中溫余熱熱源有機朗肯循環工質比較

張建亮

(濟南熱力集團有限公司，山東濟南250011)

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，能源消耗和環境問題已成為制約經濟高質量發展的重要因素。余熱回收利用已成為當前我國節能減排研究的重要方向，利用形式也呈多樣化發展。從我國能源結構來看，70%左右的能源消耗在工業生產中，而其中60%～65%轉變成了不同載體、不同溫度的余熱資源[1]。回收和利用工業生產過程中產生的中低溫余熱(溫度350～650 ℃的為中溫余熱，溫度在350 ℃以下的為低溫余熱)，不僅有助于緩解我國能源短缺，還能有效解決工業生產造成的環境污染，具有重要的現實意義。有機朗肯循環(ORC)發電技術對熱源溫度具有廣泛的適應性，在中低溫余熱回收中受到廣泛重視[2]。

有機朗肯循環發電技術中通常將平準化電力成本(Levelized Electricity Cost，LEC)作為衡量循環經濟性的依據[3-6]。本文以某企業玻璃生產線煙氣利用為背景，在建立平準化電力成本計算模型的基礎上，考察7種工質(2-甲基丁烷、一氟二氯乙烷、丙酮、正庚烷、苯、辛烷、甲苯)亞臨界循環、超臨界循環熱效率、平準化電力成本，考慮工質的環保及安全性，評價工質對中溫余熱熱源有機朗肯循環的適用性。

2 平準化電力成本模型與計算條件

2.1 平準化電力成本模型

選取有機朗肯循環的4個基本部件(工質泵、蒸發器、冷凝器、膨脹機)作為計算平準化電力成本的基本要素，忽略其他部件的影響。

以2018年美元為基準的平準化電力成本CLEC的計算式為[7]：

式中CLEC——以2018年美元為基準的平準化電力成本，美元/(kW·h)

βrf——等額償還銀行貸款時投資回收因子

F2018——以2018年美元為基準的設備購置費，美元

βom——運行維護成本比例，取0.015

Pnet——系統凈輸出功率，kW

ty——系統年運行時間，h，取8 000 h

i——利率，取0.005

t——系統使用壽命，a，取20 a

F1996——以1996年美元為基準的設備購置費，美元

β2018——以2018年美元為基準的化工廠成本指數，取603.1

β1996——以1996年美元為基準的化工廠成本指數，取382.0

以1996年美元為基準的設備購置費包括工質泵、冷凝器、蒸發器、膨脹機的購置費用，計算方法見文獻[8]。用于計算工質泵、冷凝器、蒸發器、膨脹機的購置費用的工質泵耗電功率、膨脹機輸出功率、冷凝器換熱面積、蒸發器換熱面積根據亞臨界循環、超臨界循環的熱力學模型、經濟模型[9]，由計算條件計算得到。有機朗肯循環的熱效率為系統凈輸出功率與工質在蒸發器中的吸熱功率之比。

2.2 計算條件

筆者選取7種工質進行分析，工質的特性參數見表1。2-甲基丁烷、正庚烷、辛烷屬于烷烴類，一氟二氯乙烷屬于鹵代烴類，苯、甲苯屬于苯類，丙酮屬于酮類。

表1 工質的特性參數

采用REFPROP軟件計算工質物性參數，并使用Excel構建有機朗肯循環熱力學模型、經濟模型、LEC模型。計算條件：熱源入口煙氣溫度為400 ℃，體積流量為76 600 m3/h，出口溫度為80 ℃。冷卻水的入口溫度和環境溫度均為20 ℃，環境壓力為0.1 MPa。冷凝溫度為30 ℃，冷凝器兩側的夾點溫差為5 ℃。膨脹機效率為70%，工質泵的效率為80%，換熱器(冷凝器、蒸發器)換熱效率為100%。亞臨界循環的蒸發器出口過熱度為5 ℃。

3 計算結果與分析

3.1 亞臨界循環

不同工質亞臨界循環的熱效率、平準化電力成本隨蒸發溫度的變化分別見圖1、2。由圖1可知，7種工質亞臨界循環的熱效率均隨蒸發溫度的升高而增大，苯、甲苯亞臨界循環的熱效率比較高。由圖2可知，7種工質亞臨界循環的平準化電力成本均隨蒸發溫度的升高而減小，苯、甲苯亞臨界循環的平準化電力成本比較低。綜合考慮熱效率、平準化電力成本，在7種工質中，苯、甲苯亞臨界循環的綜合性能最優。

圖1 不同工質亞臨界循環的熱效率隨蒸發溫度的變化

圖2 不同工質亞臨界循環的平準化電力成本隨蒸發溫度的變化

3.2 超臨界循環

對于超臨界循環，蒸發器出口無過熱度，并在兩種膨脹機入口壓力(5.5、6.0 MPa)下進行分析。不同工質超臨界循環在兩種膨脹機入口壓力下的熱效率隨膨脹機入口溫度(允許范圍)的變化分別見圖3、4。由圖3、4可知，膨脹機入口溫度一定的條件下，兩種膨脹機入口壓力下各種工質超臨界循環的熱效率整體上接近。苯、甲苯超臨界循環的膨脹機入口溫度允許范圍比較窄，但熱效率比較高。除正庚烷、辛烷外，其他工質超臨界循環的熱效率基本隨膨脹機入口溫度的升高而增大，而庚烷、辛烷超臨界循環有減小的趨勢。

圖3 不同工質超臨界循環在膨脹機入口壓力5.5 MPa下熱效率隨膨脹機入口溫度的變化

圖4 不同工質超臨界循環在膨脹機入口壓力6.0 MPa下熱效率隨膨脹機入口溫度的變化

不同工質超臨界循環在兩種膨脹機入口壓力下的平準化電力成本隨膨脹機入口溫度的變化分別見圖5、6。由圖5、6可知，各種工質超臨界循環的平準化電力成本均隨膨脹機入口溫度的升高而減小。在膨脹機允許入口溫度內，苯、甲苯超臨界循環的平準化電力成本比較低。

膨脹機入口溫度一定的前提下，膨脹機入口壓力5.5 MPa下各種工質超臨界循環的平準化電力成本均低于膨脹機入口壓力6.0 MPa條件。因此，膨脹機入口壓力5.5 MPa條件下的超臨界循環綜合性能更優。

圖5 不同工質超臨界循環在膨脹機入口壓力5.5 MPa下平準化電力成本隨膨脹機入口溫度的變化

圖6 不同工質超臨界循環在膨脹機入口壓力6.0 MPa下平準化電力成本隨膨脹機入口溫度的變化

4 環保及安全性評價

在工程應用中，工質的環保性和安全性也是重要的指標。現階段，適用于有機朗肯循環的工質一般遵循以下原則：全球變暖潛能值(GWP)小于5 000，臭氧消耗潛值(ODP)約為0，毒性小且不可燃。7種工質的GWP、ODP、安全指標見表2，工質的安全指標分類見表3。

由表2、3可知，苯、甲苯雖然毒性低，但可燃性較高，工程應用中存在較大風險，對管道、設備的密封提出更高要求。雖然2-甲基丁烷目前已應用在冰箱、空調等家電上，但鑒于其較高的可燃性，工程應用還有待探討。一氟二氯乙烷不僅環境友好，毒性低、不傳播火焰，而且綜合性能居中。因此，現階段一氟二氯乙烷適宜作為中溫熱源有機朗肯循環工質。

表2 工質的GWP、ODP、安全指標

表3 工質的安全指標分類

5 結論

① 7種工質亞臨界循環的熱效率均隨蒸發溫度升高而增大，平準化電力成本均隨蒸發溫度升高而減小。

② 7種工質超臨界循環達到的最大熱效率均高于亞臨界循環，平準化電力成本均低于亞臨界循環。膨脹機入口壓力為5.5 MPa條件下超臨界循環綜合性能優于入口壓力6.0 MPa。

③ 無論亞臨界循環，還是超臨界循環，苯、甲苯均在熱效率和平準化電力成本方面表現出最佳的綜合性能，一氟二氯乙烷的綜合性能居中。

④ 苯、甲苯雖然毒性低，但可燃性較高，工程應用中存在較大風險，對管道、設備的密封提出更高要求。一氟二氯乙烷不僅環境友好，而且毒性低、不傳播火焰，現階段適合作為中溫余熱熱源有機朗肯循環工質。