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为改善能源结构,提高能源效率,利用我国钢铁厂沿海化、集中化的趋势结合LNG接收站沿海建设的特点,采用目前在低温余热回收领域表现较好的ORC(有机朗肯循环)技术对LNG冷能和高炉冲渣水余热进行同时回收。
建立了利用LNG冷能和高炉冲渣水余热的ORC系统物理模型以及数学模型,以此为基础总结了系统工质筛选的基本原则。除通用工质筛选原则外,针对像LNG冷能这样具有特殊性的超低温冷源,由于冷热源温差非常大,高达257℃,当冷凝温度较低时,干工质和等熵工质的冷凝压力一般比湿工质低,会造成膨胀机膨胀比过大,湿工质因此也在系统工质的筛选范围内。同时为了解决ORC膨胀机膨胀比过大问题,探讨了采用双级ORC循环。
利用Refprop9.0NIST工质数据库,同时在Matlab软件中建立热力模型,计算各工质的单位质量发电能力、系统热效率和?效率。系统主要由ORC双级循环和LNG直接膨胀循环组成,ORC双级循环部分为A、B两级,当A、B级采用同种工质时,发现R152a、R161和R600a是比较合适的工质;当A、B级采用不同工质时,发现当A级采用butene,B级采用R161、R32、R152a,是比较合适的工质。以R161和R152a为代表比较这两种工质筛选方式,发现A、B采用不同种工质相比A、B采用同种工质时不一定能够提高系统的热效率和?效率,但是A、B采用不同种工质可以增加提高系统性能的可能性,并且工质不需要同时满足A、B两级的温度要求,对于A级工质不需要考虑到LNG低温要求而采用湿工质,减少了过热器等装置的投入。
影响系统性能的另一个重要因素是循环参数。主要研究了蒸发温度、中间冷凝温度、冷凝温度、LNG气化压力、LNG供气压力对系统热效率和?效率的影响。由于受热源温度(90℃)限制,不存在热效率和?效率的极值点。通过提高蒸发温度,同时降低冷凝温度,可以提高系统热效率和?效率。
系统热效率和?效率在中间冷凝温度、LNG气化压力升高的过程中,均存在先增大然后减小的趋势,在曲线上存在极值点使系统热效率和?效率最大,且不在同一中间冷凝温度或LNG气化压力下实现,当中间冷凝温度为23℃时,热效率最大,为36.42%;当中间冷凝温度为21℃时,?效率最大,为44.93%。当LNG气化压力为4.4MPa时达到热效率的极大值,为37.39%;当LNG气化压力为4.2MPa时,?效率达到最大值,为46.00%。
系统热效率和?效率在LNG供气压力升高时,均呈下降趋势,当供气压力为0.2MPa时,?效率最大,为49.92%。
在对循环最优参数点进行多目标优化过程中,采用了Matlab遗传算法工具,以热效率和?效率为目标,最终得到最优工况点为蒸发温度356.00K、中间冷凝温度292.48K、冷凝温度210.00K、LNG气化压力3.92MPa和LNG供气压力0.20MPa,此时热效率为46.12%,?效率为51.67%,总发电量为4.39MW。
建立了利用LNG冷能和高炉冲渣水余热的ORC系统物理模型以及数学模型,以此为基础总结了系统工质筛选的基本原则。除通用工质筛选原则外,针对像LNG冷能这样具有特殊性的超低温冷源,由于冷热源温差非常大,高达257℃,当冷凝温度较低时,干工质和等熵工质的冷凝压力一般比湿工质低,会造成膨胀机膨胀比过大,湿工质因此也在系统工质的筛选范围内。同时为了解决ORC膨胀机膨胀比过大问题,探讨了采用双级ORC循环。
利用Refprop9.0NIST工质数据库,同时在Matlab软件中建立热力模型,计算各工质的单位质量发电能力、系统热效率和?效率。系统主要由ORC双级循环和LNG直接膨胀循环组成,ORC双级循环部分为A、B两级,当A、B级采用同种工质时,发现R152a、R161和R600a是比较合适的工质;当A、B级采用不同工质时,发现当A级采用butene,B级采用R161、R32、R152a,是比较合适的工质。以R161和R152a为代表比较这两种工质筛选方式,发现A、B采用不同种工质相比A、B采用同种工质时不一定能够提高系统的热效率和?效率,但是A、B采用不同种工质可以增加提高系统性能的可能性,并且工质不需要同时满足A、B两级的温度要求,对于A级工质不需要考虑到LNG低温要求而采用湿工质,减少了过热器等装置的投入。
影响系统性能的另一个重要因素是循环参数。主要研究了蒸发温度、中间冷凝温度、冷凝温度、LNG气化压力、LNG供气压力对系统热效率和?效率的影响。由于受热源温度(90℃)限制,不存在热效率和?效率的极值点。通过提高蒸发温度,同时降低冷凝温度,可以提高系统热效率和?效率。
系统热效率和?效率在中间冷凝温度、LNG气化压力升高的过程中,均存在先增大然后减小的趋势,在曲线上存在极值点使系统热效率和?效率最大,且不在同一中间冷凝温度或LNG气化压力下实现,当中间冷凝温度为23℃时,热效率最大,为36.42%;当中间冷凝温度为21℃时,?效率最大,为44.93%。当LNG气化压力为4.4MPa时达到热效率的极大值,为37.39%;当LNG气化压力为4.2MPa时,?效率达到最大值,为46.00%。
系统热效率和?效率在LNG供气压力升高时,均呈下降趋势,当供气压力为0.2MPa时,?效率最大,为49.92%。
在对循环最优参数点进行多目标优化过程中,采用了Matlab遗传算法工具,以热效率和?效率为目标,最终得到最优工况点为蒸发温度356.00K、中间冷凝温度292.48K、冷凝温度210.00K、LNG气化压力3.92MPa和LNG供气压力0.20MPa,此时热效率为46.12%,?效率为51.67%,总发电量为4.39MW。