不同LNG蒸发压力下的ORC系统结构分析与优化

许福泉

（福建省锅炉压力容器检验研究院，福建福州 350008）

1 引言

能源是国家发展的重要基础，能源的开发和使用效率是衡量社会文明的重要经济指标。国内工业耗能占全国能源消耗的70%，同时这部分耗能中，超过50%的能量是以不可利用的废热形式直接排放到大气中，对周边环境产生严重的热污染[1]。同时国内对清洁能源的需要不断加大，对天然气的消费需求日益增长。LNG通常采用低温常压运输，在使用过程中采用传统方法进行液-汽转换，这会浪费约(830—860)×103kJ/t的冷量[2-4]。有机朗肯循环在热能与冷能回收利用方面具有较好的可行性和经济性，许多学者对其展开了广泛的研究[5-11]。

对有机朗肯循环的结构分析与工质选择一直是该研究领域的热点问题之一。Chao[12]比较了R123、R114和R600等11种工质，研究了不同蒸发温度、冷凝温度对系统性能的影响。以系统净输出功为评价指标，指出R600适合用于回收60℃-150℃的低温热能。王弢[13]以㶲效率为评价指标，分析不同冷凝温度对以LNG为冷源的有机朗肯循环的影响，指出propane表现出最佳的㶲效率和净输出功，是该系统理想工质。

Imran[14]等以地热能为低温热源分别构建简单ORC、完全回热ORC和抽气回热式ORC发电系统。研究结果表明采用完全回热式结构可显著提高ORC的㶲效率，但不利于整体结构的经济性。而采用抽气回热结构虽然会降低系统的输出功，但对降低冷凝器设备的负荷有益。Wang[15]等和Song[16]等分别以地热能、太阳能为低温热源和LNG为冷源，选用二氧化碳为工作流体，构建了超临界ORC系统，指出存在一个最佳蒸发压力，使系统获得最佳的㶲效率。

Hongtan等[17]用R-K-S状态方程计算和分析了LNG冷量㶲的构成，发现其主要由压力㶲与温度㶲组成。指出以LNG为冷源的ORC发电系统中，提高蒸发压力会使温度㶲减少，压力㶲上升，无法对冷量㶲的利用产生积极作用。

通过对以上的学者的研究发现，其针对的是单方面的低品位余热或者LNG冷能ORC的工质筛选研究，而联合低品位余热与LNG冷能的ORC工质筛选的研究还暂为缺乏。同时，对LNG蒸发压力对ORC系统的性能影响分析较少。因此，本文通过构建多种ORC结构，并依据工质的热物性、环保性以及安全性等，从refprop软件中筛选出8种适合于该运行工况下的有机工质，详细分析LNG蒸发压力对系统的热力性能和工质筛选方面的影响。最后，采用优化算法获得最适合低温热能与LNG冷能发电系统的结构与工质。

2 系统简介与工质筛选

2.1系统简介

以某低温余热联合冷能发电厂为例。该厂的有机朗肯循环系统的LNG冷源的温度为-162℃，低温余热源温度为100℃。由于该温度区间跨越了环境温度，通过构建传统的有机朗肯循环会造成低温余热与LNG冷能的双重浪费，难以提高冷能的利用率[18]。故建立以下五个有机朗肯循环结构，以提高低温热能与LNG冷能的利用效率。ORC系统图以及T-s图，如图1～5所示。

图1 简单有机朗肯循环系统与T-s图

图2 回热有机朗肯循环系统与T-s图

图3 再热有机朗肯循环系统与T-s图

图4 回热-再热有机朗肯循环系统与T-s图

图5 双级并联有机朗肯循环系统与T-s图

2.2 工质选取

对系统的热力性能而言，循环工质的热物性影响巨大，但在实际生产中，难以找到各项性能都能完全满足上述所有条件的工质。故在ORC系统的初期研究中，应结合实际生产情况，对热物性表现较好的工质重点研究，并选取最佳的运行工质。本文对REFPROP9.0物性软件中的82种纯有机工质进行初步筛选，方法如下：

（1）去除12种含氯工质。由于含氯有机物对臭氧层具有破坏性，余70种。

（2）去除26种三相点温度太高的工质。由于本文是以LNG为冷源，循环的冷凝温度为-85～-45℃，故循环工质的三相点温度应不高于-85℃，故移除26种三相点温度高于-85℃的有机工质，余下44种。

（3）去除12种在该系统运行工况会产生物性改变的工质，余32种。

（4）去除9种极度易燃易爆、有剧烈毒性或本身毒性较低但是受热会分解为剧烈毒性的工质，余23种。

（5）去除5种不饱和碳氢化合物，由于这类工质受热工质物性不稳定，且达到一定浓度易爆炸，余18种。

（6）去除5种温室效应指数（GWP）大于8500的工质，由于该类物质对全球变暖影响巨大，余13种。

（7）去除5种在非常用制冷剂工质，由于该类物质在现今的生产中较少出现，余8种。

在这8种工质中，butane、isobutane和propane为饱和碳水化合物；R134a、R152a、R227ea、R245fa和R1234ze为不含氯的卤代烃，即HFC制冷剂工质。候选工质的物性参数如表1所示：

表1 候选工质的物性参数

3 系统热力性能计算

由于实际ORC发电系统异常复杂，为简化分析过程，本文的系统模型假定如下：系统处于稳定状态；忽略蒸发器、冷凝器以及管道中的压降；忽略系统各热力设备与环境热交换；冷凝器出口的液体工质为饱和状态；LNG成分为纯甲烷。以某联合循环发电厂为例，有机朗肯循环的主要计算参数如表2所示。

表2 低温热能与冷能ORC发电系统的计算条件

3.1 有机朗肯循环数学模型

由于构成低品位热能-LNG冷能联合发电系统的各个部件模型相同，因此以回热再热式有机朗肯循环为例，各个部件的数学模型如下：

（1）循环泵加压过程耗功：

循环泵不可逆损失为：

（2）回热器回热度为：

回热器不可逆损失为：

（3）预热器释放冷量为：

预热器不可逆损失为：

（4）余热锅炉加热过程换热量为：

余热锅炉不可逆损失为：

（5）汽轮机I对外输出功：

汽轮机I的不可逆损失为：

（6）再热器再热压力比为：

再热器换热量为：

再热器不可逆损失为：

（7）汽轮机II对外输出功：

汽轮机II的不可逆损失为：

（8）冷凝器冷却过程换热量：

冷凝器中不可逆损失为：

（9）升压泵耗功为：

升压泵不可逆损失为：

（10）换热器释放冷量为：

预热器不可逆损失：

3.2 有机朗肯循环系统效率

有机朗肯循环的㶲效率可定义为离开系统的㶲值之和输入系统的㶲值之和，即：

式中：Fl为循环工质流量；Fg为热源流量；Fhe为再热器热源流量；FLNG为LNG流量；各热力参数下标数字对应回热再热式有机朗肯循环的各个状态点。

4 计算结果与分析

4.1 不同LNG蒸发温度下的系统㶲效率影响分析

通过对上述模型进行数值模拟分析，其关键参数对系统性能的影响如下所示。同时为便于分析，双级有机朗肯循环中的循环I与循环II采用相同的工质，而不同工质组合对双级有机朗肯循环的性能影响将优化分析中展开。

图6为LNG不同蒸发压力对系统㶲效率的影响曲线。由图可知，五种结构的的㶲效率均随LNG蒸发压力变化呈现先上升后下降的趋势，存在一个最佳的LNG蒸发压力使系统的㶲效率最佳。这是由于在LNG蒸发压力较低时，提高蒸发压力可以有效地提高工质在冷源中的平均吸热温度，从而减少系统在冷凝器中的不可逆损失，系统㶲效率上升。当蒸发压力到达某一值时，由于LNG在冷凝器中的低温吸热段减少，从而使工质在冷凝器中的平均吸热温度开始降低，不可逆损失开始增大，系统㶲效率减少。

图6 不同蒸发压力对系统㶲效率的影响：（a）简单ORC（b）回热ORC（c）再热ORC（d）回热-再热ORC（e）双级并联ORC

同时将回热ORC、再热ORC、回热-再热ORC和双级并联ORC所能达到的最佳㶲效率与简单ORC进行对比，其分别提高3.09%、1.24%、4.43%和4.07%。和简单有机朗肯循环相比，其他有机朗肯循环系统主要提高了两个方面的热力性能，一方面是回收了汽轮机乏汽出口的热量，降低了工质与冷源的换热温差，减少了冷凝器的不可逆损失。另一方面是扩大了LNG冷能的温度利用区间，使低温冷能得到更加充分的利用。

4.2 有机朗肯循环㶲损失构成分析

图7为LNG蒸发压力为2Mpa，回热度为0.1，再热压力比为0.3，蒸发温度为60℃，汽轮机入口温度为85℃，冷凝温度为-75℃下的五种不同系统的㶲损失分布和㶲输出比例。

图7 以butane为循环工质的有机朗肯循环㶲损失分布与㶲输出比例

从图中可以看出，在冷凝器中，发生了超过40%的不可逆损失，这是由于汽轮机出口乏汽的温度与LNG冷源温度之间存在巨大的传热温差，而在传热过程中，换热流体的温差越大，则换热过程中产生的不可逆损失越大。在预热器部件中，由于采用海水进行循环工质的预热，这部分的冷量无法有效利用，故系统在预热器中的不可逆损失较大。同时在图7中，系统在汽轮机中的不可逆损失仅次于冷凝器。这是由于汽轮机内部的机械损失是造成该部件不可逆损失的主要原因，而工质的运行工况对汽轮机不可逆损失产生的影响较少。

4.3 有机朗肯循环性能优化

有机朗肯循环发电系统的关键影响参数较多，相互之间的影响错综复杂，其中某一参数产生变化时，对其他参数的最优取值也有重大影响。因此，采用粒子群算法，以系统㶲效率为优化目标，对低温热能与LNG冷能联合发电系统的主要影响参数进行优化分析。

粒子群算法是模拟鸟类觅食的一种智能算法，以㶲效率为目标函数，对上述种ORC，进行参数优化。粒子群算法的参数设置如下：粒子数为25，学习因子为2.1，迭代次数为500，最小可容许误差为10-9，结果无变化终止次数为200，最低冷凝压力为0.005Mpa，最低汽轮机出口乏汽干度为0.88。

从图8（a）中可知，采用回热结构与再热结构后，八种工质的㶲效率均有显著的提升，且相对于其他工质，湿工质propane具有最高㶲效率。同时对比图6发现，优化结果与LNG蒸发压力变化对㶲效率的影响曲线中获得的最佳循环工质不一致，propane的㶲效率反而最高。这是由于在优化过程中为了防止工质在冷凝器中的冷凝压力过低，设定系统最低冷凝压力为0.005Mpa，因此工质在结构中所能达到的最低冷凝温度也各不相同。由于propane在冷凝压力为0.005Mpa时，系统最低冷凝温度可以分别为-93℃，而冷凝温度对系统的㶲效率影响显著，因此，具有最低冷凝温度的propane工质的㶲效率最高。

图8 不同蒸发压力对系统最优㶲效率：（a）单级ORC（b）双级并联ORC

图8（b）中，分别以propane和R152a作为循环I和循环II的运行工质时，双级并联ORC的㶲效率最大，最佳㶲效率为38 %。同时在图8（a）中，以propane为循环工质的回热-再热有机朗肯循环的最佳㶲效率为39.93%。通过优化结果的对比，表明以Propane为循环工质的回热-再热式ORC是低温热能与LNG冷能联合发电系统的最佳循环结构。

5 结论

本文以综合利用低温余热与LNG冷能为目的，构建多个有机朗肯循环系统，并对进行系统工质的选择与结构分析，研究主要结论如下：

（1）建立低温余热与LNG冷能联合发电系统有机工质筛选的初步原则，并采用该方法筛选出八种工质（Butane、Isobutane、Propane；R134a、R152a、R227ea、R245fa和R1234ze）作为低温余热与LNG冷能联合发电系统的循环工质。

（2）分析不同LNG蒸发温度对系统㶲效率的影响。发现存在一个最佳LNG蒸发温度，使系统获得最佳㶲效率。

（3）分析五种有机朗肯循环的㶲损失构成。发现冷凝器是系统不可逆损失的主要发生部件，采用合理的方式降低这部分由于传热温差过大引起的不可逆损失是提高系统㶲效率的关键。

（4）采用粒子群算法，通过对不同的ORC系统进行优化计算，确定不同工质的最佳㶲效率，及其对应的系统性能参数，并选取最佳工质。指出，以Propane为循环工质时，回热-再热式ORC系统获得39.93%的最佳㶲效率，是低温热能-LNG冷能联合发电系统的理想结构。

符号说明

e —— 比㶲，kJ/kg

E —— 㶲，kW

F —— 质量流量，kg/s

h —— 比焓，kJ/kg

I —— 不可逆损失，kW

P —— 功率，kW

Q —— 换热量，kW

α —— 回热度

β —— 再热压力比

ηex —— 㶲效率

下角标

1,2,3…17 —— 状态点

pp —— 循环泵

reg —— 回热器

he —— 预热器

SG —— 余热锅炉

tur —— 汽轮机