化工低温余热发电系统的优化分析

发布时间：2020-05-02 17:51

【摘要】：化工装置中存在大量低温余热未被回收利用,造成能源浪费和环境热污染。本文研究了回收化工装置低温余热的一种新方法,即采用有机朗肯循环(organic Rankine cycle,简称ORC)发电技术,将低温余热转化为应用广泛的电能,实用价值大。目前ORC系统发电功率少、效率低,而对其的优化分析存在评价标准不全面、有机工质与运行参数以及运行参数之间的关联分析较少和未对换热器进行优化等问题。针对这些问题,本文的主要工作如下:(1)运用Aspen Plus软件设计ORC系统,针对优化ORC系统评价标准不全面的问题,本文建立了全面的评价模型,以净输出功率、换热器换热面积和有机工质质量流量作为ORC系统发电性能的评价指标,并建立了新的经济性能评价模型,对ORC系统余热回收性能进行全面的评价。(2)针对有机工质与运行参数以及运行参数之间关联分析少的问题,本文选择了R245fa、R245ca、R236ea、R600、R601和R601a六种有机工质以及蒸发过程夹点温差、蒸发温度和冷凝温度三个运行参数,以催化裂化装置和芳烃装置为案例,将ORC系统用于回收低温余热,关联分析有机工质和运行参数对ORC系统性能的影响,确定最佳设计参数值。(3)针对未对换热器进行优化的问题,本文研究了高通量换热器用作ORC系统蒸发器对系统发电性能的影响,并以芳烃装置ORC系统为研究背景,将其与普通换热器进行了对比分析。(4)以催化裂化装置和芳烃装置为案例的分析表明,两套化工装置具有不同的低温热源,导致ORC系统的性能随运行参数的变化规律有所不同,合适的有机工质和最佳运行参数不同。催化裂化装置ORC系统的最佳蒸发温度受蒸发过程夹点温差和冷凝温度的影响,其适宜的有机工质为R245fa,在冷凝温度45°C、夹点温差8°C和最佳蒸发温度68°C时,发电量约277kW。芳烃装置ORC系统适宜的有机工质为R601,在冷凝温度为45°C和夹点温差为12oC时,蒸发压力为1.26MPa,发电量约3040kW。但是,两个案例也有相同之处,即:冷凝温度越低,发电功率越大,工厂条件允许的情况下应尽可能使用温度低的冷公用工程;夹点温差越小,发电功率越大,但蒸发器面积也越大,可以说蒸发器面积限制了发电性能的提升。对蒸发器进行优化分析,高通量蒸发器的使用可以减小夹点温差,从而提升发电性能,具有一定的可行性。
【图文】：

模型图,朗肯循环,回热,抽气

图 1-2 (b) 抽气回热有机朗肯循环模型图g.1-2(a) Model diagram of regenerative extraction ORC system图 1-2 乏气回热和抽气回热有机朗肯循环模型图.1-2 Model diagram of ORC system with internal heat exchanger对 ORC 发电系统基本循环结构进行了改进模拟研究，发现乏度为 0.055 时系统净输出功率不发生变化，，但发电效率比基所提高，而抽气回热循环虽然发电效率有所提高但净输出功率者[13,22,36,37]对 ORC 发电系统的结构也进行了优化设计，在某内部回热器来提高 ORC 发电系统的发电效率。然而，Dai 和况一定的条件下，内部回热器并不能使净输出功率增加，而且备投入，不提倡使用优化设计的循环结构[27,38]。化的研究现状

组合曲线,组合曲线,换热网络,夹点

1 ORC 发电系统用于化工装置分析1.1 化工装置换热网络分析化工生产工艺中有众多流股，需要被加热的物流称为冷物流，需要被冷物流称为热物流。为处理多物流，把一定温度范围的所有物流的热负荷或流率加在一起，在温焓图中进行表示，图中会出现有一条包含全部热流股线和一条包括全部冷流股的曲线，如图 2-1 所示。两条组合曲线叠交的部是可以回收的最大热量，热组合曲线超出的部分是最小冷公用工程的用量冷组合曲线超出的部分是最小热公用工程用量。在组合曲线上，存在某点冷热物流的温度差要小于其他地方的温度差，这个点叫做夹点。最小换热 Tmin确定之后，换热网络的最小冷热公用工程用量便可确定。从图 2-1 的（b）两图可知，若 Tmin值不同，则最小冷热公用工程用量不同， Tmin值越冷热公用工程的用量就越小。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM617;TQ083.4

【参考文献】