中温余热热源有机朗肯循环工质比较

2020-05-19张建亮

煤气与热力 2020年4期

张建亮

(济南热力集团有限公司，山东济南250011)

1 概述

随着我国经济的快速发展，能源消耗和环境问题已成为制约经济高质量发展的重要因素。余热回收利用已成为当前我国节能减排研究的重要方向，利用形式也呈多样化发展。从我国能源结构来看，70%左右的能源消耗在工业生产中，而其中60%～65%转变成了不同载体、不同温度的余热资源[1]。回收和利用工业生产过程中产生的中低温余热(温度350～650 ℃的为中温余热，温度在350 ℃以下的为低温余热)，不仅有助于缓解我国能源短缺，还能有效解决工业生产造成的环境污染，具有重要的现实意义。有机朗肯循环(ORC)发电技术对热源温度具有广泛的适应性，在中低温余热回收中受到广泛重视[2]。

有机朗肯循环发电技术中通常将平准化电力成本(Levelized Electricity Cost，LEC)作为衡量循环经济性的依据[3-6]。本文以某企业玻璃生产线烟气利用为背景，在建立平准化电力成本计算模型的基础上，考察7种工质(2-甲基丁烷、一氟二氯乙烷、丙酮、正庚烷、苯、辛烷、甲苯)亚临界循环、超临界循环热效率、平准化电力成本，考虑工质的环保及安全性，评价工质对中温余热热源有机朗肯循环的适用性。

2 平准化电力成本模型与计算条件

2.1 平准化电力成本模型

选取有机朗肯循环的4个基本部件(工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机)作为计算平准化电力成本的基本要素，忽略其他部件的影响。

以2018年美元为基准的平准化电力成本CLEC的计算式为[7]：

式中CLEC——以2018年美元为基准的平准化电力成本，美元/(kW·h)

βrf——等额偿还银行贷款时投资回收因子

F2018——以2018年美元为基准的设备购置费，美元

βom——运行维护成本比例，取0.015

Pnet——系统净输出功率，kW

ty——系统年运行时间，h，取8 000 h

i——利率，取0.005

t——系统使用寿命，a，取20 a

F1996——以1996年美元为基准的设备购置费，美元

β2018——以2018年美元为基准的化工厂成本指数，取603.1

β1996——以1996年美元为基准的化工厂成本指数，取382.0

以1996年美元为基准的设备购置费包括工质泵、冷凝器、蒸发器、膨胀机的购置费用，计算方法见文献[8]。用于计算工质泵、冷凝器、蒸发器、膨胀机的购置费用的工质泵耗电功率、膨胀机输出功率、冷凝器换热面积、蒸发器换热面积根据亚临界循环、超临界循环的热力学模型、经济模型[9]，由计算条件计算得到。有机朗肯循环的热效率为系统净输出功率与工质在蒸发器中的吸热功率之比。

2.2 计算条件

笔者选取7种工质进行分析，工质的特性参数见表1。2-甲基丁烷、正庚烷、辛烷属于烷烃类，一氟二氯乙烷属于卤代烃类，苯、甲苯属于苯类，丙酮属于酮类。

表1 工质的特性参数

采用REFPROP软件计算工质物性参数，并使用Excel构建有机朗肯循环热力学模型、经济模型、LEC模型。计算条件：热源入口烟气温度为400 ℃，体积流量为76 600 m3/h，出口温度为80 ℃。冷却水的入口温度和环境温度均为20 ℃，环境压力为0.1 MPa。冷凝温度为30 ℃，冷凝器两侧的夹点温差为5 ℃。膨胀机效率为70%，工质泵的效率为80%，换热器(冷凝器、蒸发器)换热效率为100%。亚临界循环的蒸发器出口过热度为5 ℃。

3 计算结果与分析

3.1 亚临界循环

不同工质亚临界循环的热效率、平准化电力成本随蒸发温度的变化分别见图1、2。由图1可知，7种工质亚临界循环的热效率均随蒸发温度的升高而增大，苯、甲苯亚临界循环的热效率比较高。由图2可知，7种工质亚临界循环的平准化电力成本均随蒸发温度的升高而减小，苯、甲苯亚临界循环的平准化电力成本比较低。综合考虑热效率、平准化电力成本，在7种工质中，苯、甲苯亚临界循环的综合性能最优。

图1 不同工质亚临界循环的热效率随蒸发温度的变化

图2 不同工质亚临界循环的平准化电力成本随蒸发温度的变化

3.2 超临界循环

对于超临界循环，蒸发器出口无过热度，并在两种膨胀机入口压力(5.5、6.0 MPa)下进行分析。不同工质超临界循环在两种膨胀机入口压力下的热效率随膨胀机入口温度(允许范围)的变化分别见图3、4。由图3、4可知，膨胀机入口温度一定的条件下，两种膨胀机入口压力下各种工质超临界循环的热效率整体上接近。苯、甲苯超临界循环的膨胀机入口温度允许范围比较窄，但热效率比较高。除正庚烷、辛烷外，其他工质超临界循环的热效率基本随膨胀机入口温度的升高而增大，而庚烷、辛烷超临界循环有减小的趋势。

图3 不同工质超临界循环在膨胀机入口压力5.5 MPa下热效率随膨胀机入口温度的变化

图4 不同工质超临界循环在膨胀机入口压力6.0 MPa下热效率随膨胀机入口温度的变化

不同工质超临界循环在两种膨胀机入口压力下的平准化电力成本随膨胀机入口温度的变化分别见图5、6。由图5、6可知，各种工质超临界循环的平准化电力成本均随膨胀机入口温度的升高而减小。在膨胀机允许入口温度内，苯、甲苯超临界循环的平准化电力成本比较低。

膨胀机入口温度一定的前提下，膨胀机入口压力5.5 MPa下各种工质超临界循环的平准化电力成本均低于膨胀机入口压力6.0 MPa条件。因此，膨胀机入口压力5.5 MPa条件下的超临界循环综合性能更优。

图5 不同工质超临界循环在膨胀机入口压力5.5 MPa下平准化电力成本随膨胀机入口温度的变化

图6 不同工质超临界循环在膨胀机入口压力6.0 MPa下平准化电力成本随膨胀机入口温度的变化

4 环保及安全性评价

在工程应用中，工质的环保性和安全性也是重要的指标。现阶段，适用于有机朗肯循环的工质一般遵循以下原则：全球变暖潜能值(GWP)小于5 000，臭氧消耗潜值(ODP)约为0，毒性小且不可燃。7种工质的GWP、ODP、安全指标见表2，工质的安全指标分类见表3。

由表2、3可知，苯、甲苯虽然毒性低，但可燃性较高，工程应用中存在较大风险，对管道、设备的密封提出更高要求。虽然2-甲基丁烷目前已应用在冰箱、空调等家电上，但鉴于其较高的可燃性，工程应用还有待探讨。一氟二氯乙烷不仅环境友好，毒性低、不传播火焰，而且综合性能居中。因此，现阶段一氟二氯乙烷适宜作为中温热源有机朗肯循环工质。