馮軍勝，裴剛，董輝，張晟

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燒結(jié)冷卻廢氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能分析

馮軍勝1，裴剛1，董輝2，張晟2

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥，230026； 2. 東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽，110819)

以燒結(jié)礦環(huán)冷機(jī)末端出口流量為7.6×105m3/h、平均溫度為170 ℃的冷卻廢氣為研究對象，基于低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用R123，R245fa和R600作為循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，研究工質(zhì)蒸發(fā)溫度、過熱度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)凈輸出功率和總的不可逆損失隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度、過熱度和冷凝溫度的增大而逐漸減小；系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度增大而增大，而隨冷凝溫度增大而減小，工質(zhì)過熱度增大對系統(tǒng)熱效率的影響不大；當(dāng)系統(tǒng)操作工況一定時(shí)，工質(zhì)R600的凈輸出功率最大，而工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率最高，且總不可逆損失最小；在實(shí)際操作過程中，為了獲得較大系統(tǒng)凈輸出功率，應(yīng)選擇R600作為循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，設(shè)定蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽狀態(tài)，并采用較低的工質(zhì)冷凝溫度。

燒結(jié)；余熱發(fā)電；有機(jī)朗肯循環(huán)；熱力性能

燒結(jié)過程余熱資源的高效回收利用是降低燒結(jié)工序能耗乃至煉鐵工序能耗的主要途徑之一[1]。在目前燒結(jié)生產(chǎn)過程中，燒結(jié)礦的顯熱主要是通過環(huán)形冷卻機(jī)進(jìn)行回收，其所攜帶的余熱資源約占燒結(jié)過程余熱總量的70%[2]。由于設(shè)置了環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)形式，導(dǎo)致燒結(jié)冷卻廢氣出口溫度沿環(huán)冷機(jī)運(yùn)行方向逐漸降低。在現(xiàn)行燒結(jié)礦余熱回收利用中，環(huán)冷機(jī)主要回收利用出口溫度在250 ℃以上的中高溫?zé)Y(jié)冷卻廢氣余熱，而將出口溫度在200 ℃以下的低品位冷卻廢氣直接排空，這導(dǎo)致燒結(jié)礦余熱量的35%被放散[3]。如何回收利用低品位燒結(jié)冷卻廢氣的余熱資源，對提高燒結(jié)礦余熱回收利用率以及降低燒結(jié)工序能耗都具有十分重要的意義。在工業(yè)領(lǐng)域低品位余熱資源利用中，有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行方便和發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為利用低品位余熱資源最有效的方法之一。針對低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的研究，人們已進(jìn)行許多工作，主要集中在有機(jī)工質(zhì)選擇[4?8]、系統(tǒng)熱力學(xué)分析[9?11]以及系統(tǒng)參數(shù)對循環(huán)過程的影響和優(yōu)化[12?18]等方面。韓中合等[5]從熱力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)性2個(gè)方面對R600，R245fa，R123 和苯等14種有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)選，以單位功量和單位功量質(zhì)量流量為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)烷類工質(zhì)的熱力學(xué)特性及經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于 HFC 和 HCFC 類工質(zhì)，且環(huán)己烷具有較高的熱效率和較低的單位功量等，被認(rèn)為是低溫余熱回收系統(tǒng)中較理想的循環(huán)工質(zhì)。WANG等[7]分析了9種純的有機(jī)工質(zhì)在特定工況下的熱力性能，發(fā)現(xiàn)R11，R141b，R113和R123的熱力性能略優(yōu)于其他有機(jī)工質(zhì)，而R245fa 和R245ca是最有利于環(huán)保的有機(jī)工質(zhì)。KASKA[10]運(yùn)用實(shí)際工廠運(yùn)行結(jié)果對有機(jī)朗肯循環(huán)過程的能量和?進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)壓力對能量效率和?效率都有很大影響，并采用節(jié)點(diǎn)分析法研究了蒸發(fā)器內(nèi)熱交換過程對凈輸出功的影響。謝飛博等[12]通過實(shí)驗(yàn)研究了冷卻水溫度對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱源溫度不變時(shí)，隨著冷卻水溫度升高，冷凝器和蒸發(fā)器的負(fù)荷減小，系統(tǒng)的輸出電功和熱效率降低。在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，冷卻水溫度每升高1 ℃，系統(tǒng)輸出電功降低0.041 1 kW，降低幅度達(dá)1.74%。PANG等[15]采用R245fa和R123以及這兩者混合的有機(jī)介質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)研究了工質(zhì)質(zhì)量流量和膨脹機(jī)進(jìn)口工質(zhì)的過熱度對系統(tǒng)凈輸出電量的影響。結(jié)果表明，當(dāng)熱源溫度為110 ℃時(shí)，純R245fa工質(zhì)能產(chǎn)生的最大凈電量為1.56 kW，電效率為3.9%；當(dāng)熱源溫度為 120 ℃，R245fa與R123的質(zhì)量比為2:1時(shí)，混合工質(zhì)能產(chǎn)生的最大凈電量為1.66 kW，電效率為4.4%。LI等[16]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱源溫度和工質(zhì)泵速對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工質(zhì)泵速一定時(shí)，系統(tǒng)熱效率隨熱源溫度的增大而增大；當(dāng)熱源溫度一定時(shí)，通過優(yōu)化工質(zhì)泵速可以獲得最大的系統(tǒng)熱效率。然而，低溫?zé)嵩戳黧w的物性參數(shù)和溫度會對循環(huán)有機(jī)工質(zhì)的選擇和系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響，這使得部分低溫余熱有機(jī)朗肯循環(huán)的研究結(jié)果具有一定的局限性。目前，有關(guān)低溫?zé)Y(jié)冷卻廢氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)的可行性分析上[19?20]，涉及系統(tǒng)參數(shù)對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能影響的相關(guān)報(bào)道較少。為此，本文作者以燒結(jié)環(huán)冷機(jī)末端出口低溫冷卻廢氣為熱源流體，首先從工質(zhì)熱力物性、環(huán)保性、安全性以及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和熱源流體溫度范圍這5個(gè)方面對循環(huán)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行篩選，然后，在基本有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，研究循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度、過熱度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響，以便為后續(xù)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 循環(huán)有機(jī)工質(zhì)選擇

對于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，有機(jī)工質(zhì)的合理選擇對其循環(huán)效率、凈輸出功和不可逆損失等都有著十分重要的影響。理想的有機(jī)工質(zhì)應(yīng)具有良好的物理、化學(xué)和熱力學(xué)傳遞方面的性質(zhì)，并且還具有熱穩(wěn)定性、低可燃性、環(huán)境友好和價(jià)格便宜等特點(diǎn)[21?22]。為了高效利用低溫?zé)嵩戳黧w的余熱，同時(shí)避免有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹過程中發(fā)生相變，影響膨脹機(jī)的輸出功率，根據(jù)有機(jī)工質(zhì)在溫熵圖上飽和氣化線的斜率，通常選用干流體(斜率d/d＞0)或等熵流體(斜率d/d→±∞)作為循環(huán)系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)[14]。在循環(huán)過程中，有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)壓力不應(yīng)過高，否則會增大設(shè)備承壓的額外費(fèi)用；有機(jī)工質(zhì)的冷凝壓力也不應(yīng)過低，最好能維持正壓，以防止外界空氣滲入而影響系統(tǒng)循環(huán)性能。此外，臭氧層衰減指數(shù)(ODP)和溫室效應(yīng)指數(shù)(GWP)也是篩選循環(huán)有機(jī)工質(zhì)的2個(gè)重要的環(huán)保評價(jià)指標(biāo)。鑒于低溫?zé)Y(jié)冷卻廢氣的溫度范圍[23]，本文選用有機(jī)工質(zhì)為R123，R245fa和R600這3種工質(zhì)均為環(huán)保型有機(jī)工質(zhì)，其詳細(xì)特征參數(shù)如表1所示[5]。

表1 工質(zhì)的特征參數(shù)

2 系統(tǒng)熱力過程分析

燒結(jié)冷卻廢氣余熱有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和溫熵圖如圖1所示。從燒結(jié)環(huán)冷機(jī)尾部排出的冷卻廢氣經(jīng)除塵后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)，將冷凝后的有機(jī)工質(zhì)加熱成飽和或過熱蒸汽，隨后從蒸發(fā)器煙氣出口直接排空；被加熱的有機(jī)工質(zhì)直接進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)膨脹作功，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，作完功的有機(jī)工質(zhì)乏汽從膨脹機(jī)末端排出，隨后進(jìn)入到冷凝器內(nèi)，與冷卻水換熱后被冷凝至低溫飽和液體，最后在工質(zhì)泵的作用下重新回到蒸發(fā)器內(nèi)，完成1個(gè)封閉的有機(jī)朗肯循環(huán)過程。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和溫熵圖

當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)且系統(tǒng)與外界無散熱時(shí)，由圖1(b)可知：過程2—3為絕熱膨脹過程，工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹作功；過程3—5為定壓放熱過程，工質(zhì)在冷凝器內(nèi)被冷凝成飽和液體；過程5—6為絕熱壓縮過程，工質(zhì)泵對有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行加壓；過程6—2為定壓吸熱過程，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)被加熱成飽和或過熱蒸汽，此時(shí)，蒸發(fā)器出口的有機(jī)工質(zhì)若為飽和蒸汽，則點(diǎn)2和點(diǎn)1重合。

在過程2—3中，膨脹機(jī)的輸出功率為

其中：

式中：t為膨脹機(jī)的輸出功率，kW；f為有機(jī)工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；2，3和3s分別為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)2，3和3s處的比焓，J/g；t為膨脹機(jī)的等熵效率。

工質(zhì)在膨脹過程中產(chǎn)生的不可逆損失為

式中：t為膨脹過程中產(chǎn)生的不可逆損失，kW；0為環(huán)境溫度，K；2和3分別為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)2和3處的比熵，J/(g·K)。在過程3—5中，有機(jī)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)的放熱量為

式中：c為有機(jī)工質(zhì)的放熱量，kW；5為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)5處飽和液體的比焓，J/g。工質(zhì)在放熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失為

式中：c為放熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失，kW；5為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)5處的比熵，J/(g·K)；l為冷卻水進(jìn)出口溫度的平均值，K。在過程5—6中，工質(zhì)泵消耗的功率為

其中：

p為工質(zhì)泵的消耗功率，kW；6和6s分別為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)6和6s處的比焓，J/ kg；p為工質(zhì)泵的等熵效率。

工質(zhì)在壓縮過程中產(chǎn)生的不可逆損失為

式中：p為壓縮過程中產(chǎn)生的不可逆損失，kW；6為工質(zhì)在狀態(tài)點(diǎn)6處的比熵，J/(g·K)。

在過程6—2中，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱量為

式中：e為有機(jī)工質(zhì)的吸熱量，kW。工質(zhì)在吸熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失為

式中：e為吸熱過程中產(chǎn)生的不可逆損失，kW；s為燒結(jié)冷卻廢氣進(jìn)出口溫度的平均值，K。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率為

式中：為系統(tǒng)的循環(huán)熱效率；為系統(tǒng)的凈輸出功率，kW。

系統(tǒng)總的不可逆損失為

式中：為循環(huán)系統(tǒng)總的不可逆損失，kW。

3 結(jié)果分析與討論

本文有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱源流體為燒結(jié)環(huán)冷機(jī)末端出口溫度在200 ℃以下的冷卻廢氣[23]，通過熱力學(xué)計(jì)算軟件和 NIST 的 Refprop 對系統(tǒng)熱力過程進(jìn)行編程計(jì)算，研究循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度、過熱度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的初始計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 初始計(jì)算參數(shù)設(shè)定值

3.1 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

在冷凝溫度為35 ℃、蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽條件下，系統(tǒng)凈輸出功率、系統(tǒng)熱效率和總的不可逆損失隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律如圖2~4所示。

圖2所示為系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。從圖2可知：對于不同的循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)凈輸出功率隨蒸發(fā)溫度的增大而逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)工質(zhì)冷凝溫度一定時(shí)，隨著工質(zhì)蒸發(fā)溫度增大，單位工質(zhì)的凈輸出功率逐漸增大。但由于蒸發(fā)器進(jìn)口熱源流體的溫度和流量是一定的，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度增大必然會導(dǎo)致循環(huán)有機(jī)工質(zhì)流量減少，此時(shí)，工質(zhì)流量減少幅度大于單位工質(zhì)凈輸出功率增大幅度，這也就導(dǎo)致了系統(tǒng)凈輸出功率減小。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

從圖2還可以看出：當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，循環(huán)工質(zhì)R600的凈輸出功率最大，工質(zhì)R123的最小，并且隨著工質(zhì)蒸發(fā)溫度增大，工質(zhì)R600的凈輸出功率減小幅度最小，工質(zhì)R123的凈輸出功率減小幅度最大；當(dāng)蒸發(fā)溫度為130 ℃時(shí)，工質(zhì)R600的凈輸出功率為3.381 MW，工質(zhì)R123的為2.855 MW；循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度每增大5 ℃，工質(zhì)R600的凈輸出功率平均減小98 kW，而工質(zhì)R123的凈輸出功率平均減小 207.75 kW。這表明：當(dāng)系統(tǒng)工質(zhì)的蒸發(fā)溫度在一定范圍內(nèi)時(shí)，采用工質(zhì)R600凈輸出的有用功最多。

圖3所示為系統(tǒng)熱效率隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。從圖3可知：對于不同的循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)熱效率隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度的增大而逐漸增大。以工質(zhì)R245fa為例，當(dāng)蒸發(fā)溫度為120 ℃時(shí)，系統(tǒng)熱效率為13.49%；當(dāng)蒸發(fā)溫度為140 ℃時(shí)，系統(tǒng)熱效率為14.59%。這是因?yàn)殡S工質(zhì)蒸發(fā)溫度增大，單位工質(zhì)的系統(tǒng)凈輸出功率和吸熱量也隨之增大，而系統(tǒng)凈輸出功率的增大幅度要大于工質(zhì)吸熱量的增大幅度，故系統(tǒng)熱效率也隨之增大；另外，由于循環(huán)工質(zhì)熱物性參數(shù)不同，在某一蒸發(fā)溫度下，不同循環(huán)有機(jī)工質(zhì)對應(yīng)的系統(tǒng)熱效率也有所不同，工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率最高，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)熱效率最低。當(dāng)工質(zhì)蒸發(fā)溫度為130 ℃時(shí)，工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率為15.64%，而工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)熱效率為14.15%。

圖4所示為系統(tǒng)總不可逆損失隨工質(zhì)蒸發(fā)溫度的變化規(guī)律。從圖4可看出：隨著蒸發(fā)溫度增大，不同循環(huán)工質(zhì)系統(tǒng)總不可逆損失均逐漸減小。這是因?yàn)檎舭l(fā)溫度的增大將導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)流量減小，同時(shí)，工質(zhì)蒸發(fā)溫度增大也會使蒸發(fā)器內(nèi)熱源流體與有機(jī)工質(zhì)的換熱溫差減小，蒸發(fā)器的不可逆損失也會減小，故系統(tǒng)總的不可逆損失逐漸減小。此外，在同一蒸發(fā)溫度下，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)總不可逆損失最大，工質(zhì)R123的總不可逆損失最小。工質(zhì)蒸發(fā)溫度為130 ℃，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)總不可逆損失為2.575 MW，而工質(zhì)R123的總不可逆損失為2.060 MW。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

3.2 過熱度對系統(tǒng)性能的影響

在工質(zhì)冷凝溫度為35 ℃和蒸發(fā)溫度為130 ℃條件下，系統(tǒng)凈輸出功率、系統(tǒng)熱效率和總的不可逆損失隨蒸發(fā)器出口工質(zhì)過熱度的變化規(guī)律如圖5~7 所示。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

圖5所示為系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)過熱度的變化規(guī)律。從圖5可知：對于不同的循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)過熱度增大而逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)工質(zhì)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度一定時(shí)，單位工質(zhì)的凈輸出功率隨工質(zhì)過熱度增大而逐漸增大。由于蒸發(fā)器出口工質(zhì)溫度增大會導(dǎo)致循環(huán)有機(jī)工質(zhì)流量減少，而工質(zhì)流量減少幅度大于單位工質(zhì)凈輸出功率增大幅度，故系統(tǒng)凈輸出功率也會逐漸減小。

從圖5還可以看出：在同一工質(zhì)過熱度下，循環(huán)工質(zhì)R600的凈輸出功率最大，工質(zhì)R123的凈輸出功率最小，并且隨著工質(zhì)過熱度增大，工質(zhì)R123的凈輸出功率減小幅度最小，工質(zhì)R600和R245fa的凈輸出功率減小幅度基本相同；當(dāng)工質(zhì)過熱度為6 ℃時(shí)，工質(zhì)R600的凈輸出功率為3.190 MW，工質(zhì)R123的凈輸出功率為2.786 MW；循環(huán)工質(zhì)過熱度每增大 2 ℃，工質(zhì)R123的凈輸出功率平均減小22.25 kW，工質(zhì)R600和R245fa的平均減小55.75 kW。

圖6所示為系統(tǒng)熱效率隨工質(zhì)過熱度的變化規(guī)律。從圖6可知：隨著工質(zhì)過熱度增大，不同循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率均逐漸增大，并且增大幅度越來越小。這是因?yàn)閱挝还べ|(zhì)的系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)過熱度增大而逐漸增大，同時(shí)，單位工質(zhì)從熱源流體吸收的熱量也逐漸增大。由于工質(zhì)吸收的熱量不能使膨脹機(jī)作功，故系統(tǒng)熱效率的增大幅度越來越小。此外，不同的循環(huán)有機(jī)介質(zhì)其所對應(yīng)的系統(tǒng)熱效率也有所不同，工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率最高，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)熱效率最低。當(dāng)工質(zhì)過熱度為6 ℃時(shí)，工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率為15.67%，而工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)熱效率為14.2%，分別比工質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)的系統(tǒng)熱效率高0.03%和0.05%。這表明在實(shí)際操作過程中，應(yīng)盡量選擇蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽的工況條件。因?yàn)楣べ|(zhì)過熱度增大不僅會導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也會導(dǎo)致系統(tǒng)凈輸出功率減少。

圖7所示為系統(tǒng)總不可逆損失隨工質(zhì)過熱度的變化規(guī)律。從圖7可看出：隨著工質(zhì)過熱度增大，不同循環(huán)工質(zhì)系統(tǒng)總不可逆損失均逐漸減小，其中，工質(zhì)R123的系統(tǒng)總不可逆損失減小幅度最小，而工質(zhì)R245fa和R600的減小幅度基本相同。這是因?yàn)椋汗べ|(zhì)過熱度增大導(dǎo)致循環(huán)工質(zhì)流量減小；同時(shí)，工質(zhì)過熱度增大也會使蒸發(fā)器內(nèi)熱源流體與有機(jī)工質(zhì)的換熱溫差減小，蒸發(fā)器的不可逆損失也會減小。以上2個(gè)原因都會導(dǎo)致系統(tǒng)總不可逆損失隨工質(zhì)過熱度增大而減小。循環(huán)工質(zhì)過熱度每增大2 ℃，工質(zhì)R123的系統(tǒng)總不可逆損失平均減小12.25 kW，工質(zhì)R245fa和R600的系統(tǒng)總不可逆損失平均減小24 kW。

3.3 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

在工質(zhì)蒸發(fā)溫度為130 ℃，蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽條件下，系統(tǒng)凈輸出功率、系統(tǒng)熱效率和總不可逆損失隨工質(zhì)冷凝溫度的變化規(guī)律如圖8~10所示。

圖8所示為系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)冷凝溫度的變化規(guī)律。從圖8可知：對于不同的循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)凈輸出功率隨工質(zhì)冷凝溫度增大而逐漸減小，其中，工質(zhì)R123的凈輸出功率減小幅度最小，工質(zhì)R600和R245fa的凈輸出功率減小幅度基本相同。這是因?yàn)椋汗べ|(zhì)冷凝溫度增大會導(dǎo)致膨脹機(jī)出口氣態(tài)工質(zhì)壓力增大，單位工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)所作的功會減小，從而引起單位工質(zhì)的凈輸出功率減??；另外，當(dāng)工質(zhì)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)器出口工質(zhì)的狀態(tài)一定時(shí)，循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量也是1個(gè)固定值，故系統(tǒng)凈輸出功率也會逐漸減小。循環(huán)工質(zhì)冷凝溫度每增大2 ℃，工質(zhì)R123的凈輸出功率平均減小82 kW，而工質(zhì)R600和R245fa的凈輸出功率平均減小104.25 kW。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

工況：1—R123；2—R245fa；3—R600。

圖9所示為系統(tǒng)熱效率隨工質(zhì)冷凝溫度的變化規(guī)律。從圖9可知：隨著工質(zhì)冷凝溫度增大，不同循環(huán)工質(zhì)的系統(tǒng)熱效率均逐漸減小，且3種循環(huán)工質(zhì)系統(tǒng)熱效率的減小幅度基本相同。這是因?yàn)椋汗べ|(zhì)冷凝溫度增大導(dǎo)致單位工質(zhì)系統(tǒng)凈輸出功率減小，雖然單位工質(zhì)從熱源流體吸收的熱量也減小，但系統(tǒng)凈輸出功率的減小幅度要大于工質(zhì)吸熱量的減小幅度，故系統(tǒng)熱效率也會隨之減小。循環(huán)工質(zhì)冷凝溫度每增大2 ℃，工質(zhì)R123，R245fa和R6003的系統(tǒng)熱效率分別減小0.300 0%，0.290 0%和0.292 5%。

圖10所示為系統(tǒng)總不可逆損失隨工質(zhì)冷凝溫度的變化規(guī)律。從圖10可以看出：對于不同的循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)總不可逆損失隨工質(zhì)冷凝溫度增大而逐漸減小。這是因?yàn)椋河捎谂蛎洐C(jī)的等熵效率是一定的，工質(zhì)冷凝溫度增大使膨脹機(jī)出口單位工質(zhì)焓的增大幅度要小于冷凝器出口工質(zhì)焓的增大幅度，冷凝器進(jìn)出口單位工質(zhì)焓的變化量(3?5)會隨之減??；此外，工質(zhì)冷凝溫度增大還會導(dǎo)致冷凝器中換熱溫差增大，冷卻水進(jìn)出口的平均溫度l也會增大。由式(12)可知，系統(tǒng)總不可逆損失會隨工質(zhì)冷凝溫度增大而逐漸減小。從圖10還可以看出：隨著工質(zhì)冷凝溫度增大，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)總不可逆損失減小幅度最大，工質(zhì)R123的總不可逆損失減小幅度最小。循環(huán)工質(zhì)冷凝溫度每增大2 ℃，工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)總不可逆損失平均減小17.25 kW，而工質(zhì)R123的總不可逆損失平均減小11.5 kW。

4 結(jié)論

1) 當(dāng)蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)，隨著工質(zhì)蒸發(fā)溫度升高，系統(tǒng)凈輸出功率和總不可逆損失逐漸減小，而系統(tǒng)熱效率逐漸增大。當(dāng)工質(zhì)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，工質(zhì)R600的凈輸出功率最大，而工質(zhì)R123的系統(tǒng)熱效率最大，且總不可逆損失最小。在實(shí)際操作過程中，為了獲得較大的系統(tǒng)凈輸出功率，應(yīng)選擇R600作為系統(tǒng)循環(huán)有機(jī)工質(zhì)，并合理設(shè)置工質(zhì)蒸發(fā)溫度范圍。

2) 隨著工質(zhì)過熱度增大，系統(tǒng)凈輸出功率和總的不可逆損失逐漸減小，而系統(tǒng)熱效率的增大幅度逐漸變小，基本保持不變。在實(shí)際操作過程中，為了避免蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和獲得較大的系統(tǒng)凈輸出功率，應(yīng)盡量選擇蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽的工況條件。

3) 當(dāng)蒸發(fā)器出口工質(zhì)為飽和蒸汽時(shí)，隨著工質(zhì)冷凝溫度升高，系統(tǒng)凈輸出功率、系統(tǒng)熱效率和總不可逆損失均逐漸減小。其中，工質(zhì)R123的凈輸出功率減小幅度最小，而工質(zhì)R245fa的系統(tǒng)總不可逆損失減小幅度最大。在實(shí)際操作過程中，為了獲得較大的系統(tǒng)凈輸出功率和熱效率，在滿足冷凝條件前提下，應(yīng)盡量選擇較低的工質(zhì)冷凝溫度。

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Performance analysis of organic Rankine cycle power generation system with sinter cooling gas waste heat

FENG Junsheng1, PEI Gang1, DONG Hui2, ZHANG Sheng2

(1. School of Engineering and Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2. School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The cooling flue gas discharged from the end outlet of sinter annular cooler was taken as research object, with the mass flow and average temperature of cooling flue gas being 7.6×105m3/h and 170 ℃, respectively. Based on the organic Rankine cycle(ORC) system of low temperature waste heat, the R123,R245fa and R600 were selected as the circular organic working fluids, and the effects of evaporation temperature, superheat degree and condensing temperature on the system performance were studied and analyzed. The results show that with the increase of evaporation temperature, superheat degree and condensing temperature, the net output power and total irreversible loss of system decrease gradually. The system thermal efficiency increases with the increase of evaporation temperature, and decreases with the increase of condensing temperature. The increase of superheat degree has little effect on the system thermal efficiency. When the operating condition of system is certain, the net output power of R600 is the maximum. When the system heat efficiency of R123 is the highest, and the total irreversible loss is the least. In the actual operation process, in order to obtain the larger net output power of system, the R600 should be chosen as the circular organic working fluids, with the export working fluid of evaporator being in the state of saturated steam, and the lower condensing temperature of working fluid should be used.

sintering; waste heat power generation; organic Rankine cycle; thermodynamic performance

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.028

TK11+5

A

1672?7207(2019)02?0466?08

2018?02?13；

2018?04?12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274065)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2018M642538)(Project(51274065) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2018M642538) supported by the China Postdoctoral Science Foundation)

裴剛，教授，博士生導(dǎo)師，從事低溫余熱回收利用研究；E-mail：Peigang@ustc.edu.cn

(編輯 陳燦華)