102 ℃常压余热蒸汽有机朗肯循环模拟及经济性分析

徐根东，吴佳军，陈晶晶，王昌松*，史 册

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900；2. 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏南京 210009)

设 备 改 造

102 ℃常压余热蒸汽有机朗肯循环模拟及经济性分析

徐根东1，吴佳军2，陈晶晶2，王昌松2*，史 册1

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900；2. 南京工业大学材料化学工程国家重点实验室，江苏南京 210009)

低品位热，包括低温工业废热(<300 ℃)和新能源领域的地热能、太阳能和生物质能等。在工业生产过程中，至少 50%的耗能最终以低品位废热的形式直接排放到大气中，尤其是150 ℃的低温余热，很难进行再利用。低品位能源回收利用对人类社会的可持续发展具有深远的意义，也是当前研究的热点[1]。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle， ORC)发电是一种可以将低品位热转化为高品位电能的有效方法[2]。ORC主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质增压泵组成，其操作运行和蒸汽朗肯循环相同，它的优势在于采用了低沸点的有机工质，因此可利用低品位热来实现发电。目前对ORC的研究主要有工质能效研究[3]、系统优化研究[4]以及应用拓展[5]等。

仪征化纤是我国大型化纤生产企业，生产过程存在大量废热，如聚酯单元工艺塔塔顶102 ℃的常压余热蒸汽。目前企业利用该余热进行浆料预热和加热乙二醇，但回收的热量仅占10%，其余均需要循环冷却水冷却，造成能源浪费。

本文针对聚酯单元工艺塔塔顶102 ℃常压余热蒸汽，利用 Aspen plus 7.3流程模拟软件，研究五氟丙烷(R245fa)作为有机工质时，蒸发压力、冷凝压力、过冷度和过热度对系统热效率的影响；参考实际工况的操作状态设计了发电循环，并与模拟优化系统在发电效益上进行了比较分析。

1 ORC模型

1.1 ORC 系统流程图

图1为有机朗肯循环(ORC)流程图。其中1-2是泵的加压过程，2-3为蒸发器中有机工质恒压蒸发吸热过程，即在蒸发压力下，有机工质吸热汽化成饱和蒸汽或过热蒸汽的状态。3-4过程为透平膨胀做工过程，4-1过程为恒压冷凝过程，即在恒定的压力下将过热蒸汽冷凝为饱和液体或者过冷液体。

图1 有机朗肯循环(ORC)系统图

1.2 热力学模型

图2为ORC系统温熵图。以R245fa作为ORC循环工质时，循环过程各个状态如下图所示1-2-3-4(4s)-1，并分4个过程，分别如下：

图2 有机朗肯循环(ORC)温熵图

(1) 等压吸热过程(2-3s或3)：有机工质在蒸发器中和余热热源进行换热，工质吸收热量发生汽化达到蒸发压力下的饱和蒸汽状态3s或者过热状态3，过程吸收的热量为公式:

q1=h3-h2

(1)

(2) 膨胀做工过程(3-4或4s)：有机工质在理想状态下在透平机中发生等熵膨胀3-4s，实际过程不可逆的情况下发生的膨胀做功：

WT=h3-h4

(2)

(3) 等压冷凝过程(4-1)：由透平膨胀机排出的过热乏汽在冷凝器中被冷却剂(一般采用循环水)冷凝，工质所放出的热量为：

q2=h4-h1

(3)

(4) 等熵压缩过程(1-2)：冷凝之后的液体需要经过工质泵升压后送至蒸发器中，外界对有机工质所做的功：

Wp=h2-h1

(4)

基于热力学第一定律ORC的热效率为：

(5)

(6)

公式(1～6)中,h1，h2，h3，h4分别为循环各状态点的比焓值，h5和h6分别代表余热热源换热前后比焓值，kJ/kg；WT，Wp和Wnet分别是膨胀做工，外界对有机工质做工和净输出功kJ/kg；q1和q2为等压吸热过程的吸热量和等压冷凝过程的工质放热量，kJ/kg。

1.3 有机工质

有机工质的选择是ORC的关键，其中R245fa是ORC低温余热发电优选工质[6]。表1是R245fa有机工质的物性参数。

表1 R245fa的物性参数

1.4 设计模拟参数

表2是参考文献提供的实际发电过程中系统的蒸发压力和冷凝压力两个操作状态作为设计模拟的参数[7]。利用文献中提到的蒸发压力为1.08 Mpa和冷凝压力为0.21 Mpa的条件，结合仪征余热状态设计了如下有机朗肯循环发电系统。R245fa饱和蒸汽代表蒸发器的工质出口状态，R245fa过热蒸汽代表透平膨胀做工后的出口状态，R245fa饱和液体代表冷凝器的工质出口状态。

表2 有机朗肯循环(ORC)系统模拟参数

2 结果与讨论

(a)

(b)

(c)

(d) 图3 系统热效率和效率随系统蒸发压力、 冷凝压力、过冷度和过热度的变化关系

2.2 经济性分析

2.2.1 投资预算

表3是投资一台基于ORC发电系统和电站安装材料的耗费明细，相关投资预算以700万元为计。

表3 有机朗肯循环(ORC)发电设备投资预算

2.2.2 效益分析

表4 有机朗肯循环(ORC)系统发电参数

注：发电机的发电效率0.95

3 结 论

针对聚酯工段单元塔顶蒸汽余热工段的102 ℃常压余热蒸汽，利用Aspen对基本ORC系统模拟发现：

c) 最优发电操作工况下，每年可以获得123万元～197万元的收益，静态回收期为3.5～5.6年内。

[1] 连红奎，李艳，束光阳子，等.我国工业余热回收利用技术综述[J].节能技术，2011，29(2):123-128.

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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

徐根东(1970-)，江苏兴化人，高级工程师，主要从事生产管理工作。

TK115

B

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

*通讯作者: 王昌松，wcs@njtech.edu.cn。