大型多级离心空压机低温余热回收

大型多级离心空压机低温余热回收
霍兆义;李洪宇;徐伟
【摘要】为了寻找大型离心空压机低温余热的有效利用策略,以节能经济效益和CO2减排量为评价目标,比较分析有机朗肯循环发电(ORC)、区域供暖和制冷循环技术的余热利用效益.建立了ORC系统的模拟分析模型,研究了ORC热回收量、循环热效率和效率随着膨胀机进气参数的变化规律,从而确定最佳运行工况.案例分析表明,单台容量17万m3/h的三级压缩空压机,级间压缩空气冷却前温度为100℃,ORC余热回收系统的最佳循环热效率和系统循环效率分别达到8.07％和29.15％;与区域供暖和制冷循环相比,ORC余热回收在年节能经济效益和年CO2减排效益方面同样效益显著,同时系统简单、操作方便.
【期刊名称】《辽宁科技大学学报》
【年(卷),期】2018(041)006
【总页数】7页(P412-418)
【关键词】离心空压机;低温余热;有机朗肯循环;区域供暖;集中制冷
【作者】霍兆义;李洪宇;徐伟
【作者单位】辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山 114051;鞍钢集团钢铁研究院,辽宁鞍山 114021
【正文语种】中文
【中图分类】TF058
余热利用是降低工业企业能耗和减轻环境污染的重要手段。

钢铁、化工等高耗能行业中存在大量不同品位的余热资源。

其中，高压高温余热回收由于技术成熟、经济效益显著，绝大部分得到了合理的利用［1］。

相对而言，低温余热由于可利用价值低、缺少足够的热阱用户，往往通过水冷或空冷排放到环境中，造成了大量的能量浪费［2］。

随着能源环境压力的日益增大，余热利用技术的逐渐成熟，低温余热的深度开发利用将越来越得到人们的重视。

在工业企业中，温度低于200 ℃的余热作为废热排放现象很普遍，因此可将此类余热定义为低品位废热［3］。

受限于废热品位低、余热回收效率和经济性等问题，低品位废热无法得到全部利用，一般认为环境温度至60 ℃范围内的余热回收是非常困难的［4］。

目前比较成熟的低温余热利用技术包括有机朗肯循环发电（Organic rankine cycle，ORC）、高效换热区域供暖、制冷循环、热泵，利用这些技术，可将低温余热直接或间接地向温位更低的热阱供热，也可以将低温余热的温位提升向更高温位的热阱供热，还可以将余热转换为电力和机械功输送和使用。

空压机是空分装置的核心设备，也是主要耗能环节。

很多研究工作致力于降低空气压缩系统的能耗，对其进行结构设计和运行优化［5］。

然而，余热回收同样是降低空气压缩能耗的重要手段。

本文的研究重点是分析和回收大型多级离心空压机中的余热资源，对比不同余热回收方式的热经济性和环境效益，包括热回收系统的热效率效率、能源成本效益和CO2减排量。

这些研究工作可以为空压机低温余热利用改造的可行性提供参考依据。

1 空压机运行过程中的余热
空分装置是一个大型的复杂系统，其主要动力设备为空气压缩机。

常用的空气压缩机类型包括往复式压缩机、螺杆式压缩机和离心式压缩机。

其中，离心空压机具有压比高、运行稳定的优点。

多级离心压缩过程需要设置级间冷却器，使整体压缩过
程接近等温状态，以提高压缩系统效率［6］。

在空分工艺中，第一步就是将原料空气在经过除尘除杂后，经离心压缩机压缩至设计压力，一般由多级压缩完成。

中间级出口的高温气体不直接进入下一级，而是被引至级间冷却器进行降温，冷却后的低温气体再进入下一级压缩。

在冷却过程中，大量的余热被循环冷却水带走排放至环境。

空压机出口气体温度一般在130 ℃以下，属于利用起来比较困难的低温
余热。

虽然目前针对空压机余热回收有一些研究与应用工作［7-8］，多数利用这部分余热产生热水，用于职工淋浴、采暖、锅炉补充水等，但存在利用方式单一、回收效率低、经济效益不显著等问题。

在本文中，区域供暖、有机朗肯循环发电［9-10］和吸收式制冷循环［11］作为高效低温余热回收技术，被考虑用于回收
压缩空气余热。

本文的研究对象为某钢铁企业空分装置的大型多级离心空压机，单台容量17万
m3/h，经三级压缩至0.78 МPa，级间压缩空气冷却前温度约为100 ℃，冷却后目标温度为30 ℃。

设置级间冷却的多级压缩过程如图1所示。

图1 空气多级压缩过程Fig.1 Schematic illustration of multistage air compression process
2 余热回收分析
为了方便余热回收改造，各级高温压缩空气热能释放一般被分为两个部分，高温段采用热媒水吸热，低温段仍然采用循环冷却水降温。

热媒水可作为余热回收系统的热源，降温后再送入热回收换热器，如此往复循环实现压缩机余热回收。

2.1 有机朗肯循环发电
有机朗肯循环的特点是将传统的循环工质水替换为有机工质。

可选的各种有机工质具有比水更低的蒸发温度，因此，用于朗肯循环可以回收中低温余热，并且输出更多的有用功［12］。

ORC 系统的基本设备包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵，此外，设置回热器往往可以提高循环热效率和输出有用功。

考虑回收空压机三级压
缩出口空气余热的ORC 余热回收系统流程如图2 所示。

ORC 的工质一般需要依据特定热源的温度进行选择，有机工质的物性对循环系统的性能有显著影响［13-14］。

在本研究中，正戊烷（n-pentane）被选定为循环工质［15］，并利用循环热效率、循环效率和输出有用功作为评价指标，建立ORC 模拟分析模型，优化分析ORC 发电的操作工况及其热经济性。

图2 空压机级间空气冷却有机朗肯循环余热回收系统Fig.2 Schematic illustration of compressor's inter-stage air cooling with ORC waste heat recovery system
2.1.1 热力学模型 ORC 系统热力过程如图3所示。

本研究对ORC系统的模拟分析做了以下简化假定：有机工质处于亚临界状态；仅考虑稳态过程；忽略散热损失和阻力损失；泵和膨胀机的等熵效率恒定，分别为0.75和0.85。

图3 有机朗肯循环热力过程温熵图Fig.3 Temperature-entropy thermodynamic diagram of ORC system
（1）蒸发过程（2/2a—3）。

蒸发器中为等压蒸发过程。

基本ORC循环的蒸发器热负荷QE为
如果设置回热器，则蒸发器热负荷QE为
式中：m 为有机工质流量，kg/s；h3为蒸发器出口有机工质焓值，kJ/kg；h2 为泵出口有机工质焓值，kJ/kg；h2a为回热器出口有机工质焓值，kJ/kg。

（2）膨胀过程（3—4）。

饱和蒸汽工质进入膨胀机膨胀做功输出电力。

理想过程为等熵膨胀过程（3—4i），而考虑膨胀机不可避免的能量转换损失，膨胀机出口的实际状态为点4。

输出电力WT为
式中：h4i 为理想膨胀过程出口状态点焓值，kJ/kg；h4为实际膨胀过程出口状态点焓值，kJ/kg；ηst、ηg分别为膨胀机等熵膨胀效率和发电机效率。

（3）冷凝过程（4/4a—1）。

膨胀机排汽进入冷凝器凝结向循环冷却水放热，是等压冷凝过程。

基本ORC循环的冷凝器热负荷QC为
如果设置回热器，则冷凝器热负荷
式中：h4a为回热器出口工质焓值，kJ/kg。

（4）工质泵升压过程。

液体工质进入工质泵提升压力。

理想过程为等熵升压过程（1—2i），而考虑工质泵不可避免的能量转换损失，工质泵出口的实际状态为点2。

消耗电力WP为
式中：h2i为工质泵的理想升压过程出口状态点焓值，kJ/kg；ηsp、ηg分别为工质泵等熵效率和电机效率。

（5）净输出功。

ORC系统的净输出功Wnet为
（6）循环热效率。

ORC系统的循环热效率ηth为
余热回收热负荷QR为
式中：mR为余热物流流量，kg/s；he,in为蒸发器入口余热物流焓值，kJ/kg；he,out为蒸发器出口余热物流焓值，kJ/kg。

ORC系统循环有机工质流量m为
（7）循环效率。

工质稳定状态点值Ej为
式中：hj和sj分别是有机工质某工况点的焓值和熵值，kJ/kg；h0>和s0分别是
工质在常温常压下的焓值和熵值，kJ/kg；T0为环境温度，K。

2.1.2 模拟结果与讨论在循环工质确定的条件下，重点分析蒸发温度对余热热源
温度的限制和ORC系统性能的影响，从而找到最佳的ORC系统运行工况及其热
回收性能。

ORC系统模拟计算参数：蒸发温度t3=42～77 ℃，蒸发器节点温差
△TP，E=5℃，泵的等熵效率ηsp=75%，膨胀机的等熵效率ηst=85%，发电机效率ηg=96%，冷凝温度t1=20 ℃，环境温度t0=10 ℃。

采用МATLAB 软件对ORC 系统模型进行模拟优化计算，最佳的循环运行参数如
表1所示。

当蒸发器蒸发温度达到54.5 ℃时，压缩空气换热后温度达到57.21 ℃，基本ORC 循环热效率达到8.07%，循环效率达到最大值29.15%，净输出电功率597.86 kW。

表1 ORC系统优化模拟结果Tab.1 Optimization simulation results of ORC system名称压缩空气入口温度，tg，in/℃压缩空气出口温度，tg，out/℃蒸发器入口热水温度，te，in/℃蒸发器出口热水温度，te，out/℃热水流量，mhw/（t·h-1）工质蒸发温度，t3/℃工质蒸发压力，P3/МPa蒸发器入口工质温度，
（t2/t2a）/℃工质流量，m/（kg·s-1）膨胀机排汽压力，P4/МPa膨胀机输出功，WT/kW工质泵消耗功，WP/kW ORC系统净输出功，Wnet/kW蒸发器损，Ee，d/kW膨胀机损，Et，d/kW冷凝器损，Ec，d/kW工质泵损，Ep，d/kW回热器损，Er，d/kW ORC热效率，ηth/%ORC 效率，ηex/%基本ORC 100 57.21 90 52.21 168.53 54.5 0.183 20 17.47 0.057 602.55 4.692 597.86 371.59 99.408 238.6 1.133 0 8.07 29.15回热型ORC 100 58.32 90 53.19 168.53 54.5 0.183
24.84 17.47 0.057 602.55 4.692 597.86 351.42 99.408 226.95 1.133 6.622 8.29 29.15
图4给出了ORC系统的循环热效率随工质蒸发温度的变化趋势。

显然，随着蒸发温度的升高，ORC 循环热效率随之提升，并且通过设置回热器降低冷源热损失，可以起到提升循环热效率的效果。

图5则给出了ORC系统的净输出功和循环效率随着蒸发温度的变化趋势。

模拟结果显示，随着蒸发温度的升高，ORC 系统的净输出功和效率先升高后降低，存在一个最佳蒸发温度使它们达到最大。

图4 ORC系统循环热效率随进气温度的变化规律Fig.4 Thermal efficiency of ORC system as a function of intake temperature
图5 ORC净输出功和循环效率随进气温度的变化规律Fig.5 Net output power and exergy efficiency of ORC system as a function of intake temperature 根据表1，图4 和图5 可以得出以下结论：（1）蒸发温度的设定对ORC系统的热经济性具有显著影响；（2）设置回热器虽然可以提升系统循环热效率，但同时降低了废热物流放热量，没有提升系统净输出功，因此，对于本案例设置回热器只会增加系统复杂性，没有必要；（3）最佳的ORC运行参数应以系统净输出功或效率最大为优化目标。

2.2 集中供热/制冷
利用空压机高温压缩空气冬季采暖或夏季制冷是目前常用的余热回收手段。

但是此种余热利用方式往往具有季节性限制，无法全年稳定地回收空压机余热。

在本研究中，暂不考虑余热回收系统的复杂性和投资成本，假定余热回收系统可在冬季与夏季两种模式下运行，冬季加热采暖水，夏季用于吸收式制冷热源。

冬季模式，压缩空气高温段用于加热热媒水至65 ℃，热媒水进入供暖系统降至55 ℃，然后再回到高温段热回收器，如此往复循环实现压缩机回收利用。

夏季模式，压缩空气高温段用于加热热媒水至80 ℃，热媒水送至吸收式制冷机组
作为发生器热源，放热后降至70 ℃再送回高温段热回收器，如此往复循环实现压缩机余热回收利用。

吸收式制冷机组可以制取4～12 ℃的冷媒水用于夏季制冷，
制冷系数取0.75。

集中供热/制冷热回收量核算，如表2所示。

表2 集中供热/制冷热回收量计算Tab.2 Calculated heat recovery amount for heating/refrigeration system项目压缩空气入口温度/℃压缩空气出口温度/℃热媒水供水温度/℃热媒水回水温度/℃热媒水流量/（t·h-1）采暖水供水温度/℃采暖水回水温度/℃供热量/kW冷冻水供水温度/℃冷冻水回水温度/℃制冷量/kW冬季100 75 75 65 372.09 65 55 4 327.46- - -夏季100 80 80 70 298.26- -- 12 17
2 601.60
3 节能与环境效益分析
除了进行热回收潜力和热经济性分析，评价热回收系统的经济效益和环境效益非常重要，是指导工程技术人员选择热回收方式的重要依据。

本研究仅评价热回收节能经济效益和温室气体减排效益，暂不考虑热回收系统的投资成本。

为了明确空压机余热回收节能经济效益与减排效益计算依据，设定生产和节省的电力是替代常规火力发电厂供电；余热供热是替代区域锅炉房产生的热力；余热制冷是替代电压缩制冷。

余热回收节能经济效益计算式
式中：Pg、Pc分别表示余热发电、余热制冷的节能单价，元/kWh；Ph表示区域供暖的节能单价，元/GJ；Wg、Wc分别表示余热发电和余热制冷节电负荷，kW；Qh为区域供暖负荷，GJ/h；Hg、Hf、Hc分别表示余热发电、区域供暖、余热制冷设备的年运行时间，h。

余热回收碳减排效益计算式
式中：eg、ec分别表示余热发电、余热制冷节电单位负荷温室气体排放强度，
kg/kWh；ef表示区域供暖节煤单位负荷温室气体排放强度，t/t；Qf为区域供暖节标煤量，t/h。

余热回收经济与环境效益评价的主要计算参数：供热价格31 元/GJ，电价0.512
6 元/kWh，供热锅炉效率85%，机组年运行时间8 760 h，冬季供暖期3 624 h，夏季制冷期2 400 h，煤炭CO2排放系数2.64 t/t，电力CO2排放系数0.75
kg/kWh，压缩式制冷系数3.5。

图6和图7显示了3种余热回收方式在节能经济效益与CO2减排效益两个方面的比较结果。

从图中可以看出，3 种余热回收单独运行，ORC 余热发电可以全年稳
定运行，年节能经济效益最高，达268.46 万元，年CO2减排量3 927.95 t；区
域供暖余热回收在冬季运行，年节能经济效益175.02万元，年CO2减排量明显
高于其他余热回收方式，达到5 990.61 t；在热用户充足的情况下，可以考虑采用冬季供暖与夏季制冷运行模式，年总节能经济效益266.46万元，年总CO2减排
量7 328.57 t。

图6 年节能经济效益比较Fig.6 Comparison of annual energy-saving economic benefits
图7 年碳减排效益评价Fig.7 Comparison of annual carbon dioxide emission reduction
综上分析，ORC余热发电、冬季供热与夏季制冷余热回收模式均能够充分利用空
压机的压缩空气余热，并且节能经济效益与环境效益显著。

然而，冬季供热与夏季制冷双余热回收系统相对复杂，并且需要充足且稳定的热用户。

当热用户不足时，其余热回收效益无法达到最佳。

而ORC 余热发电则可以连续稳定供应企业用电，减少企业外购电力，节能减排效益显著。

4 结论
（1）空压机各级压缩空气冷却存在大量余热，100 ℃的压缩空气在进入循环水冷却器前可以作为ORC余热发电、区域供暖和余热制冷的热源，从而降低能源消耗和温室气体排放。

（2）ORC 技术可以有效利用低温余热发电。

本研究的ORC系统方案采用正戊烷（n-pentane）作为循环有机工质，经过优化模拟计算，无需设置回热器，系统循环热效率、净输出功和系统循环火用效率在工质蒸发温度为54.5 ℃时达到最佳，分别为8.07%，597.86 kW和29.15%。

（3）3种余热回收方式中，ORC余热发电可以全年稳定运行，年节能经济效益268.46万元，年碳减排量3 927.95 t；在热用户充足的情况下，可以考虑采用冬季供暖与夏季制冷运行模式，年总节能经济效益266.46万元，年总碳减排量7 328.57 t，但需要注意双余热回收模式系统将会增加投资和维护成本。

（4）本研究可以进一步考虑余热回收系统的投资成本，以余热回收系统的年综合经济收益和碳减排量为评价目标，建立多目标余热回收系统设计优化模型，使设计方案更具有可实施性。

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