烟气余热有机朗肯循环发电系统介绍

烟气余热有机朗肯循环发电系统介绍
烟气余热有机朗肯循环发电系统中期完成了对有机朗肯循环（ORC）系统的整体设计，ORC系统有机工质的选择及模拟计算、高效蒸发器和冷凝器的设计和模拟计算以及高效一次表面换热器冷凝器的模具加工。

1、有机朗肯循环（ORC）系统的整体设计
本方案针对工业烟气的余热回收进行研究。

目前国内对烟气余热回收的方式有热热回收和热电回收。

由于热热回收后的中低温热能不易储存，经常被丢弃，本方案采用余热发电技术对工业烟气进行热电回收。

有些工业烟气余热温度较低（小于250℃），难以采用常规的发电技术进行余热回收发电。

低沸点循环发电技术是解决这一问题的一条途径。

烟气余热ORC发电系统，其工艺装配示意图如图1所示。

图1ORC发电系统工艺装配示意图
系统包括烟气循环、有机朗肯循环和冷却水循环系统，其工艺流程图如图2所示（工艺图上包含了温度计、压力计等传感器）：
图2烟气余热发电系统工艺流程图
1）烟气循环中。

烟气经蒸发器换热，然后经风机回到烟气混合器中。

2）低沸点ORC系统。

低沸点有机工质通过蒸发器与烟气进行换热，吸收热量后，由液体变成高温高压的气体，经汽轮机绝热膨胀，对外做功变成低温低压的气体，再经冷凝器放热变成饱和的液体，然后通过有机工质泵等熵压缩到高压并流到蒸发换器中进行换热。

3）冷却水循环。

冷却水经冷凝器吸热后，通过循环水泵加压，进入冷却塔，经冷却塔冷却后，再回到冷凝器中。

2、ORC系统有机工质的选择
在余热发电过程中，工质对系统的性能起着关键作用。

在选择工质时，力求工质在热源条件下吸热多，并能把吸收的热量有效地转化成功。

理想的有机朗肯循环工质应该具备有如下的特征：
1)临界温度应该略高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸
多问题；
2)工质的压力水平适宜。

循环中蒸发温度所对应的饱和压力不应过高，冷凝
温度对应饱和压力不宜过低，最好能保持正压，以防止外界空气的渗入而影响循环性能；
3)在T—S图中饱和蒸气线上ds／dT应接近零或大于零；
4)比热容小，粘度低，传热系数高，热稳定性好；
5)毒性小、不易燃、不爆炸且与设备材料和润滑油具有良好的兼容性；
6)不污染环境，ODP和GWP值较低；
7)价格便宜，且易于获得。

对于ORC系统常用的工质有R123、R245fa、R245ca、异丁烷等。

本设计先预选了8种有机工质（R123R124R142B R236EA R114R245fa R123 R141B R600），并对每种工质系统进行设计计算。

通过对工质的热效率，不可逆性损失，单位工质的发电量，压力水平以及安全性综合考虑比较，本烟气余热发电系统的工质选用R245ca。

3、ORC系统模拟计算及计算软件开发
3.1ORC系统模拟计算过程
本项目发电功率为200KW，热源烟气温度为100℃-200℃（平均150℃），蒸发器出口温度为100℃左右。

冷却水最低温度为32℃左右，在冷凝器出口温度为42℃左右。

若工质与烟气的换热温差▽T1=30℃，工质与冷却水的换热温差▽T2=5℃左右，从而可知工质在汽轮机进口处的温度约为T4=120℃，工质在冷凝器出口的温度约为T1=37℃。

根据热源烟气状况，当地气候条件以及有机朗肯循环原理，确定工质各状态点在T-S图上的物理参数如图3所示，有机工质各状态见表1。

图3ORC工质T-S图
表1.有机工质各状态点参数
各点序号
温度（℃）
压力（MPa）
焓（KJ/Kg）
熵(KJ/(Kg.
℃))
1370.16443.09 1.792370.17248.61 1.173115 1.29363.57 1.494120 1.29508.27 1.875
62
0.17
468.28
1.87
工质在汽轮机内的焓降：Kg
Kj h h h / 40.5054=−=∆发电量为200KW 时，所需工质的质量流量为
h
t h W M /25.39 7
.05.406
.320022=××=×∆=
η蒸发器内的换热量
KW h h M Q 603.1830)61.24827.508(05.7)(1421=−×=−×=所需的烟气流量
h
m s Kg t c Q M /1025.154/36.429
.0501167.1603
.183033111×==××=×∆×=
η冷凝器内的换热量
KW h h M Q 67.1548)248.61468.28(05.7)(1523=−×=−×=所需冷却水的流量
h
m s Kg t c Q M /1049.147/97.409
.0102.467
.154833113×==××=×∆×=
η系统热效率
%
59.15)
(1
40154=−−−−=
h h h h h h η将以上计算结果汇总如下表2。

表2.200KW 余热发电系统工况计算结果
工质名称
最大压力（MPa ）
最小压力（MPa ）
系统热效率（%）
汽轮机出口温度（℃）
汽轮机中的焓降
(Kj/Kg)
工质流量（t/h ）烟气流量
（t/h
）
冷却水流量（t/h ）
R245ca
1.290.1715.596240.0525.39131.11147.49
通过计算，200KW 的发电机组可回收的热量为1830.06KW 扣除附属设备，有机朗肯循环系统的热效率为15%，这在目前低温朗肯循环热效率中是较高的。

3.2ORC 系统模拟计算软件开发（进行中）
针对ORC 系统的模拟过程，开发出ORC 系统的计算软件，软件的输入为烟气入口温度、压力，蒸发器出口温度，冷却水实际温度以及选择的工质，软件的输出为ORC 热效率、不可逆损失及实际发电量等。

4、高效蒸发器设计、模拟计算及计算软件开发
因为烟气灰尘较大，因此，本系统蒸发器采用翅片管式换热器，工质在管内蒸发，烟气则通过管外壁换热，管外的翅片可以大大增加换热面积，这是当前国内外普遍采用的气-液换热器形式，其结构紧凑，耐磨性强，非常适合于烟气余热回收利用。

其整体形式如图4。

图4翅片管式高效蒸发器整体示意图（忽略翅片）
管板起到固定管束的作用。

工质通过下集箱进入换热器，吸收空气热量蒸发
后从上集箱离开换热器，空气则以垂直于管束方向通过换热器管外。

翅片采用矩形翅片形式，这样的形式的特点是翅片与管子之间能够很好的焊接固定，可以有效减少间隙热阻。

形式示意如图5。

图5矩形翅片管示意图
翅片管式蒸发器设计参数见表3
表3：管翅式蒸发器设计参数
4、高效一次表面换热器冷凝器设计和模拟计算
本系统所用冷凝器的效率直接影响ORC系统的热效率，因此国内外在ORC 系统冷凝器的研究也越来越重视，但目前国内外使用的冷凝器基本还是采用管式或翅片管式。

众所周知，管式换热器换热效率低，占用体积庞大，这对紧凑型工厂很不适应，因此，本系统采用目前世界上换热效果好、紧凑度高的一次表面换热器。

全焊式一次表面换热器是一种当今国际上最先进的高效紧凑的换热器型式，具有传热系数高，紧凑度高，能够有效地适应温度梯度造成的热应力等特点。

在本系统设计中，水与工质在冷凝器中以逆流方式换热，使得传热温差可以达到最大，这样的流动形式可以显著减小所需换热面积。

冷凝器板片形式如图6所示。

图6一次表面换热器板片示意图
将图6所示板片封装在壳体内，其整体形式如图7所示，其中工质为R245ca，冷凝介质为水。

全焊高效板式换热器是一种当今国际上最先进的高效紧凑的换热器型式。

它采用了不同于传统回热器的设计思想，融合了管壳式、板翅式和板式等几种换热器的优点，新颖性主要体现在如下几点：
1）其所有的回热面都由直接参与热量交换的一次表面构成，能够比板翅式和管壳式结构更有效地利用材料和空间，因此换热效率高，回热度在90
％以上；
2）介质流动通道的当量直径小（也可以根据需要调整当量直径大小，从而满足工艺需要），而且冷、热流体在换热芯体内处于完全逆流动，因此
传热系数高、传热温差大；
3）换热芯体采用模块设计，由多个换热单元组成，易于生产、装配和调节，
具有很强的适应性和可靠性；
4）换热单元的内部可以不存在焊点和焊缝，板片及换热单元能够有效地适应温度梯度造成的热应力，大大增强了抵抗热循环疲劳的能力。

当然，
为了增加冷热通道的抗压强度，板片间凸点可以焊接；
5）制造费用和周期与板翅式相当。

一次表面换热器通常采用模块化设计，在需要时可以将几个模块串联或并联连接，这样的设计可以使制作、运输和安装更为方便，并且可以更合理的利用场地空间。

波纹板式冷凝器设计参数见表4。

表4一次表面换热器参数设计表
，全焊式一次表面冷凝器的模具已加工完成，模具经过冲压获得的波纹板片如图7所示。

图7一次表面冷凝器波纹板片示意图
图7是一次表面换热器板片示意图，图8为模具加工而成的波纹板片实体图，将图8所示板片封装在壳体内，其整体形式如图9，其中工质1，2分别代表水和冷凝工质（R245ca）：
图8波纹板片实体图
图9冷凝器整体形式示意图
加工出的实体一次表面换热器图如照片图10所示。

图10一次表面换热器实体照片
5、正在申请的专利
针对高校换热器，正在申请的专利有：
1）实用新型专利，用于烟气余热回收的一次表面换热器。

2）发明专利，一种高效低压损紧凑型一次表面回热器。

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