低品位熱源驅動朗肯循環和卡琳娜循環的性能對比

徐曉虹

（1.南京蘇楊生物科技有限公司，江蘇 南京 210038；2.上海道發能源科技有限公司，上海 202150）

大量低品位和低等級的廢熱在大型的石化廠運營中被產生，不僅造成環境污染，而且造成了能量的浪費。熱能回收和功率回收（將廢熱轉化為電能或再利用電力）是目前回收低等級余熱的主要手段。余熱發電是中低溫熱源余熱利用的有效手段，余熱發電循環根據流程不同，工質不同，可以分為3種類型：水蒸汽朗肯循環（Steam Rankine Cycle，SRC），有機工質朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC），卡琳娜循環（Kalina Cycle）[1]。對低品位熱源高效熱能利用的研究，對解決能源危機和環境保護具有重要的現實意義。本研究主要對煉油廠的低品位余熱進行有機朗肯循環和卡林納循環模擬及性能分析。

1 計算模型

圖1是有機朗肯循環和Kalina循環的示意圖。循環流體和操作參數的選擇是影響朗肯循環系統性能的主要因素。作為對傳統蒸汽朗肯循環的改進，Kalina循環是具有氨和水的混合物的動力循環。通過使用氨水混合物在變溫條件下實現沸騰特性，廢熱源的復合曲線可以更好地與工作介質的復合曲線相匹配。Karina循環具有比水蒸氣朗肯循環更高的熱效率。Kalina循環比普通蒸汽朗肯循環更有效（恢復673.15～873.15 K的顯熱源，具有大的溫差）。當比較有機朗肯循環和Kalina循環的熱力學性質時，許多研究已將熱源分類為潛熱源和顯熱源。許多研究表明，Karina循環在殘余熱等級較高的情況下具有顯著優勢，但對于較低等級（低于473.15 K），當余熱特性不同時，不同的研究人員對這兩個循環的熱力學性能存在很大的爭議。

煉油廠的余熱資源很復雜：溫度范圍很寬，在某些情況下，潛熱和顯熱仍然存在。因此，有必要對再生廢熱源進行分類，并分析兩個動力循環的不同類型的余熱特性的熱效率和效率。

2 典型循環

2.1 有機朗肯循環

典型的有機朗肯循環包括預熱器、蒸發器、渦輪機、冷凝器和溶液泵。有機工作流體回收預熱器和蒸發器中低等級熱源提供的熱量，預熱器的出口溫度應為有機工作流體的泡點溫度。然后工作流體蒸汽在渦輪機中膨脹工作，渦輪機出口處于低溫低壓狀態，渦輪機出口廢氣由冷凝器冷凝并送至溶液泵[3]。

圖1 有機朗肯循環和卡琳娜循環原理

2.2 卡琳娜循環

卡琳娜循環包括預熱器、蒸發器、渦輪機、冷凝器和溶液泵。有機工作流體回收預熱器和蒸發器中低等級熱源提供的熱量，預熱器的出口溫度應為工作介質的泡點溫度，然后工作流體蒸汽在渦輪機中膨脹工作，渦輪機出口處于低溫和低壓狀態，渦輪機出口廢氣由冷凝器冷凝并送至溶液泵。

在這項工作中，AspenPlus軟件用于模擬朗肯循環的剩余熱循環和Kalina動力循環恢復過程。原則上，Kalina循環是朗肯循環的改進。改進主要體現在朗肯循環的循環過程中：將作為循環介質的水變成了混合物。有機朗肯循環能量損失的主要來源分為以下[4]：熱傳遞損失，動力損耗與物理損失及燃燒不充分能損；水蒸氣生成以后做功轉化電能過程中存在的蒸汽壓力損失與凝結熱損失，系統管道熱耗散損失、管道流動損失等；發電過程中的摩擦損失和機械損失。在有機朗肯循環和Karina循環的模擬計算中，廢熱鍋爐的熱損失最大。從模型?效率分析結果可知，在卡琳娜循環系統中，隨著氨液濃度的減小，循環中汽輪機的?損變大，?損失減小。綜合考慮以上情況，不難得出結論，氨液的濃度會與設備最小?損之間存在一個平衡。從模擬結果中還可以看出，熱換熱器是主要的?損失設備，并且是提高整個流程?效率的主要潛力優化對象。

3 結語

研究循環過程中工質的不同物理性質的變溫特性和循環熱過程的不可逆損失，對于有效利用低品位余熱能源，節能環保具有重要的現實意義。石油煉廠產生的低品位余熱資源分為顯熱源，復合熱源和潛熱源。在不同余熱的情況下，本研究通過AspenPlus軟件對有機朗肯循環和卡琳娜循環進行了建模，并對兩張模型進行了計算比較和分析。當剩余熱源是顯熱源時，卡琳娜循環系統優于有機朗肯循環的熱力學性能；當低品位熱源是潛熱源，或復合熱源（潛熱與顯熱相同時），有機朗肯循環系統熱力學性能優于卡琳娜循環系統。