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隨著能源的短缺以及環(huán)境的壓力，提高工廠等地方的能量的利用效率具有重要的意義。一直以來為提高能源的利用效率，經(jīng)常采用蒸汽朗肯循環(huán)對高溫流體進(jìn)行熱量回收并且進(jìn)行發(fā)電。特別是在燃燒等大量放熱過程中，其燃燒后尾氣具有大量的熱值，為對其進(jìn)行利用則經(jīng)常結(jié)合蒸汽朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。
一般在工業(yè)生產(chǎn)中，將熱源分為三種：
大于600℃的為高溫?zé)嵩矗?/span>
大于300℃小于600℃的為一般熱源；
小于300℃的為低溫?zé)嵩矗?/span>
在蒸汽朗肯循環(huán)中，當(dāng)其熱源溫度一般大于350℃才能保證其發(fā)電過程具有較高的熱效率，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。因此，在生活生產(chǎn)中存在大量的低溫廢熱無法被利用，而如何對其進(jìn)行廢熱回收提高能量的利用效率具有重大的研究前景。
有機(jī)朗肯循環(huán)其朗肯循環(huán)的模型與蒸汽朗肯循環(huán)一致，但其主要的特點為采用有機(jī)溶劑作為工作介質(zhì)來進(jìn)行工作。由于有機(jī)物具有低沸點的性質(zhì)，使得其更容易在蒸發(fā)器中蒸發(fā)汽化，對此可以將這些物質(zhì)對低溫余熱進(jìn)行回收發(fā)電。對于一般的有機(jī)溶劑的物性數(shù)據(jù)在化工專業(yè)軟件Aspen Plus中具有詳細(xì)的數(shù)值，因而采用Aspen Plus軟件對有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行模擬和優(yōu)化不僅具有較高的準(zhǔn)確性，而且通過模擬計算后對于進(jìn)一步提高其過程的能量利用效率，具有重大的意義。
Fig.1有機(jī)朗肯循環(huán)工藝流程圖
其廢熱發(fā)電的工藝流程圖如圖1所示，其主要設(shè)備包括蒸發(fā)器、透平、冷凝器以及泵設(shè)備。整個流程中以有機(jī)物質(zhì)作為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)首先通過泵加壓到一定的壓力，然后在蒸發(fā)器中進(jìn)行蒸發(fā)利用廢熱，加熱后的飽和蒸汽或者過熱蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行做功并傳至發(fā)熱裝置進(jìn)行發(fā)電。被減壓膨脹后的疲氣則進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝并變成飽和液體，然后再用泵加壓至蒸發(fā)器實現(xiàn)整個循環(huán)。
在整個過程中，原理為利用低溫廢熱進(jìn)行廢熱發(fā)電，因此在評判整個有機(jī)朗肯循環(huán)的能量利用效率時通常以
為指標(biāo)進(jìn)行衡算。
本文以恒溫230℃為廢熱源溫度，對以熱源能量為1MW下的朗肯循環(huán)的模擬與優(yōu)化如下：
1.1工作介質(zhì)的選擇
對于有機(jī)朗肯循環(huán)的工作介質(zhì)的選擇主要從環(huán)保，安全等各個角度進(jìn)行考慮。另外，為了提高整個過程的能效，通過選取與熱源溫度相近或者稍微偏小的臨界溫度的物質(zhì)作為介質(zhì)。并且對于工作介質(zhì)，其可以分為濕物質(zhì)，干物質(zhì)以及等熵物質(zhì)。
濕物質(zhì)即該物質(zhì)在透平減壓過程中溶液出現(xiàn)液化現(xiàn)象，這對汽輪機(jī)具有很大的損傷。比如水即為濕物質(zhì)，其液化現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。因此一般的工作介質(zhì)最好選擇干物質(zhì)，其不易在減壓過程中進(jìn)行液化，對汽輪機(jī)有保護(hù)作用。
其判斷方式主要通過觀察物質(zhì)的T-S圖，如圖1所示。通過判斷T-S圖曲線右側(cè)的斜率即可以進(jìn)行判斷。對此，本文以正己烷為介質(zhì)，其臨界溫度為234.45℃，臨界壓力為30.25bar(該值來自于Aspen PlusV8.4)，因此本文的熱力學(xué)方程采用P-R方程。
圖2 流體性質(zhì)判斷
2朗肯循環(huán)的模擬與優(yōu)化
1.2.1蒸發(fā)器壓力的設(shè)置
已知朗肯循環(huán)的廢熱源溫度為230℃，能量為1MW，因此需對蒸發(fā)器的壓力進(jìn)行設(shè)置，首先通過ASPEN得到己烷的飽和液體的P-T圖，如下圖3所示：
圖3 正己烷的P-T圖
從上圖可以得到不同溫度下，正己烷飽和蒸汽的壓力，本次的溫度熱源為230℃，在假設(shè)換熱器的傳熱溫差為15℃的情況下，則取蒸發(fā)器的己烷出口溫度為215℃，因此其對應(yīng)的飽和壓力約為4.5bar，并以此設(shè)計為蒸發(fā)器的壓力。
2.2汽輪機(jī)出口壓力的設(shè)置
汽輪機(jī)的出口壓力的大小決定了汽輪機(jī)的做功的多少。一般來說，出口壓力越低，其做功越多，但是隨著壓力的降低，其出口氣體在冷凝過程中需要較低的冷量。在本文的冷凝過程中，采用冷凝水進(jìn)口溫度32℃，出口溫度為40℃，因此為保證正常的換熱，且溫差大于115℃，則取冷凝時的出口溫度為47℃，此時飽和壓力約為0.49bar，因此以此作為汽輪機(jī)的出口壓力。并且設(shè)置汽輪機(jī)的工作效率為0.65
2.3其他設(shè)備的設(shè)置
冷凝器的壓力與汽輪機(jī)出口相同，出口為飽和液體。泵的加壓壓力為蒸發(fā)器的操作壓力，并設(shè)置泵的效率為0.8.
3. 結(jié)果與分析
在經(jīng)過一系列上述的分析后，采用Aspen PlusV8.4對該循環(huán)進(jìn)行模擬。其模擬流程圖如下圖4所示：
圖4 流程模擬圖
為保證蒸發(fā)器壓力為4.5bar，能耗為1MW時，工作介質(zhì)的出口溫度為215℃時，對其流量進(jìn)行設(shè)置。本次采用設(shè)計規(guī)定對該流量進(jìn)行計算，其設(shè)計規(guī)定的設(shè)計如下：
通過計算得到，整個循環(huán)介質(zhì)的流量為5131.41kg/hr。整個流程中各個設(shè)備的設(shè)置如下：
最后通過計算得到的做功量已經(jīng)泵的需要的功量可以計算出其熱效率為：
4.總結(jié)與展望
本文主要對簡單有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了介紹，使得讀者對朗肯循環(huán)過程有了初步的理解。在文中以恒溫?zé)嵩礊閺U熱源對簡單朗肯循環(huán)進(jìn)行了模擬，并采用AspenPlusV8.4對模擬過程進(jìn)行優(yōu)化分析。對蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪機(jī)以及泵的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了介紹，采用設(shè)計規(guī)定對工作介質(zhì)的流量進(jìn)行了計算。
在后續(xù)的介紹中可以對恒溫?zé)嵩聪?，具有?nèi)部換熱的復(fù)雜朗肯循環(huán)進(jìn)行模擬研究以及過程優(yōu)化。因為在恒溫?zé)嵩聪聼o需考慮蒸發(fā)器的內(nèi)部換熱溫差，而如果當(dāng)熱源為一般的變溫?zé)嵩磿r，由于在蒸發(fā)器內(nèi)存在工作介質(zhì)的恒溫蒸發(fā)過程，因此如何設(shè)置蒸發(fā)器的工作壓力將對廢熱回收具有重要的指導(dǎo)意義。
