不同余热情况下有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能对比

王梦颖，冯霄，王彧斐



不同余热情况下有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能对比

王梦颖1，冯霄2，王彧斐3

（1中国石油大学（北京）新能源研究院，北京102249；2西安交通大学化学工程与技术学院，陕西西安 710049；3中国石油大学（北京）化学工程学院，重质油国家重点实验室，北京102249）

有机朗肯循环和卡琳娜循环都是发展前景广阔的低温余热动力利用技术，这两种技术在余热利用方面各有其优势和劣势。在炼厂中，余热资源分布广泛，针对不同余热热源选择合适的动力循环系统对能量的有效利用具有实际意义。热效率和㶲效率是评价动力循环系统的两个重要指标。通过将余热资源分成3类，即显热热源、复合热源和潜热热源，用Aspen Hysys软件对有机朗肯循环和卡琳娜循环进行流程模拟，考察了余热资源特性对有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能的影响。结果表明当余热为显热热源时，卡琳娜循环系统优于有机朗肯循环；当余热为复合热源且潜热与显热比=1或当余热为潜热热源时，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。

有机朗肯循环；卡琳娜循环；余热资源；能量性能；计算机模拟；回收；热力学性质

引 言

过程工业生产过程中，往往会产生大量低温余热，由于这些余热的温位较低，一般都通过空冷或水冷排弃到环境中，造成了能量的浪费。因此，从能量的品质上考虑，如何合理回收利用这些余热，具有十分深远的意义。而动力循环是余热的一种回收方式，其中，有机朗肯循环和卡琳娜循环是两种可以将热转换成机械能的动力循环技术[1]，在余热回收动力循环方面得到了广泛的研究和应用[2]。

有机朗肯循环是一种以低沸点有机物为工质的动力循环技术。在有机朗肯循环中，循环工质的选择和操作参数是影响系统性能的主要因素。循环工质可以是纯净的有机工质或者是混合物[3]。已有研究提出有机朗肯循环的不同结构，可以是亚临界或超临界有机朗肯循环，其压力级别可以是单级或多级[4]。

卡琳娜循环是一种以氨水混合物为工质的动力循环，是对传统蒸汽朗肯循环的一种改进[5]，由于氨水混合物在变温条件下实现沸腾的特点，使得余热热源的复合曲线能与工质的复合曲线更好地匹配，使其比水蒸气朗肯循环具有更高的热效率[6]。该技术首先由Kalina博士[7]提出。在众多的研究中，卡琳娜循环比普通的蒸汽朗肯循环产功更显著，并且在回收400～600℃的显热热源，温差变化较大的情况下，该技术比朗肯循环更有优势[8]。Mlcak[9]研究发现，利用温度为110℃左右的热源驱动卡琳娜循环效率高于传统的蒸汽朗肯循环30%～50%。但是由于影响朗肯循环的效率主要与选取的工质有关，因此，这两种动力循环的优劣并不是绝对的。在Thorin[10]的研究工作中，高温位（大约400℃）的废热在卡琳娜循环中产功量高于传统的朗肯循环，而在回收温度较低的余热热源时，卡琳娜循环并没有体现产功能力的优势；也有研究表明[11]卡琳娜循环在热源温度为108～122℃时效率高于有机朗肯循环3%；然而工质为异戊烷的有机朗肯循环在回收温度为175℃的余热时表现出较好的热效率和㶲效率[12]。

在对有机朗肯循环和卡琳娜循环的热力学性能进行比较时，众多研究将热源分为潜热热源和显热热源。

对于潜热热源，其温度可以看作定值。Victor等[3]研究表明在温度范围为100～250℃时，纯有机工质的有机朗肯循环的能量效率高于卡琳娜循环。

而在回收显热热源方面，Bombarda等[13]对回收柴油机废热的卡琳娜循环和亚临界有机朗肯循环进行了热力学比较，并发现卡琳娜循环比单级和双级有机朗肯循环产功分别高45%和25%。他们发现虽然卡琳娜循环可以获得相对较高的有用功，但是它需要非常高的压力才能获得更好的热力学性能。因此，与有机朗肯循环相比，卡琳娜循环系统11[5,9]（KCS11）在中等压力下回收低温地热资源时的整体性能更好[14]。Walraven等[15]对回收低温热源（100～150℃）的不同类型的有机朗肯循环和卡琳娜循环的性能进行了研究。研究发现跨临界和多级亚临界的有机朗肯循环的性能最优。然而也存在不一样的结果。Yari等[16]研究了三角形朗肯循环并将它与有机朗肯循环和卡琳娜循环进行了比较。当热源为120℃的热水时，优化后结果表明三角形朗肯循环的净输出功最高，而卡琳娜循环最低[16]。但是，该研究并没有分析有机朗肯循环和卡琳娜循环的性能与其他相关文献中的结果为何不同。

从以上研究可以发现，大部分研究表明卡琳娜循环在余热温位较高的情况下优势更显著[8]，而对于温位较低（低于200℃）的情况，且余热特性不同时，不同学者对这两种循环评价不一[3,9-12,15-17]。然而，炼油厂的废热资源复杂得多，主要是由于余热的温度范围广，在某些情况下，潜热和显热余热会同时出现。因此，本文考察了余热资源特性对有机朗肯循环和卡琳娜循环能量性能的影响。本文将炼油厂余热源分类成3种类型并分析了不同类型余热特性对有机朗肯循环和卡琳娜循环的热效率和㶲效率的影响。

1 热源的分类和循环过程建模

对于有机朗肯循环和卡琳娜循环过程进行能量性能分析的基础工作在于获取循环过程中各物流的物性参数，进而求得各物流的㶲。Aspen Hysys软件具有完善的物性数据库，而其中的Refprop物性方程适用于以氨水为工质的卡琳娜循环[10]。

1.1 热源的分类

余热的特性包括余热的热容流率、供应和目标温度、潜热显热比例。根据这些特点，余热资源可以分为3种类型，如图1所示。显热热源在放热过程中伴随着温度的变化。-曲线是一条斜线。潜热与显热比（）等于0。例如烟气、热水是这种类型的余热。复合热源是由一个近似等温相变过程和变温放热过程组合起来的热源。-曲线由一个斜线和一条水平线组合而成，大于0。蒸馏塔的全凝器中冷凝冷却的物流就是这样的一个例子。潜热源只有一个近似等温相变过程。-曲线是一条水平线，无穷大。蒸馏塔顶部分凝器中的物流放热热源就是一种潜热热源。

图2为考虑不同类型余热的冷热复合曲线，其中热物流为余热线，冷物流为动力循环工质。其冷热复合曲线之间所围成的面积基本显示了理想状况下热源和循环工质之间传热的㶲损失大小。通过改变循环工质的组成、流率和压力可以进一步调整冷复合曲线的斜率和拐点的位置，使其与热源更好地匹配，以减少传热过程的㶲损失。而热效率和㶲效率都与循环工质的组成、流率和压力有关。因此，在建立循环过程模型后，分析各因素对循环过程的影响并确定最优操作参数，然后针对不同类型的余热对有机朗肯循环和卡琳娜循环进行对比。

在确定最优操作参数过程中，假设存在一股进口温度为150℃热物流，当余热中存在显热时，该热物流可以被冷却到55℃，其热负荷为1000 kW，两个循环系统其余工况见表1。为了简化流程模拟和发掘循环系统的最大做功能力，对这两种循环过程进行以下假设：

（1）整个循环过程处于稳定状态；

（2）忽略各操作单元和管路中的热损失，忽略换热器进出口压降；

（3）循环工质在透平入口处为饱和气相；

（4）循环工质在溶液泵入口处为饱和液相。

表1 循环过程操作参数

1.2 有机朗肯循环建模

影响有机朗肯循环系统的热效率主要与工质的选择有关，而工质的余热回收能力随着热源条件的变化而变化。众多学者都对循环工质的筛选进行了大量的研究。Lakew等[19]指出热源的特性、温位和目标方程都会影响工质的筛选。而Yu等[20]在有机朗肯循环工质筛选中考虑了低温余热特性，并发现不同类型的余热资源呈现出不同的最佳工质的热力学标准。

在Aspen Hysys中对典型的有机朗肯循环建模如图3所示。该循环由预热器、蒸发器、透平、冷凝器、溶液泵组成。在Hysys中使用了加热器、冷却器、透平和泵模块。有机工质在预热器和蒸发器中回收热源供给的热量，因此预热器的出口温度应为工质的泡点温度，然后工质蒸汽在透平中膨胀做功，透平出口为低温低压状态，透平出口乏气通过冷凝器冷凝后送入溶液泵，完成一个循环（1→2→3→4→5→1）。

1.3 卡琳娜循环建模

本文中卡琳娜循环的模型是在Larsen等[18]研究的卡琳娜动力回收柴油机尾气余热装置基础上建立的。由于本文中使用的热源进口温度为150℃，较柴油机尾气余热进口温度较低，因此在模型中将分离器进口的回热器后加入回收余热的预热器。卡琳娜循环在Aspen Hysys中建模如图4所示。

余热热源经过蒸发器和一定浓度的卡琳娜循环工质氨水混合物换热，氨水混合物（11）经回热器3加热后达到泡点温度，在蒸发器中蒸发达到工作温度；氨水混合物蒸汽（2）在透平中膨胀做功，透平输出的低温低压乏气（3）在回热器2中与冷物流（13、14）换热，然后与闪蒸罐中流出的低浓度氨水混合物（20）混合，混合后的气液混合物被冷凝器冷却后被泵1加压，加压后的低浓度氨水混合物由分离器分为两部分，一部分低浓度氨水（8）在混合器2中与闪蒸罐塔顶高浓度气相氨水（17）混合；混合后的氨水混合物在冷凝器2中冷凝，然后在泵2中加压以及回热器3中加热后，完成一个动力子循环。由分离器塔底分离出的另一部分（18）经过回热器1、回热器2和预热器加热后进入闪蒸罐分离，分离后的高浓度气相氨水混合物（16）在回热器3中进行换热，然后与低浓度氨水（8）混合。闪蒸罐塔釜的低浓度的稀溶液（18）经回热器换热后，与透平出口乏气混合后冷凝形成基础溶液，完成另一个循环，循环中既有传热过程，又有传质分离过程。

由于卡琳娜循环中含有两个循环，为了让流程更易收敛，因此在模拟时需要将循环中的某处物流打断，以此为模型输入初值，在另一个循环中设置一个循环模块。在上述状态点（1）处打断物流，即回热器3出口物流（0-1）和蒸发器进口物流（1）是不连接的，在蒸发器的进口物流输入初值。所需输入的初值包括透平进口压力、工质质量流率、工质浓度和工质初始温度。对比模拟结果，如果回热器3出口物流（0-1）结果与蒸发器进口物流（1）输入值一致，说明模拟收敛、计算可靠。在整个流程中，假设如1.1节中所述。整个模型需要的用户输入项有：余热的温度、余热负荷、透平和泵的效率、透平出口压力、闪蒸罐的温度和压力。

有机朗肯循环和卡琳娜循环在Hysys建模中Properties设定具体见表2、表3。

表2 有机朗肯循环在Hysys建模中Properties设定

表3 卡琳娜循环在Hysys建模中Properties设定

由于冷却水为水，因此选取专门针对水的SteamNBS物性方法用于计算其相关物性。

与有机朗肯循环相比，卡琳娜循环的流程工艺更复杂，这是由于相对于有机工质，氨水在完全蒸发之前，存在着气态和液态两种状态，也就是说氨水的蒸发过程是变温过程。此外，循环中使用闪蒸罐实现了工质浓度的调节，降低了透平的压力和循环回热过程的平均温度。

1.4 评价指标

定义如下几个指标用于比较两个循环的能量性能和能量回收性能：

余热回收率

循环系统热效率

余热动力回收效率

余热㶲回收率

循环系统㶲效率

余热动力回收㶲效率

2 结果与讨论

2.1 显热热源的回收

2.1.1 有机朗肯循环 对于有机朗肯循环过程，当余热全为显热，余热入口温度为150℃，最佳工质选择R236fa这种临界温度低于余热入口温度的工质，其具有可接受的热效率和较有优势的余热回收量[20]。

图5为不同透平进口压力时，有机朗肯循环回收过程余热和有机工质R236fa的温焓图。循环工质进入溶液泵的温度设定为25℃，透平出口压力设定为270 kPa。从图中可以看出随着透平进口压力的降低，循环系统能够回收的热量增大，有机工质的沸程增大。但是，压力的降低也会导致循环系统效率降低。图6为对于操作条件下，不同压力下循环系统效率变化图。

从图6中可以看出有机朗肯循环系统余热回收效率随着透平进口压力的增加而降低，循环系统热效率随着压力的升高而增大。当透平进口压力设定为1800 kPa时，该系统具有较有优势的余热回收量和可接受的热效率。表4为图3中各物流对应的操作参数。

表4 有机朗肯循环各物流的状态参数

经过计算得到有机朗肯循环在显热热源下的余热回收率为100%，循环系统热效率为8.8%，余热动力回收效率为8.8%，余热㶲回收率为100%，循环系统㶲效率为43.9%，余热动力回收㶲效率为43.9%。

2.1.2 卡琳娜循环系统 影响该卡琳娜循环系统的操作参数主要是循环工质氨水的浓度和透平的进口压力，该循环系统的热效率在不同氨水浓度和透平的进口压力下见表5。

表5 在不同透平进口压力和氨水浓度时的卡琳娜循环热效率

注：—表示在该浓度和压力下，循环系统中透平进口有液相。

从表5中可以看出，该循环系统在透平进口压力为2000 kPa时，不同浓度的氨水在循环系统中的热效率都比较高，因此确定该循环系统中透平进口压力为2000 kPa。

图7是在透平进口压力为2000 kPa下，不同氨水浓度对卡琳娜系统热效率和㶲效率的影响。从图7中可以看出，随着氨水浓度的增加，系统的热效率和㶲效率均先减小后略微增加。由于热源进口温度为150℃，这就限制了透平进口物流的温度，也就限制了氨水的最低浓度。又由于冷却水温度的限制，使得冷凝器1可将氨水混合物最低可冷却至25℃，因而也限制了对应氨水混合物的最高浓度。由于当氨水浓度为0.84时，透平进口温度不能满足夹点限制，因而最终确定该系统氨水质量分数为0.85。表6为图4中各物流对应的操作参数。

经过计算得到卡琳娜循环在显热热源下的余热回收率为100%，循环系统热效率为10.8%，余热动力回收效率为10.8%，余热㶲回收率为100%，循环系统㶲效率为54.1%，余热动力回收㶲效率为54.1%。

2.2 潜热热源的回收

当热源全部为潜热时，有机朗肯循环工质选择临界温度低于余热进口温度25～35℃的工质具有较好的余热回收能力和可接受的热效率[19]。因此，有机朗肯循环工质可选R236fa，循环系统各参数与2.1节中有机朗肯循环参数相同。卡琳娜循环系统中氨水浓度和系统压力与2.1节中相同。

在余热为150℃的潜热热源下，经过计算得到有机朗肯循环的余热回收率为100.0%，循环系统热效率为13.0%，余热动力回收效率为13.0%，余热㶲回收率为100%，循环系统㶲效率为44.1%，余热动力回收㶲效率为44.1%。卡琳娜循环的余热回收率为100%，循环系统热效率为10.8%，余热动力回收效率为10.8%，余热㶲回收率为100%，循环系统㶲效率为36.6%，余热动力回收㶲效率为36.6%。从结果可以看出，当很大时，有机朗肯循环净发电量大于卡琳娜循环，有机朗肯循环余热动力回收效率和余热动力回收㶲效率均高于卡琳娜循环，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。

表6 卡琳娜循环各物流的状态参数

2.3 复合热源的回收

该复合热源的潜热与显热比例定为1，分别在2.1节中建立的有机朗肯循环和卡琳娜循环模型中进行余热回收模拟计算。其中，有机朗肯循环工质选择R601。因为在热源温度为150℃所对应的最小潜热比例为0.8[19]。当潜热比例超过该值时，有机工质选择热效率最大的工质。由于在回收复合热源时，有机工质发生了改变，因而有机朗肯循环系统中透平进口压力经模拟后设定为1330 kPa。卡琳娜循环系统中氨水浓度和系统压力参数与2.1节中相同。

经过计算得到当余热为复合热源且=1时有机朗肯循环的余热回收率为99.0%，循环系统热效率为10.2%，余热动力回收效率为10.1%，余热㶲回收率为99.6%，循环系统㶲效率为41.7%，余热动力回收㶲效率为41.5%。卡琳娜循环的余热回收率为92.5%，循环系统热效率为10.7%，余热动力回收效率为9.9%，余热㶲回收率为99.4%，循环系统㶲效率为41.5%，余热动力回收㶲效率为41.3%。因为有机朗肯循环余热动力回收效率和余热动力回收㶲效率均高于卡琳娜循环，有机朗肯循环净发电量大于卡琳娜循环，所以当=1时，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。

当向较小方向变动时，余热资源更趋于显热热源，则卡琳娜循环将逐渐优于有机朗肯循环。当向较大方向变动时，余热资源更趋于潜热热源，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。

2.4 讨论

表7为这两种循环在3种余热情况下的余热回收参数，从以上结果分析可以发现，当余热源为显热热源时，应选择卡琳娜循环系统；当余热源为潜热热源时，应选择有机朗肯循环。当余热源为复合热源时，潜热与显热比影响有机朗肯循环和卡琳娜循环两者的相对能量性能，当=1或更大时，余热动力回收系统应优先考虑有机朗肯循环；当很小时，余热动力回收系统应优先考虑卡琳娜循环。在0～1之间存在某一个转折点，当大于该值时，有机朗肯循环能量性能较好，当小于该值时，卡琳娜循环能量性能较好。该值与热源所处的温度、有机朗肯循环和卡琳娜循环的工质以及参数相关。

表7 不同余热源的余热回收情况对比

3 结 论

由于炼厂中低温余热比常规余热资源更加复杂。本文通过将余热资源分成3类，即显热热源、复合热源和潜热热源，并对有机朗肯循环和卡琳娜循环在不同余热情况下进行了对比分析，可得出如下结论：

（1）当余热源为显热热源时，卡琳娜循环系统优于有机朗肯循环；

（2）当余热源为潜热热源时，有机朗肯循环系统优于卡琳娜循环系统。

（3）当余热源为复合热源且潜热与显热比=1时，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。

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Comparison of energy performance of organic Rankine and Kalina cycles considering different waste heat sources

WANG Mengying1, FENG Xiao2, WANG Yufei3

(1New Energy Institute, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2School of Chemical Engineering & Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China; 3State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China)

Organic Rankine cycle (ORC) and Kalina cycle are both promising ways for low temperature waste heat utilization, and these two technologies have their own advantages and disadvantages on using waste heat. In refineries, there is considerable waste heat. It is significant to choose a proper cycle system considering different waste heat sources for efficient utilization of energy. Thermal efficiency and exergy efficiency are two key parameters to evaluate energy performance of power cycle systems. In this paper, the waste heat sources are classified into three types (, sensible heat source, combined heat source and latent heat source). An organic Rankine cycle and a Kalina cycle for low waste heat recovery are simulated by Aspen Hysys considering the characteristics of waste heat sources. The results show that when the waste heat is sensible heat source, the energy performance of Kalina cycle is better than that of ORC, while when waste heat is combined heat source and the ratio of latent heat source and sensible heat source () is equal to 1 or when waste heat is latent heat source, the energy performance of ORC is better than that of Kalina cycle.

organic Rankine cycle; Kalina cycle; waste heat sources; energy performance; computer simulation; recovery; thermodynamic properties

date: 2016-08-30.

Prof. FENG Xiao, xfeng@xjtu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161209

TQ 021.8

A

0438—1157（2016）12—5089—09

国家自然科学基金项目（21576286）。

supported by the National Natural Science Foundation of China (21576286).

2016-08-30收到初稿，2016-09-02收到修改稿。

联系人：冯霄。第一作者：王梦颖（1992—），女，硕士研究生。