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低溫?zé)煔庥袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱力性能與經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析

 Moia藏經(jīng)閣 2017-10-29

韓中合,許鴻勝,范偉,趙若丞,王智

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071003)


摘要

以工業(yè)低溫?zé)煔庥酂嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,選取了兩組共4種工質(zhì),基于熱源參數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化,對(duì)4種工質(zhì)的熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近,但電力生產(chǎn)成本和投資回收期差別較大。同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異,在本文條件下,工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度約8~10℃。R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì),采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600,而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea,R600相比于R236ea具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

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我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富,回收利用低溫余熱具有巨大的發(fā)展空間,已成為推進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。有機(jī)朗肯循環(huán)(organic rankine cycle,簡(jiǎn)稱ORC)技術(shù)能夠直接利用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)吸收低品位熱能進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換,且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)效率高、環(huán)境友好和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此,利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前關(guān)于ORC的研究主要圍繞系統(tǒng)熱力性能分析、工質(zhì)選擇以及參數(shù)優(yōu)化等方面展開(kāi),研究表明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取對(duì)系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化至關(guān)重要。CHEN等從多方面對(duì)35種工質(zhì)進(jìn)行了研究,最終表明工質(zhì)的物性參數(shù)對(duì)循環(huán)性能有很大影響;MADHAWA等以系統(tǒng)總換熱面積和凈功量的比值作為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)對(duì)4種工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明工質(zhì)選擇對(duì)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的影響非常明顯;謝攀等基于熱力學(xué)第一定律對(duì)19種工質(zhì)進(jìn)行研究,結(jié)果表明不同熱源溫度段對(duì)應(yīng)的最佳工質(zhì)分別為R290、R600、CF_3I和R601,而R245fa和R134a在對(duì)應(yīng)溫度段的熱效率僅次于上述工質(zhì)。王志奇等以單位輸出功率所需換熱面積和熱回收率為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型對(duì)5種工質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,結(jié)果表明多目標(biāo)優(yōu)化可以協(xié)調(diào)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系以滿足實(shí)際工程需求;王華榮等以工業(yè)低溫余熱回收ORC系統(tǒng)為例,分析了4種工質(zhì)的凈輸出功、循環(huán)熱效率和換熱面積,得出己烷的經(jīng)濟(jì)性較好,而R601環(huán)境性能較好;李惟毅等以?效率和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)和作為評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果表明R113、R245ca的經(jīng)濟(jì)性能較好,R161具有較高的?效率,而從綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看R161具有較優(yōu)的性能。

在保證安全可靠性的前提下,適用于有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)不僅具有良好的系統(tǒng)熱力性能,而且還需較好的經(jīng)濟(jì)性以符合工程實(shí)際。然而,在同一熱源條件下,熱力性能良好的工質(zhì)不一定具有較好的經(jīng)濟(jì)性,同一工質(zhì)的最佳熱力性能工況與最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異。本文針對(duì)以低溫?zé)煔鉃闊嵩吹腛RC系統(tǒng),按臨界溫度選取兩組共4種工質(zhì),基于熱源參數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化,對(duì)4種工質(zhì)熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對(duì)比分析,為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究提供了參考。

1  模型和計(jì)算方法

1.1 熱力學(xué)模型

圖1  有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和循環(huán)原理圖

1.2  經(jīng)濟(jì)模型

2 計(jì)算條件及工質(zhì)選擇

表1  4種工質(zhì)的熱物性和環(huán)境特性參數(shù)

3  結(jié)果及分析

3.1  熱經(jīng)濟(jì)性分析

圖2  蒸發(fā)溫度隨吸熱量的變化

圖3  蒸發(fā)壓力隨吸熱量的變化

圖4  凈功量隨吸熱量的變化

圖5  熱耗率隨吸熱量的變化

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

圖6  電力生產(chǎn)成本隨吸熱量的變化

圖7  各工質(zhì)熱力系統(tǒng)的投資回收期

圖8  各設(shè)備投資成本占比

表2  各工質(zhì)系統(tǒng)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況


3.3  熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

圖9  工質(zhì)熱力系統(tǒng)綜合對(duì)比

4  結(jié)  論

(1)同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近,但電力生產(chǎn)成本和投資回收期的差別較大。

(2)同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異,在本文條件下,工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度8~10℃左右。

(3)R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì),采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600,而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea,相對(duì)于R236ea,R600具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2287

文章來(lái)源:《化工進(jìn)展》2017年第36卷第11期:4010-4016

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