低溫余熱回收的有機朗肯循環模擬與優化

胡國華，李越，陳瑩，張藜藜

（中海油石化工程有限公司，山東濟南250101）

隨著煉化企業的大型化，可回收的低溫余熱越來越多，低溫余熱（90～120°C的熱量）的利用水平對全廠的節能降耗起著越來越大的作用[1~3]。通常，煉化企業低溫熱主要來自常壓、催化裂化、延遲焦化、制氫、加氫裂化和重整等工藝裝置，煉油廠低溫余熱分布廣，溫位不高，回收較為困難，煉油廠和化工廠多年來一直受到能源消耗問題的困擾，尤其是工藝設備中的低溫熱量被浪費。一般情況下會通過空氣冷卻器進行冷卻，或者通過循環水進行去除，這會浪費很多資源。利用工作液的能源，也是一種對能源浪費，使公共工程（水電）消耗的增加，直接影響企業的效率。低溫余熱的利用是煉化企業等高耗能行業節能降耗行之有效的途徑和方法[4，5]。根據煉化企業熱源產生與熱阱利用的特點，低溫余熱資源主要包括工藝物流、凝結水、乏汽、鍋爐和加熱爐煙氣等，目前絕大部分110~200℃的余熱已被利用，剩下的低溫位余熱未得到充分利用。

有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）以低沸點有機物作為循環工質，將中低熱能吸收成高溫高壓蒸汽，在膨脹設備中膨脹工作，將熱能轉化為機械能，實現能源質量的提高[6~8]。與采用水為工質的水蒸汽朗肯循環相比，有機朗肯循環具有輔助系統少、結構簡單、在同等壓力下的蒸發溫度低、回收余熱熱量多、透平輸出功率大、降低排氣溫度等優點。

ORC余熱發電技術基于有機朗肯循環原理，以工業低溫余熱為驅動熱源，以優質電能為產品技術[9]。ORC低溫發電技術不同于眾所周知的以水為循環工質的發電技術[10]。該技術使用的工質為沸點較低的有機物，如氟利昂、異丁烷（R600a）、烴類化合物等，可在較低溫度下氣化成高壓蒸汽，高溫蒸汽和高壓用于驅動膨脹機。因此，有機蘭金動力循環技術可以利用低品位工業廢熱作為煙氣和廢水、蒸汽等動力熱源，輸出機械功。

本文重點以工藝裝置回收的凝結水為熱源，進行有機朗肯循環系統模擬研究。

1 ORC余熱發電系統

1.1 系統介紹

ORC余熱發電系統主要包括蒸發器、透平機、冷凝器、工質泵四個部件，該系統的操作與傳統的蒸汽循環非常相似。有機工質依次經歷五個階段，即工質泵從5到6絕熱升壓的過程和蒸發器中恒壓吸熱的過程。從6到3、從3到4在膨脹機中絕熱膨脹的過程，從4到5是在冷凝器中恒壓冷凝的過程。其工作流程如圖1所示，有機工質經過泵加壓后被送入蒸發器中，由余熱源加熱，汽化形成高壓蒸汽，進入汽輪機膨脹做功。汽輪機帶動發電機發電，汽輪機產生的低壓蒸汽進入凝汽器，被冷凝介質冷凝后，又被泵加壓送入蒸發器中，如此循環往復，實現將熱轉化成有用功。

圖1 ORC余熱發電系統循環

1.2 工質選擇

作為ORC的能量載體，有機工質的選擇和運行工況對于ORC的實現具有至關重要的影響，在很大程度上影響和決定著ORC系統的性能。合適的工質能使系統效率更高、工作更穩定，且成本較低。

理想的ORC系統工質應該具備以下特征：

1）臨界流體溫度必須高于最大循環溫度，以避免跨臨界循環可能引起的許多問題。因此，更高溫度的熱源需要高臨界溫度的工質；因為冷凝溫度受環境溫度的限制。調節范圍是有限的，所以工作流體的臨界溫度不能太低，否則冷凝壓力太高或不能冷凝。

2）流體壓力水平適宜，最高循環溫度對應的飽和壓力不宜過高。壓力過大會造成機械壓力問題，增加不必要的設備成本；循環中的最小飽和壓力不能太低。最好保持正壓，防止外界空氣滲入影響循環性能。

3）過程流體的三相點必須低于最低流體溫度，以確保流體在循環的任何部分都不會凝固而造成堵塞甚至損壞。

4）工質在T-s圖中飽和蒸汽線上ds/dT應接近0或大于0，即所選工質為干流體或等熵流體，防止膨脹進入濕蒸汽區。

5）臨界溫度和壓力低，比熱低，粘度和表面張力低，汽化潛熱高，熱導率高，熱穩定性好。

6）為使工作環境不因操作不當或腐蝕性泄漏而對人體或設備產生有害影響，需選擇無毒或低毒、不易燃、不易爆的工作環境，并與設備材料和潤滑劑具有良好的相容性。

7）良好的環境友好性。

8）價格便宜，且易于獲得。

在實際應用場合，需要根據熱源的具體情況，綜合考慮以上各種因素，進行適當取舍，以選擇合適的工質。

本文研究模擬采用國際通用的有機工質R245fa，屬于HFC類，它安全可靠、無毒不易燃，物理化學特性穩定。R245fa具有優異的傳熱特性與較低的壓降特性，這個特性能減小換熱器尺寸及降低液體泵的功耗，設備成本低；R245fa不可燃，設備安全，安全防護成本低；R245fa熱穩定性好，可達到260℃，適應熱源范圍廣泛；R245fa朗肯循環效率高，回收周期短；R245fa材料兼容性好，有多種密封材料可使用。因此R245fa是現階段ORC發電系統的優選工質。

2 工藝模擬

目前，行業內通用的工藝流程模擬軟件有Aspen Plus和Hysys、PRO/II、DESIGNII、ChemCAD等，本研究采用Hysys進行工藝模擬。首先定義物性包數據后，進行模型搭建，模型搭建完成并輸入基本的設備參數后即可，模型會顯示藍色，如圖2所示，之后即可進行不同工況下的模擬。

圖2 ORC余熱發電系統模擬模型

在同樣的熱源流量條件下，我們分別在固定熱源溫度和冷源溫度的條件下，取用不同的冷源和熱源溫度分別進行了發電量和余熱利用率（扣除工質泵耗電）的模擬計算，采集數據結果，得到圖3和圖4所示的曲線圖。

圖3 不同冷源溫度下發電量及余熱利用率曲線

圖4 不同熱源溫度下發電量及余熱利用率曲線

從圖3和圖4可以看出：冷源溫度越低，熱源溫度越高，余熱利用率越高，發電量越大。這與熱力學原理不相違背，初參數（過熱蒸汽壓力，溫度）提高，其他條件不變，熱效率將提高，反之，則下降；終參數（排汽壓力）下降，初參數不變，則熱效率提高，反之，則下降。

在此基礎上，利用MATLAB&Refprop9.1軟件進行模擬，在不同環境溫度下，從系統的熱效率和凈功量熱力性能方面，對R245fa和異丁烷兩種循環工質進行對比分析，分別得到圖5和圖6所示的曲線圖。

圖5 不同環境溫度下系統熱效率熱力性能分析

圖6 不同環境溫度下系統凈功量熱力性能分析

根據圖5可以看出：隨著蒸發溫度的升高，R245fa和異丁烷兩種循環工質的系統熱效率均隨著增大。當環境溫度由5℃達到25℃的過程中，異丁烷循環工質的系統熱效率始終處于最高。而當接近于臨界溫度的蒸發壓力時，R245fa和異丁烷兩種循環工質的系統熱效率均有小幅度的下降趨勢，這表明R245fa和異丁烷兩種循環工質均具有最佳蒸發溫度相對應的最高系統熱效率。當環境溫度為5℃時，R245fa在蒸發溫度達到140℃時，其循環工質的系統熱效率為0.192%，異丁烷在蒸發溫度達到160℃時，其循環工質的系統熱效率為0.214%。當環境溫度為25℃時，R245fa在蒸發溫度達到140℃時，其循環工質的系統熱效率為0.163%，異丁烷在蒸發溫度達到160℃時，其循環工質的系統熱效率為0.185%。

根據圖6可以看出：隨著蒸發溫度的升高，R245fa和異丁烷兩種循環工質的系統凈功量均處于先增大后減小的趨勢。當環境溫度由5℃達到25℃的過程中，異丁烷循環工質的系統凈功量始終處于最高。而R245fa和異丁烷兩種循環工質的系統凈功量存在不同差值，這表明R245fa和異丁烷兩種循環工質均具有最佳蒸發溫度相對應的最高系統凈功量。當環境溫度為5℃時，R245fa在蒸發溫度達到140℃時，其循環工質的系統凈功量為36.1kJ/kg，異丁烷在蒸發溫度達到160℃時，其循環工質的系統凈功量為40.4kJ/kg。當環境溫度為25℃時，R245fa在蒸發溫度達到140℃時，其循環工質的系統凈功量為48.5kJ/kg，異丁烷在蒸發溫度達到160℃時，其循環工質的系統凈功量為51.6kJ/kg。

綜合上述分析，考慮系統的熱效率和凈功量熱力性能，在各個臨界溫度以下，異丁烷為最優循環工質。

3 結論與前瞻

提高熱源參數，降低冷源參數可有效地提升有機朗肯循環的熱效率。在石化行業，存在大量的熱源和熱阱，若能將他們匹配起來，將避免大量的能源浪費。現在石化領域的能源優化大多是從單一裝置進行優化，但由于每個裝置不同的溫位需求，導致有些裝置需要大量的冷源，有些裝置需要大量的熱源，若能從全廠乃至整個工業區的低溫余熱綜合利用的角度出發，采用低溫余熱發電的方式回收冷熱源的能量，將會在節省能量的基礎上節約循環水耗量并產生巨大的效益。