是要比冷卻水的最高溫度TL2大，由此我們可以得出如下關系：。冷卻水的溫升需要根據實際情況合理選取。增大，則冷卻水量將減少，水泵所消耗的功率相應減少。但是在冷卻水進口溫度不變的情況下，凝結溫度將會增加，朗肯循環所利用的溫度區間變小，發電量減小，通過計算通常的取值范圍為5～10 ℃。同樣冷凝器端差也需要合理選取，越小，凝結溫度越低，發電量越大，但是冷凝器對數溫差越小，傳熱面積增大，通過計算通常的取值范圍為3～7 ℃。

假設冷凝器內R245fa的質量流量為m1，冷卻水的質量為m2，稱為循環倍率，循環倍率反應了冷卻水的循環量大小。根據能量平衡方程：

為R245fa在溫度為TL1時的汽化潛熱；為水的定壓比熱，=4.2。

根據上式可以得出循環倍率與冷卻水溫升、冷凝器端差之間的關系，由于R245fa的汽化潛熱隨著溫度的變化比較小，所以對m的影響非常小，m主要受的影響，且其關系可近似成反比例。

4、變工況特性分析

換熱器是組成有機朗肯循環系統的最重要部件之一，換熱器直接跟熱源與冷源接觸，熱源和冷源的變化是必然存在的，因此在不同的余熱資源條件下，有機朗肯循環系統有著不同的最佳熱力參數。以某一特定狀態為例，將單位熱源凈發電量作為評判指標對有機朗肯循環系統進行熱力計算。

計算結果得出在該特定狀態下最佳蒸發溫度為59 ℃，最佳凝結溫度為36 ℃（冷卻水溫升6 ℃）。采用同樣的計算方法，通過改變熱源溫度和冷卻水進口溫度得出一系列不同狀態下的最佳蒸發溫度和最佳凝結溫度，其結果如圖8所示。由圖可以得出最佳蒸發溫度、最佳凝結溫度與熱源進口溫度、冷卻水進口溫度之間的關系：與、二者都有聯系，但是只與有關，且冷卻水溫升都是6 ℃。

5、結語

本文將R245fa為工質的有機朗肯循環系統作為研究對象，采取不同的熱源溫度和冷卻水溫度，分別計算出循環凈發電量最大時的蒸發溫度和凝結溫度。計算結果表明：最佳的蒸發溫度與熱源溫度和冷卻水溫度都有關聯，；最佳的凝結溫度只與冷卻水溫度有關聯，即且冷卻水溫升都是6℃。在不同的熱源溫度和冷卻水溫度下，為了使得循環的凈發電功率最大，我們可以適當地調節工質泵的揚程與冷卻循環泵的流量來控制蒸發溫度和凝結溫度，使其變化到該狀態點的最佳值。

參考文獻

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（作者單位：河北省秦皇島市秦熱發電有限責任公司）