水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析.pdf

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1、2013年第12期总第132期S-L-C0NVALLEY画水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析张凯(山西省电力公司，山西太原030001)摘要本丈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；工质中圈分类号：TQ172文献标识码：A文章编号：167卜7597(2013)12-006卜O2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式逆流换热(2-3—4—5)。工质吸热蒸发后进人膨胀机做功(5-6)置，对于节能降耗、改善环境至关重要。本文

2、对水泥厂有机郎发电，做功发电后的有机工质在冷凝器中凝结成液态(6-7—1)，肯循环低温余热发电系统的原理进行分析。最后通过工质加压泵进入预热器预热后回到蒸发器中形成一个1有机朗肯循环流程新的循环。其循环T(温度)一s(熵)图如图2所示。当有机朗肯循环低温余热发电系统处在稳定工作状态时：图1所示为有机朗肯的发电系统流程图，由蒸发器、膨胀机、1)其在1-2过程中实为膨胀过程，可得膨胀机的等熵效率冷凝器、工质加压泵、循环水泵、冷却塔组成。余热通过添加如下(1)式所示：工质利用其沸点低的物理性质，经过蒸发、预热等流程流人膨胀机

3、，经过膨胀机作用，使热能转换为机械能，机械能通过发=(1)式电机转换为电能，达到发电目的。经膨胀做工后含有工质的余其中膨胀机的输出功率为下式：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，=，(一hE)(2)式经冷却塔循环冷却，从而完成整个循环。在以上二式中，h．为工质进入膨胀机前的焓值，h与h．则代表着工质在进入膨胀机后在其出口处的实际焓值和理想下的焓值，南则为工质实际的质量流量。整个过程中，膨胀机存在着不可避免的能量损失，其损失率计算公式如下：=，(s

4、：一．)(3)式在公式(3)中，s：和s，分别代表着工质进入膨胀机、出膨胀机的熵值；To则为所在环境实际温度。2)在2-3过程，其工作实际为等压冷凝过程，冷凝器中也存在着不可避免的能量损失，其损失率计算公式如下：：，一』／1f(4)式在公式(4)中，h和s分代表着工质在通过冷凝器后在其出口焓值、熵值；T则为冷却源的平均温度。．图1有机朗肯发电系统(ORC)循环流程图3)在3—4过程，其为加压的过程，在这过程中工质泵所做功为如下：2有机朗肯循环发电系统(ORC)的组成结构有机朗肯循环发电系统(ORC)可以有效利用350℃

5、及以下Wp=mr(h4一)(5)式的中低温余热。该系统输入为热能，输出为电能，系统设备由在公式(5)中，h则为工质通过工质泵后在其出口处的循环泵、储液罐、冷凝器、透平、蒸发器构成。焓值。在此过程中工质泵中的不可避免能量损失较小，故其损ORC系统做功流程见图2：冷凝过后的流体在循环泵加压失率可取值为0。到预定压力(1—2)，余热流体在蒸发器里与有机循环丁质间壁4)在4-1过程，其为一个等压升温的过程，此时蒸发器的热负荷的计算公式如下：O：，(-h4)(6)式在此过程中，蒸发器存在着不可避免的能量损失，其损失率计算公式如下

6、：一(7)式在公式(7)中，s则为工质在通过工质泵出口后的熵值，图2ORC循环T—S图TH代表着蒸发器中热源的平均温度。5)有机朗肯循环低温余热发电系统的净输出功率有如下公水具有更好的性能，有机朗肯循环在低温余热条件下下回收中式：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W=r口(8)式术能够回收比较多的热量。在各自最佳的压力情况下，水在中热力学定律的效率如下表示：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

7、的切线r／i：×100％(9)式斜率值为负，不利于在中低温下做功。在图3(a)中，理想做Q功过程(3—4s)与实际做功过程(3—4)对比可以看出工质为热力学第二定律的效率如下表示：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Whet×l0⋯)式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、即饱和蒸余热利用率为：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—

8、4s)与实际做功过程(3—4)17=×1OO％(11)式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Q+膨胀越干燥，做功完毕后的过热蒸汽不会变成湿蒸汽。状态点在公式(11)中，Q则代表着在单位时间里水泥厂排气带3是状态平衡点，在平衡状态下有机工质无需过热，不会对发走的热量。电设备带来危害。ORC发电系统和传统水蒸汽发电系