废热回收发电的低温朗肯循环模拟与优化 | APP技术稿第2期

【本期由创举科技冠名播出，想了解更多点击】

随着能源的短缺以及环境的压力，提高工厂等地方的能量的利用效率具有重要的意义。一直以来为提高能源的利用效率，经常采用蒸汽朗肯循环对高温流体进行热量回收并且进行发电。特别是在燃烧等大量放热过程中，其燃烧后尾气具有大量的热值，为对其进行利用则经常结合蒸汽朗肯循环进行发电。

一般在工业生产中，将热源分为三种：

大于600℃的为高温热源；

大于300℃小于600℃的为一般热源；

小于300℃的为低温热源；

在蒸汽朗肯循环中，当其热源温度一般大于350℃才能保证其发电过程具有较高的热效率，具有一定的经济价值。因此，在生活生产中存在大量的低温废热无法被利用，而如何对其进行废热回收提高能量的利用效率具有重大的研究前景。

有机朗肯循环其朗肯循环的模型与蒸汽朗肯循环一致，但其主要的特点为采用有机溶剂作为工作介质来进行工作。由于有机物具有低沸点的性质，使得其更容易在蒸发器中蒸发汽化，对此可以将这些物质对低温余热进行回收发电。对于一般的有机溶剂的物性数据在化工专业软件Aspen Plus中具有详细的数值，因而采用Aspen Plus软件对有机朗肯循环进行模拟和优化不仅具有较高的准确性，而且通过模拟计算后对于进一步提高其过程的能量利用效率，具有重大的意义。

Fig.1有机朗肯循环工艺流程图

其废热发电的工艺流程图如图1所示，其主要设备包括蒸发器、透平、冷凝器以及泵设备。整个流程中以有机物质作为工作介质，工作介质首先通过泵加压到一定的压力，然后在蒸发器中进行蒸发利用废热，加热后的饱和蒸汽或者过热蒸汽进入膨胀机进行做功并传至发热装置进行发电。被减压膨胀后的疲气则进入冷凝器进行冷凝并变成饱和液体，然后再用泵加压至蒸发器实现整个循环。

在整个过程中，原理为利用低温废热进行废热发电，因此在评判整个有机朗肯循环的能量利用效率时通常以

为指标进行衡算。

本文以恒温230℃为废热源温度，对以热源能量为1MW下的朗肯循环的模拟与优化如下：

1.1工作介质的选择

对于有机朗肯循环的工作介质的选择主要从环保，安全等各个角度进行考虑。另外，为了提高整个过程的能效，通过选取与热源温度相近或者稍微偏小的临界温度的物质作为介质。并且对于工作介质，其可以分为湿物质，干物质以及等熵物质。

湿物质即该物质在透平减压过程中溶液出现液化现象，这对汽轮机具有很大的损伤。比如水即为湿物质，其液化现象也较为严重。因此一般的工作介质最好选择干物质，其不易在减压过程中进行液化，对汽轮机有保护作用。

其判断方式主要通过观察物质的T-S图，如图1所示。通过判断T-S图曲线右侧的斜率即可以进行判断。对此，本文以正己烷为介质，其临界温度为234.45℃，临界压力为30.25bar(该值来自于Aspen PlusV8.4)，因此本文的热力学方程采用P-R方程。

图2 流体性质判断

2朗肯循环的模拟与优化

1.2.1蒸发器压力的设置

已知朗肯循环的废热源温度为230℃，能量为1MW，因此需对蒸发器的压力进行设置，首先通过ASPEN得到己烷的饱和液体的P-T图，如下图3所示：

图3 正己烷的P-T图

从上图可以得到不同温度下，正己烷饱和蒸汽的压力，本次的温度热源为230℃，在假设换热器的传热温差为15℃的情况下，则取蒸发器的己烷出口温度为215℃，因此其对应的饱和压力约为4.5bar，并以此设计为蒸发器的压力。

2.2汽轮机出口压力的设置

汽轮机的出口压力的大小决定了汽轮机的做功的多少。一般来说，出口压力越低，其做功越多，但是随着压力的降低，其出口气体在冷凝过程中需要较低的冷量。在本文的冷凝过程中，采用冷凝水进口温度32℃，出口温度为40℃，因此为保证正常的换热，且温差大于115℃，则取冷凝时的出口温度为47℃，此时饱和压力约为0.49bar，因此以此作为汽轮机的出口压力。并且设置汽轮机的工作效率为0.65

2.3其他设备的设置

冷凝器的压力与汽轮机出口相同，出口为饱和液体。泵的加压压力为蒸发器的操作压力，并设置泵的效率为0.8.

3.     结果与分析

在经过一系列上述的分析后，采用Aspen PlusV8.4对该循环进行模拟。其模拟流程图如下图4所示：

图4 流程模拟图

为保证蒸发器压力为4.5bar，能耗为1MW时，工作介质的出口温度为215℃时，对其流量进行设置。本次采用设计规定对该流量进行计算，其设计规定的设计如下：

通过计算得到，整个循环介质的流量为5131.41kg/hr。整个流程中各个设备的设置如下：

最后通过计算得到的做功量已经泵的需要的功量可以计算出其热效率为：

4.总结与展望

本文主要对简单有机朗肯循环进行了介绍，使得读者对朗肯循环过程有了初步的理解。在文中以恒温热源为废热源对简单朗肯循环进行了模拟，并采用AspenPlusV8.4对模拟过程进行优化分析。对蒸发器、冷凝器、汽轮机以及泵的参数设置进行了介绍，采用设计规定对工作介质的流量进行了计算。

在后续的介绍中可以对恒温热源下，具有内部换热的复杂朗肯循环进行模拟研究以及过程优化。因为在恒温热源下无需考虑蒸发器的内部换热温差，而如果当热源为一般的变温热源时，由于在蒸发器内存在工作介质的恒温蒸发过程，因此如何设置蒸发器的工作压力将对废热回收具有重要的指导意义。

作者简介