高压调温水余热有机朗肯循环发电系统 研究及工程应用

周 托，黄增辉，丁新利

（1.清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084； 2.中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083； 3.威海热电集团有限公司，山东 威海 264200）

我国工业生产过程中存在着丰富的低温余热资源，由于其利用难度较大，其中绝大部分最终被放散浪费。在实现“双碳”目标的背景下，大力发展工业领域的节能具有重要意义，而低温余热资源的合理利用是其中的重点。有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）系统利用工业过程中的余热或废热、以及地热能、太阳能等作为热源，以低沸点有机物作为循环工质，可实现低温余热的发电[1-3]，具有结构简单、运行方便和效率高等优点[4-5]。近年来行业内针对低温余热ORC技术开展了大量的研究，主要集中在工质筛选[6-8]、循环结构改进[9-10]、系统热力学分析[11-13]以及系统参数对循环过程的影响和优化[14-16]等。目前，关于低温余热ORC技术的研究多侧重于模型分析和实验研究，对于其在实际工程中的应用情况报道较少。

尿素生产工艺中通过高压调温水（高调水）控制高压洗涤器中的操作温度。高压洗涤塔出口的高调水温度为130～145 ℃，通常在冷却塔降至115～120 ℃后重新返回洗涤塔。其冷却过程不仅浪费了大量的余热资源，而且会对周围环境造成热污染。基于此，本文以某氮肥企业高调水为低温热源，构建了ORC系统模型，选择3种循环工质，研究了蒸发温度、冷凝温度和过热度对系统性能的影响。依据研究获得的结果，设计了某氮肥企业的高调水ORC发电系统并实现了工程应用。

1 工质选择

有机工质的选择应综合考虑系统热力性能、安全性、环境友好等因素[17-18]，且通常选择干流体或等熵流体[18-19]。鉴于高调水的温度范围120～140 ℃[20]，本文选用R236ea、R245fa和R600a 3种臭氧层衰减指数（ozone depletion potential, ODP）均为0的干工质开展研究，其详细特征参数见表1[7]。

表1 工质的特征参数Tab.1 Characteristic parameters of the working fluids

2 模型分析

2.1 系统结构及热力过程

高调水ORC发电系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵等主要设备组成。系统结构如图1所示，温熵图如图2所示。系统的热力过程为：有机工质饱和液体经过工质泵等熵升压后进入蒸发器，在蒸发器中定压吸收高调水余热后进入膨胀机做功，推动发电机发电；做功完毕后，从膨胀机排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝至饱和液体，由工质泵吸入，重新进行下一次循环。

图1 ORC发电系统示意Fig.1 Schematic diagram of ORC power generation system

图2 ORC系统温熵图Fig.2 T-S diagram of the ORC system

2.2 循环分析数学模型

图2中：1—2s表示工质在泵中等熵压缩过程，1—2为实际压缩过程，2—5表示工质在蒸发器中定压吸热变成饱和或过热蒸汽的过程（2—3为定压预热至饱和液体、3—4为定压蒸发至饱和蒸汽、4—5为定压加热至过热蒸汽），5—6s表示工质在膨胀机中等熵膨胀过程，5—6为实际膨胀过程，对外做功；6—1表示工质在冷凝器中等压冷凝过程（6—7为定压冷却至饱和蒸汽，7—1为有机工质定压冷凝至饱和液体）。热源由高调水提供，冷源由冷却水提供。

有机工质在蒸发器中定压吸热Qevap为：

式中：Qevap为蒸发器的换热负荷，kW；mwf为工质质量流量，kg/s；h5、h2分别为工质在蒸发器出口、进口焓值，kJ/kg；mh为高调水热源的质量流量，kg/s；ch为高调水的比热容，kJ/(kg·℃)；Th,in、Th,out分别为高调水在蒸发器进口、出口温度，℃。

工质在膨胀机中膨胀过程对外输出功Wexp为：

式中：Wexp为膨胀机输出功，kW。

膨胀机的等熵效率ηs为：

式中：h5、h6分别为工质在膨胀机进口、出口焓值，kJ/kg；ηs为膨胀机等熵效率；h6s为工质等熵膨胀出口焓值，kJ/kg。

工质在冷凝器中定压放热过程中放热Qcond为：

式中：Qcond为冷凝器的换热负荷，kW；h6、h1分别为工质在冷凝器进口、出口焓值，kJ/kg；m1为冷却水的质量流量，kg/s；cp,1为冷却水的定压比热容，kJ/(kg·K)；Tl,out、Tl,in分别为冷却水在冷凝器出口、进口温度，℃。

工质压缩过程中泵消耗的功Wpump为：

式中：Wpump为工质泵的功耗，kW；h1、h2分别为工质在泵进口、出口焓值，kJ/kg。

系统的输出净功Wnet为：

式中：Wnet为输出净功，kW。

系统的比净功ωnet代表单位质量工质的做功能力，表达式为：

式中：ωnet为系统的比净功，kJ/kg。

系统的循环热效率η以及净效率ηnet分别为：

系统的不可逆损失I为：

式中：I为系统不可逆损失，kW；T0为环境温度，℃；Th为高温热源温度，℃；Tl为低温冷源温度，℃。

3 结果分析与讨论

基于以上建立的ORC系统模型，通过MATLAB 2018b编程、以及NIST提供的REFPROP 9.1获得工质物性参数。结合实际工程的运行参数，设定了计算条件，其中实际工程中的膨胀机采用螺杆形式，其等熵效率在65%～75%[21]，本文选取为70%。具体计算条件见表2。

表2 ORC系统计算条件Tab.2 Calculation conditions of the ORC system

本文研究的系统性能主要包括系统循环热效率、净输出功、比净功和总不可逆损失，系统循环热效率为膨胀机输出功与系统输入热负荷的比例（式(8)）；净输出功为膨胀机输出功扣除工质泵的功耗（式(6)）；比净功为单位质量工质的做功能力（式(7)）；总不可逆损失为系统由于不可逆引起的总损失（式(10)）。

3.1 蒸发温度对系统性能的影响

在冷凝温度为30 ℃时，蒸发温度对系统性能的影响如图3所示。从图3a)和图3b)可以看出，随着蒸发温度的提高，循环热效率和输出净功均随之增加，R245fa的输出净功显著高于其他2种工质，这主要得益于在相同的蒸发压力下，R245fa的循环热效率最高，且其工质泵的能耗最低。在蒸发温度由95 ℃升高到115 ℃时，R245fa的循环热效率从9.86%升高到11.53%，净输出功由205.9 kW提高到239.5 kW。R600a的输出净功最低，其中的一个因素是由于其工质泵的能耗最高而导致。

图3 蒸发温度对系统性能的影响Fig.3 Effects of evaporation temperature on the system performance

由图3c)可以看出，随着蒸发温度提高，3种工质的比净功均随之增加。在相同的蒸发温度下R600a的比净功显著高于其他2种工质，说明单位质量R600a的做功能力最强，R245fa次之，R236ea最差。这主要是由于3种工质中，R600a的摩尔质量最小，而相同的质量流量下，R600a的体积流量更大，膨胀机做功能力更强。由图3d)可以看出，随着蒸发温度的提高，3种工质的系统总不可逆损失均逐渐减小，这是由于工质蒸发温度提高使得蒸发器内热源与工质的传热温差减小，从而蒸发过程的不可逆损失减小，故系统总不可逆损失也相应减 小[18]。在相同蒸发温度下，R245fa的总不可逆损失最小，R600a和R236ea的总不可逆损失差别不大。由此可见，提高工质的蒸发温度对于提高系统的整体热力学性能是有利的。

3.2 冷凝温度对系统性能的影响

在蒸发温度为105 ℃时，冷凝温度对系统性能的影响如图4所示。从图4a)和图4b)可以看出，随着冷凝温度的提高，3种工质的循环热效率和输出净功均随之降低，而在相同的冷凝压力下，R245fa的循环热效率和输出净功最高。在冷凝温度由26 ℃升高到34 ℃时，R245fa的循环热效率从11.33%降低到10.28%，净输出功由237.4 kW降低到213.7 kW。

图4 冷凝温度对系统性能的影响Fig.4 Effects of condensation temperature on the system performance

由图4c)可以看出，随着冷凝温度的提高，3种工质的比净功均随之减小。同样地，由于R600a的摩尔质量最小，其比净功仍然高于其他2种工质。由图4d)可以看出，随着冷凝温度的提高，3种工质的系统总不可逆损失均逐渐减小。这是由于工质冷凝温度增大使冷凝器内冷源与有机工质的换热温差减小，冷凝器的不可逆损失减小所致。由此可见，降低工质的冷凝温度对于提高系统的整体热力学性能是有利的。

3.3 工质过热度对系统性能的影响

在蒸发温度为105 ℃，冷凝温度为30 ℃时，工质过热度对系统性能的影响如图5所示。从图5a)和图5b)可以看出，随着工质过热度的增加，3种不同工质的循环热效率和输出净功均略有增加，但增加幅度非常小。从图5c)可以看出，工质过热度的提高可以增加工质的比净功，提升工质的做功能力。而以摩尔质量更小的R600a最为明显，在过热度由0 ℃提高到20 ℃时，其比净功由37.17 kW/kg增加到43.61 kW/kg。

图5 工质过热度对系统性能的影响Fig.5 Effects of superheat degree on the system performance

从图5d)可以看出，随着过热度的提高，3种工质的系统总不可逆损失均逐渐减小，这也是由于蒸发器工质出口温度增大使蒸发器内热源与有机工质的换热温差减小，蒸发器的不可逆损失减小所致。由此可见，提高工质的过热度对于系统的整体热力学性能影响并不明显，但是提高工质的过热度可以防止蒸发器出口以及膨胀机出口的工质带液情况，对于整个系统的运行有利。

从图3—图5可以看出：本文研究的3种工质中，R245fa的循环热效率最高，净输出功最大，同时总不可逆损失最小；R600a的净输出功最小，但是比净功最大；R236ea的循环热效率最低，比净功最小。因此，综合考虑选择R245fa为实际工程的循环工质。

4 工程应用及运行情况

4.1 工程概况及设计参数

某氮肥企业的尿素装置高调水总流量约为 520 t/h，出水温度为130 ℃，回水温度115 ℃，高调水余热的总热负荷达到8.4 MW。计划建设4台ORC发电机组，单台机组可利用高调水的流量为130 t/h。

根据以上模型的研究结果，选用R245fa作为循环工质，采用蒸发温度105 ℃，蒸发压力1.41 MPa，冷凝温度30 ℃，同时为了防止蒸发器出口工质带液[20]，设定工质过热度为10 ℃。在此条件下，系统设计的循环热效率为10.77%，单台机组的净输出功为224 kW。

4.2 机组运行工况及性能

机组自建成后的1年多时间内一直稳定运行。为了验证机组的实际运行性能，选取了机组在不同环境温度（不同季节）下的5个工况进行分析，主要技术参数的设计值与运行值的对比见表3，每个工况下对应的数值为机组实际运行值。从表3可以看出：机组实际运行过程中，高调水的进出口温度均比较稳定，偏差在1.5 ℃以内；工质的实际蒸发压力在1.44～1.55 MPa，略高于设计值（1.41 MPa）；蒸发器出口工质的实际温度在127.7～130.4 ℃，过热度为20.2～23.7 ℃，高于设计值（10 ℃）；工质的实际冷凝温度受环境温度的影响较大，在25.9～39.9 ℃。冷凝温度对于机组循环热效率和净输出功的影响较大，在冬季环境温度为5.4 ℃的情况下，机组循环热效率和净输出功分别为10.78%和221.4 kW；而在夏季环境温度为30.3 ℃的情况下，机组循环热效率和净输出功分别降低至9.06%和190.5 kW。

表3 机组参数设计值与运行值对比Tab.3 Comparison between design value and operating value of the system parameter

图6显示了不同环境温度下机组循环热效率运行值与设计值的对比。从图6可以看出，随着环境温度的升高，机组循环热效率随之降低，这主要是由于环境温度的升高，导致冷却水温度升高，进而工质的冷凝温度也相应提高。在冬季环境温度为5.4 ℃时，工质的冷凝温度为25.7 ℃，机组的循环热效率实际值为10.78%，与设计值基本相当；在环境温度为14.7 ℃时，工质的冷凝温度为29.8 ℃，接近设计值的30 ℃，而此时机组的循环热效率为10.65%，低于设计值，这主要是由于膨胀机的实际等熵效率低于设计值（70%）。在夏季环境温度为30.3 ℃时，工质冷凝温度升高到39.9 ℃，机组的循环热效率实际值仅为9.06%。

图7显示了不同环境温度下机组净输出功运行值与设计值的对比。从图7可以看出，随着环境温度的升高，机组净输出功也随之降低。当环境温度为5.4 ℃时，在机组循环热效率运行与设计值相当的情况下（图6），系统的净输出功却略低于设计值，这主要是由于实际运行中工质泵的功耗较高，导致净输出功的减少。

图6 不同环境温度下系统循环热效率对比Fig.6 The system cycle thermal efficiency at different ambient temperatures

图7 不同环境温度下系统净输出功对比Fig.7 The system net output power at different ambient temperatures

图8显示了不同环境温度下工质比净功运行值与设计值的对比。

图8 不同环境温度下工质比净功对比Fig.8 The specific network of the working fluid at different ambient temperatures

从图8可以看出，在环境温度分别为5.4 ℃和14.7 ℃时，工质比净功高于设计值，而随着环境温度升高，工质比净功也随之降低。

该企业的一期项目共建设了4套高调水ORC发电系统。自投运1年多来，系统的整体运行情况良好，全年发电量超过600万kW·h，电费收益达到300万元，同时还减少了废热向周围环境中的排放，经济效益和社会效益显著。但是，一期项目建设的机组存在膨胀机效率低，工质泵能耗高，冷凝温度偏高的问题，为此在计划建设二期的煤气水汽改造ORC发电项目中，将采用等熵效率更高的透平膨胀机[21]，选用更高效的工质泵，并优化冷却塔降低工质冷凝温度，以进一步提高系统循环热效率，增加净输出发电量。

5 结论

本文基于尿素装置高调水低温热源，建立了ORC系统的热力学模型，研究了3种工质的蒸发温度、冷凝温度及过热度对系统性能的影响。通过研究获得的优选工质及关键运行参数，设计了某企业的高调水ORC发电系统并实现工程应用，主要结论如下。

1）通过对比3种循环工质，R245fa的循环热效率最高，净输出功最大，同时系统总不可逆损失最小；R600a的净输出功最小，但是比净功最大；R236ea的循环热效率最低，比净功最小。综合考虑热力学性能、安全性及环保性，选择R245fa为实际工程的循环工质。

2）针对高调水进/出口温度为130 ℃/115 ℃的工艺参数，采用R245fa作为循环工质，设计了工质蒸发温度105 ℃、冷凝温度30 ℃、过热度10 ℃为基本运行参数的高调水ORC发电系统，系统的设计循环热效率为10.77%，净输出功为224 kW。实际运行表明：本文设计并建设的高调水ORC发电机组整体运行情况稳定

3）对比了5种不同环境温度下机组的运行性能。随着环境温度的升高，机组循环热效率和净输出功随之降低；在冬季环境温度为5.4 ℃时，机组循环热效率达到10.78%，净输出功为221.40 kW，达到了设计值；而夏季环境稳定为30.3 ℃时，机组的循环热效率为9.06%，净输出功仅有190.5 kW。