Application of organic Rankine cycle in multi-grade waste heat power generation

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-1526

Abstract

Abstract:

The full utilization of low-temperature waste heat can effectively improve the efficiency of energy use and reduce the energy consumption. The waste heat generated from the production process of sulfur-containing natural gas purification plants was the object of current study, and the quality of waste heat resources and the potential for waste heat recovery were analyzed and evaluated．Compared with the existing waste heat power generation schemes，a multi-grade heat recovery power generation scheme (MG-ORC) based on ORC was proposed, and thermodynamic analysis of the power generation scheme was conducted．The performance of the MG-ORC power generation scheme under different cycle conditions was compared using the orthogonal experiment method．The results showed that the comprehensive properties of R-600 were the best among other working media. The thermal efficiency of MG-ORC was 17.7%，and the net output power was about 2600 kW．The study confirmed that the MG-ORC power generation scheme can effectively and rationally utilize the waste heat generated from the sulfur-containing natural gas purification plant through cascade utilization of energy．

Key words: natural gas purification, multi-grade waste heat, waste heat utilization, organic rankine cycle, orthogonal experiments, cascade utilization

摘要：

低温余热的充分利用能够有效提高能源的利用效率、降低生产企业的能耗。本文以含硫天然气净化厂生产过程产生的余热为研究对象，对余热资源品位、余热回收潜能进行了分析和评价。通过对不同的余热发电方案进行分析对比，提出了以有机朗肯循环（ORC）为基础的多品位余热发电方案（MG-ORC），并对该发电方案进行了热力学分析。借助正交实验手段和多目标优化方法，对不同循环工质条件下MG-ORC发电方案的性能进行了对比分析，结果表明：工质R-600较其余4种工质表现出更优的综合性能，MG-ORC发电系统热效率为17.7%，净输出功率约2600kW。MG-ORC发电方案能够有效合理利用含硫天然气净化厂产生的余热，实现了能源的按质用能和梯级利用。

关键词: 天然气净化, 多品位余热, 余热利用, 有机朗肯循环, 正交实验, 梯级利用

CLC Number:

TE09

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Figures/Tables 10

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余热资源	生产设备	流量/kg?h^-1	温度/℃	压力/kPa
高压蒸汽	余热锅炉	3570.0	188.7	1220
中压蒸汽	热段冷凝器	307.4	145.2	418
低压蒸汽	克劳斯冷凝器	86.6	103.6	115
	一级CPS冷凝器	430.3	103.6	115
	二级CPS冷凝器	122.3	103.6	115
	三级CPS冷凝器	121.3	103.6	115
热水	各级冷凝系统	4638.0	98.0	108

余热资源	生产设备	流量/kg?h^-1	温度/℃	压力/kPa
高压蒸汽	余热锅炉	3570.0	188.7	1220
中压蒸汽	热段冷凝器	307.4	145.2	418
低压蒸汽	克劳斯冷凝器	86.6	103.6	115
	一级CPS冷凝器	430.3	103.6	115
	二级CPS冷凝器	122.3	103.6	115
	三级CPS冷凝器	121.3	103.6	115
热水	各级冷凝系统	4638.0	98.0	108

余热种类	能级	理论功值/kW
高压蒸汽	0.3158	839.3
中压蒸汽	0.2630	59.1
低压蒸汽	0.1959	106.8
热水	0.1056	41.6

余热种类	能级	理论功值/kW
高压蒸汽	0.3158	839.3
中压蒸汽	0.2630	59.1
低压蒸汽	0.1959	106.8
热水	0.1056	41.6

发电方式	工艺特点	优点	缺点
ORC	系统构成简单；采用低沸点有机物为工质	工作压力适宜；余热回收效率高；适应性广	换热器结构较为复杂
闪蒸发电	系统结构简单；对于高压的热水，可不需要换热设备	换热器结构简单；对余热资源稳定性要求不高；设备、技术成熟	热效率低；性能受工艺参数影响大；设备成本高
卡琳娜循环（Kalina）	以氨-水混合物为工质，工质变温蒸发与热源温度匹配性高	工质混合比例调节方便，运行方式灵活；效率较高	系统较为复杂；氨气具有一定的毒性
斯特林循环	外燃式发动机，燃烧产物不和工质混合	高效率、低污染、运行平稳；温差要求低；循环效率高适应性广	造价高；密封问题未得到完全解决；启动慢
温差发电	采用热电材料发电，具有广阔的运用前景，发展空间大	免维护、高可靠、寿命长；无噪声、无部件摩擦；基本无环境污染	造价昂贵，性价比低；热能转化效率低，输出功率不高