水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析
水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析
作者：张凯
来源：《硅谷》2013年第12期
摘 要 本文对有机朗肯低温余热发电系统的基本原理进行了分析和研究，重点对其组成结构和工质进行了解析。
关键词 有机朗肯循环；低温余热；工质
中图分类号：TQl72 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0061-02
利用水泥生产过程中的废气余热建设纯低温的余热发电装置，对于节能降耗、改善环境至关重要。本文对水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统的原理进行分析。
1 有机朗肯循环流程
图1所示为有机朗肯的发电系统流程图，由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质加压泵、循环水泵、冷却塔组成。余热通过添加工质利用其沸点低的物理性质，经过蒸发、预热等流程流入膨胀机，经过膨胀机作用，使热能转换为机械能，机械能通过发电机转换为电能，达到发电目的。经膨胀做工后含有工质的余热流会变为低温低压的气体，再经过冷凝器，通过遇冷、冷凝等阶段凝成工质液体，整个冷却循环采用循环水冷却法，水流经冷却塔循环冷却，从而完成整个循环。
3.2 有机朗肯工质的优势特点
有机朗肯循环低温余热发电系统是采用有机工质作为能量的载体。就以往的经验和相关理论来看，工质的特性会直接主导发电系统的结构以及能源的利用效率，有机工质有着比传统工质高的能源利用效率，所以国内外有关专家学者都在进行有机工质对于系统影响的相关研究。 通过理论和实验研究证明R123 比水具有更好的性能，有机朗肯循环在低温余热条件下下回收中低品位热能时具有更高的效率，这是因为ORC在回收显热效率较高，而在ORC循环中显热/潜热值比较大，因此采用ORC技术能够回收比较多的热量。在各自最佳的压力情况下，水在中低温区域内输出功率比其他有机工质低得多。
如图3（a）所示，水为湿流体，饱和蒸汽压曲线的切线斜率值为负，不利于在中低温下做功。在图3（a）中，理想做功过程（3-4s）与实际做功过程（3-4）对比可以看出工质为水时，膨胀过程趋向湿蒸汽区域，若余热温度不足以达到状态点3的温度，状态点4将会处于湿蒸汽区内，因为其做功曲线会与干湿蒸汽分界线相交。就使得发电的成本和工艺的复杂性
提高。
如图3（b）所示，有机工质大部分是等熵流体、即饱和蒸汽曲线切线斜率为零或干流体、即饱和蒸汽曲线切线斜率为正值。在图3（b）中理想做功过程（3-4s）与实际做功过程（3-4）对比可以看出有机工质的膨胀过程趋向过热蒸汽区域，工质越膨胀越干燥，做功完毕后的过热蒸汽不会变成湿蒸汽。状态点3是状态平衡点，在平衡状态下有机工质无需过热，不会对发电设备带来危害。
有机工质与水工质相比的优点如下：
1）沸点更低，更容易产生高压蒸汽。
2）蒸发潜热更小，在低温条件下余热回收效率更高。
3）冷凝压力比水更大，等量纲与大气压，不需要考虑复杂的真空系统来防止工质泄漏。
4）凝固点低，低于-73℃，在低温下仍能够释放出能量，在寒冷地区不需要为冷凝器增加防冻设施。
5）系统的工作压力比水更低，约1.5 MPa，其载流管道的工艺要求相对更低。
6）饱和蒸汽压曲线的切线斜率值更大，不需要进行过热处理，不会对发电设备带来危害。
当余热进行换热过程时都伴随着降温过程，如图4所示，可以选取非共沸混合工质来减少换热不可逆损失，见图4（b），因为所选取的混合工质是非共沸的，蒸发曲线（3-4）斜率为正值，对比图4（a）纯工质状态下蒸发曲线（3-4）斜率为0，因此选择混合工质可以使换热不可逆损失降低。
本文对有机朗肯（ORC）发电系统的循环流程进行了描述，在此基础上介绍了有机工质的优势特点以及基于有机朗肯循环的发电系统的应用情况。有机朗肯循环低温余热发电系统正处于快速发展阶段，同时还是一个有待于进一步趋于成熟的行业。随着国家对于能源方面和环境保护的重视，未来有机朗肯循环低温余热发电系统必然迎来快速的发展。
参考文献
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