徐晓虹

（1.南京苏杨生物科技有限公司，江苏 南京 210038；2.上海道发能源科技有限公司，上海 202150）

大量低品位和低等级的废热在大型的石化厂运营中被产生，不仅造成环境污染，而且造成了能量的浪费。热能回收和功率回收（将废热转化为电能或再利用电力）是目前回收低等级余热的主要手段。余热发电是中低温热源余热利用的有效手段，余热发电循环根据流程不同，工质不同，可以分为3种类型：水蒸汽朗肯循环（Steam Rankine Cycle，SRC），有机工质朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC），卡琳娜循环（Kalina Cycle）[1]。对低品位热源高效热能利用的研究，对解决能源危机和环境保护具有重要的现实意义。本研究主要对炼油厂的低品位余热进行有机朗肯循环和卡林纳循环模拟及性能分析。

1 计算模型

图1是有机朗肯循环和Kalina循环的示意图。循环流体和操作参数的选择是影响朗肯循环系统性能的主要因素。作为对传统蒸汽朗肯循环的改进，Kalina循环是具有氨和水的混合物的动力循环。通过使用氨水混合物在变温条件下实现沸腾特性，废热源的复合曲线可以更好地与工作介质的复合曲线相匹配。Karina循环具有比水蒸气朗肯循环更高的热效率。Kalina循环比普通蒸汽朗肯循环更有效（恢复673.15～873.15 K的显热源，具有大的温差）。当比较有机朗肯循环和Kalina循环的热力学性质时，许多研究已将热源分类为潜热源和显热源。许多研究表明，Karina循环在残余热等级较高的情况下具有显著优势，但对于较低等级（低于473.15 K），当余热特性不同时，不同的研究人员对这两个循环的热力学性能存在很大的争议。

炼油厂的余热资源很复杂：温度范围很宽，在某些情况下，潜热和显热仍然存在。因此，有必要对再生废热源进行分类，并分析两个动力循环的不同类型的余热特性的热效率和效率。

2 典型循环

2.1 有机朗肯循环

典型的有机朗肯循环包括预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器和溶液泵。有机工作流体回收预热器和蒸发器中低等级热源提供的热量，预热器的出口温度应为有机工作流体的泡点温度。然后工作流体蒸汽在涡轮机中膨胀工作，涡轮机出口处于低温低压状态，涡轮机出口废气由冷凝器冷凝并送至溶液泵[3]。

图1 有机朗肯循环和卡琳娜循环原理

2.2 卡琳娜循环

卡琳娜循环包括预热器、蒸发器、涡轮机、冷凝器和溶液泵。有机工作流体回收预热器和蒸发器中低等级热源提供的热量，预热器的出口温度应为工作介质的泡点温度，然后工作流体蒸汽在涡轮机中膨胀工作，涡轮机出口处于低温和低压状态，涡轮机出口废气由冷凝器冷凝并送至溶液泵。

在这项工作中，AspenPlus软件用于模拟朗肯循环的剩余热循环和Kalina动力循环恢复过程。原则上，Kalina循环是朗肯循环的改进。改进主要体现在朗肯循环的循环过程中：将作为循环介质的水变成了混合物。有机朗肯循环能量损失的主要来源分为以下[4]：热传递损失，动力损耗与物理损失及燃烧不充分能损；水蒸气生成以后做功转化电能过程中存在的蒸汽压力损失与凝结热损失，系统管道热耗散损失、管道流动损失等；发电过程中的摩擦损失和机械损失。在有机朗肯循环和Karina循环的模拟计算中，废热锅炉的热损失最大。从模型㶲效率分析结果可知，在卡琳娜循环系统中，随着氨液浓度的减小，循环中汽轮机的㶲损变大，㶲损失减小。综合考虑以上情况，不难得出结论，氨液的浓度会与设备最小㶲损之间存在一个平衡。从模拟结果中还可以看出，热换热器是主要的㶲损失设备，并且是提高整个流程㶲效率的主要潜力优化对象。

3 结语

研究循环过程中工质的不同物理性质的变温特性和循环热过程的不可逆损失，对于有效利用低品位余热能源，节能环保具有重要的现实意义。石油炼厂产生的低品位余热资源分为显热源，复合热源和潜热源。在不同余热的情况下，本研究通过AspenPlus软件对有机朗肯循环和卡琳娜循环进行了建模，并对两张模型进行了计算比较和分析。当剩余热源是显热源时，卡琳娜循环系统优于有机朗肯循环的热力学性能；当低品位热源是潜热源，或复合热源（潜热与显热相同时），有机朗肯循环系统热力学性能优于卡琳娜循环系统。