基于闪蒸循环的冷热电联供系统的热力学及分析

卢丹凤，潘 振，商丽艳，周 莉，姚秀清，孙 超

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学 环境与安全工程学院，辽宁 抚顺 113001；3. 辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；4. 中国石油管道局工程有限公司，河北 廊坊 065000）

由于一次能源的大量使用，能源短缺与环境恶化日益显现，为解决这一问题，科研工作者将目光放在了各类低品位余热资源与清洁能源上。LNG作为一种高效清洁能源，其消费比重呈逐渐上升趋势。而建立在能源梯级利用基础上的冷热电三联供（CCHP）系统因可实现LNG等资源的高效利用而备受关注。

李子申等[1]提出了一种以非共沸混合物作为工质的内置热泵有机朗肯循环（ORC）的CCHP系统。Zhang等[2]以LNG作为冷源，提出了一种利用ORC及卡琳娜循环（KC），采用蒸汽辅助重力排水工艺生产重油的废热回收系统，为工程应用提供了新的可能。在此基础上针对稠油开采余热利用问题，张丽等[3]又提出了一种结合KC及低温制冷循环（RC）的CCHP系统，并通过分析关键参数对循环性能的影响，确定了系统最佳运行工况。Zare[4]提出了一种利用地热能的CCHP系统，并通过对比KC与ORC系统的热力学性能，得出了使其性能最佳的地热温度。同样利用地热资源，董师彤等[5]将3种KC与吸收式制冷循环相结合，比较了其联供系统的热力与经济性能，最终得出在不同的地热温度下，3种KC系统的热力与经济性能表现不同的结论。于泽庭等[6]提出了一种基于固体燃料电池的CO2近零排放冷热电联供系统，分析了燃料利用率、空燃比、燃料电池入口温度与工作压力变化对系统性能的影响，最终确定了系统最佳运行工况。从目前针对CCHP系统的研究可知，其研究方向主要集中在系统设计、优化运行与经济性分析，而对于系统在环境影响方面的研究有所欠缺。

本文以低温烟气为热源、LNG冷能为冷源进行余热与液态CO2回收。基于冷热源温位区间，提出了一种发电-制冷-供热的集成LNG冷能利用工艺，对冷热源进行逐级换热，以降低系统㶲损失。在热力学研究的基础上结合㶲分析方法，对CCHP系统设备及各循环模块进行经济性与环境性分析，以期得到系统的最佳运行工况。

1 系统模型

1.1 系统介绍

以 闪蒸循环（FC）、ORC及RC等 模块组成CCHP系统循环流程如图1所示。为与热源温度有较好的匹配度，在FC模块中选取R152a作为工质。R152a经Pu 1压缩成高压饱和液后进入Eva 1与热源换热使其被加热至饱和气态，随后进入Tur 1进行一级膨胀，经膨胀后的乏气与Eva 2中的冷水换热降温，达到制热目的。而Eva 2中出口的中温中压不饱和工质经Sep 1分为气液两股，其中气相工质进入Tur 2进行二级膨胀，液态工质经Val 1降至指定压力后与Tur 2出口的有机工质同热空气同时换热以达到制冷目的。与此同时经Val 1降压后的低温液相工质经加热至气相后进入Tur 3膨胀至最终状态，两股物流最终混合后再与LNG换热，换热后的低温低压工质再次进入Pu 1以完成一个循环。热源流经FC换热模块后进入以R1150为工质的ORC模块，其循环原理与一般ORC相同。而后热源进入以R134a作为工质的RC模块中，提高LNG温度，使其在直接膨胀过程中能够产生更多发电量的同时也达到了制冷目的。而当热源与ORC模块换热完成后，其蒸发器出口处的低温CO2再与膨胀机出口的LNG进行换热，最终实现CCHP系统对液态CO2捕集回收的目的。

图1 CCHP系统循环流程Fig. 1 CCHP system circulation process

流程中3种工质的物性参数如表1所示。

表1 3种工质的物性参数Table 1 Physical parameters of three working fluids

1.2 模型的建立

采用化工模拟软件对CCHP系统流程进行建模分析，并进行以下假设：（1）换热器压降、中间摩阻损失及向外界散失的热量忽略不计；（2）CCHP系统处于稳定运行中；（3）冷凝器出口为饱和液态工质；（4）工业废气为CO2纯工质。该系统的设计参数如表2所示。

表2 CCHP系统关键设计参数Table 2 Key design parameters of CCHP system

1.2.1 热力学模型

本文中热力性能研究基于热力学第一定律与热力学第二定律，其中基于热力学第一定律的热效率ηth计算公式为：

㶲效率ηex分析基于热力学第二定律，CCHP系统收益㶲为做功、制冷、制热及CO2捕集量，计算公式如式(2)。其中CO2捕集量为工业废气与LNG直接换热后，由其降温液化所得的液态CO2㶲值。

LNG冷㶲效率ηLNG,ex计算公式为：

其中各物流的㶲值 计算公式为[7]：

1.2.2 㶲经济模型

㶲经济评估是一种结合了㶲分析的经济评估方式，第k个设备的经济平衡方程为[8,9]：

式中每个设备的投资成本率 计算公式为[10,11]：

式中，Zk为每个设备的投资成本，计算模型如表3所示；CRF为资本回收系数，计算公式为[12,13]：

表3 投资计算模型Table 3 Investment calculation model

表示设备成本与㶲损成本间关系的㶲经济因子fc是㶲经济研究中的一项重要参数，计算公式为[14]：

相对成本差异rc是衡量产品和燃料㶲单位成本之间差异的标准，计算公式为[15,16]：

1.2.3 㶲环境模型

环境影响一直是能源利用的重要问题，一些科研工作者认为㶲可作为提供有关能源质量与影响环境的材料信息的客观性指标[20]。㶲效率提高时，环境影响率也可能被直接改变。㶲环境分析是一种与全生命周期结合并将分析结果归因于㶲的分析方法[21]。进行㶲环境分析时所需的数据由Ecoindicator 99量化提供，每个设备的估算材料及Ecoindicator 99系数如表4所示。评估方法为利用旨在获取每个设备的特定环境效果的㶲环境平衡方程[15]：

表4 每个设备的估算材料及Eco-indicator 99系数[18,22,24,25]Table 4 Estimated materials and coefficients of Eco-indicator 99 for each equipment

每个设备的环境影响值 计算公式为[18]：

不同设备的质量计算方式存在差异，对于换热器，其质量Mk计算公式为[18]：

对于膨胀机与工质泵来说，其质量Mk计算公式如下所示[18]：

为评估整个CCHP系统与其设备的环境影响，引入了㶲环境因子fb与相对环境影响差异值rb。㶲环境因子表示为设备的环境影响与㶲损环境影响之间的关系，其计算公式为[22]：

相对环境影响差异可表述为基于CCHP系统的第k个设备减少环境影响的潜力，其计算公式为[22,23]：

2 结果与讨论

2.1 热力学结果分析

为讨论CCHP系统对余热以及LNG冷能的回收利用情况，评估关键参数对该系统热力性能的影响，采用Aspen HYSYS软件对其进行了稳态模拟，通过软件自带的工质物性参数与P-R状态方程对该系统进行了热力学计算。

2.1.1 蒸发温度与蒸发压力的影响

在不同蒸发温度（t1）下CCHP系统的净输出功、制热量、制冷量和CO2捕集量随蒸发压力（p1）的变化情况如图2所示。由图2(a)可知，当p1保持不变时，净输出功随t1的升高而降低，但总体变化不大；而当t1不变时，净输出功随p1的升高而增大。这是由于当t1升高时，换热器工质侧的焓变量增大，根据能量平衡方程，当输入该系统的热量保持不变时，工质的质量流量会减小，因此工质进入膨胀机的做功量也会相应减少。与此同时，工质在冷凝器中与LNG的换热量减少，从而导致闪蒸循环冷凝器出口端的LNG温度降低。当其它循环模块的参数不变时，进入两相膨胀机的LNG干度降低，从而使LNG直接膨胀做功量减少，净输出功降低；当p1升高时，进入膨胀机的工质做功量增加，与此同时，工质的质量流量增加，因此进入膨胀机的工质做功量增加，同时也增加了其在冷凝器中的换热量，从而提高了LNG在冷凝器出口处的温度，同理提高了其在膨胀机进口处的干度，增加了LNG膨胀做功量，提高了净输出功。

由于CCHP系统提出的目的是为了实现冷热电三联供与回收CO2，因此在讨论净输出功的同时还存在对该系统制冷、制热以及CO2捕集量数据的研究。如图2(b)、2(c)和2(d)所示，制冷量由FC与RC两部分提供，当其它参数不变，仅改变t1与p1时，其原理与循环净功相同。而制热量随t1的升高而增大，随p1升高而减小。利用LNG冷能液化CO2，当p1升高时，LNG直接膨胀后干度降低，由于固定了NG出口温度，LNG-CO2Exc中换热量增加，使得换热后的CO2干度增加，经Sep 2分离后得到的液态CO2量也随之增加；而当t1升高时，LNG直接膨胀后干度上升，此时LNG-CO2Exc中的换热量减少，换热后的CO2干度减少，经Sep 2分离后得到的液态CO2量随之减少。

图2 蒸发温度和蒸发压力对CCHP系统净输出功(a)、制冷量(b)、制热量(c)及CO2捕集量(d)的影响Fig. 2 Influence of evaporation temperature and pressure on net output power (a), refrigerating capacity (b), heating capacity (c)and CO2 capture capacity (d) of CCHP system

CCHP系统的热效率随t1与p1的变化情况如图3所示。由图3可知，其变化趋势与净输出功相同。这是由于该系统热源为闭式热源，即系统总吸热量保持不变，根据热效率计算原理，当吸热量保持不变时，其净输出功变化趋势即为热效率变化趋势。

图3 蒸发温度和蒸发压力对CCHP系统热效率的影响Fig. 3 Influence of evaporation temperature and pressure on thermal efficiency of CCHP system

t1与p1对CCHP系统㶲效率及冷㶲效率的影响如图4所示。由图4可知，当t1或p1改变时，㶲效率变化范围在67.8%~68.0%之间，而冷㶲效率变化在69.4%~69.5%之间，即总体变化不大。从以上分析可知，当目标变量变化时，做功、制冷、制热及CO2捕集量均会随之变化，几种热力参数此消彼长。从图2、图3和图4中可以看出，使该系统运行的最佳t1与p1分别为115 °C与4.5 MPa。

图4 蒸发温度和蒸发压力对CCHP系统㶲效率及冷㶲效率的影响Fig. 4 Influence of evaporation temperature and pressure on exergy efficiency and cold exergy efficiency of CCHP system

2.1.2 乏气压力与进口干度的影响

当确定了最佳t1与p1后，再研究其它参数对其性能的影响。闪蒸循环一级膨胀乏气压力（p2）对CCHP系统性能的影响如图5所示。由图5可知，当其它参数不变，p2升高时， CCHP系统的制热、制冷量及净输出功均呈下降趋势，制冷量由1236.92 kW降至1184.06 kW，制热量由219.61 kW降至180.82 kW，CO2捕集量基本保持不变，而净输出功由488.27 kW降至474.21 kW。根据所得数据进行分析，除CO2捕集量外系统的其它收益㶲之和呈下降趋势，因此当保持该系统吸热量不变时，热效率、㶲效率及LNG冷㶲效率均下降，且趋势较为明显。因此选择p2为800 kPa，此时各类参数显示其具有较好的性能。

图5 一级膨胀乏气压力对CCHP系统性能的影响Fig. 5 Influence of primary expansion exhaust gas pressureon CCHP system performance

2.2 㶲经济与㶲环境结果分析

在上述分析确定的运行工况下得到的性能参

分离器进口干度（χ3）对CCHP系统性能的影响如图6所示。由图6可知，其它参数一定时，随着χ3的增加，制热、制冷及CO2捕集量均呈下降趋势，其中制热量由219.61 kW降至6.63 kW，制冷量由1236.92 kW降至1057.43 kW，CO2捕集量仅由853.78 kW降至848.15 kW，而净输出功的变化趋势与之相反，由488.27 kW升至512.87 kW。根据数据分析，在χ3增加时，净输出功的增加量远小于制热、制冷及CO2捕集减小量之和，因此在净输出功与热效率增加时，其整体的㶲效率及LNG冷㶲效率减小。为使得CCHP系统拥有较好的LNG利用率以及CO2捕集效果，最终将χ3确定在0.2。数如表5所示。在此情况下研究CCHP系统的㶲经济与㶲环境。

图6 分离器进口干度对CCHP系统性能的影响Fig. 6 Influence of separator inlet dryness on CCHP system performance

表5 循环系统的热力性能Table 5 Thermodynamic performance of circulation system

各设备㶲损如图7所示。由图7可知，在CCHP系统中，换热器㶲损所占比例最大，为89.43%，其次为膨胀机8.83%。而在换热器中与LNG相关的3个换热器占比最大，依次为冷凝器1：21.29%，冷凝器3：22.94%，LNG-CO2换热器：43.55%。

图7 系统各类设备(a)及各换热器(b)的㶲损失Fig. 7 Exergy loss of various equipment (a) and heat exchangers (b) of the system

CCHP系统的㶲经济与㶲环境分析结果如表6所示。由表6可知，rc的较大值均与换热器相关，这表明这些设备具有降低系统成本的高潜力。与此同时，表示为设备成本与㶲损成本间关系的fc也是一种㶲经济分析的关键参数，在所有设备中，fc的较小值表明与该设备本身的成本相比，其㶲损相关成本非常大。从表中对fc的数值分析可知，换热器的fc值普遍较小，这与上文所提的㶲损分析结果相一致。

对CCHP系统的㶲环境分析表明，rb的较大值也基本属于换热器，相比于其它组件来说，这些rb值较大的设备更不易减小其对环境的影响。而从㶲环境因子的角度分析，表6中所示fb的数值大多较小，这也表明该系统的环境影响主要来源于各设备的不可逆损失，即㶲损相关的环境因素。与其相比，设备本身的环境因素 大多可忽略不计。从对fc和fb的分析可知，若要降低该系统的经济成本与环境影响，可通过减少其不可逆损失，而在各设备中，换热器部分具有降低㶲损失的更大潜力，因此从此方面入手更易实现对循环性能的优化。

将CCHP系统分成4个模块进行分析，即FC、ORC、RC及其它模块。其中，组成其它模块的为LNG直接膨胀与CO2液化系统。在该系统中，FC、ORC、RC及其它模块的设备资金投入与运营成本之和分别为0.806 $/h、0.379 $/h、0.861 $/h和0.966 $/h，环境影响数值分别为18.159 mpts/h、9.968 mpts/h、9.158 mpts/h和20.198 mpts/h。而这4个模块在CCHP系统中所得收益㶲分别为567.71 kW、72.70 kW、907.73 kW和1250.43 kW。以单位收益㶲下的经济与环境指标为研究对象，对4个模块的分析如图8所示。

由图8可知，单位收益㶲下ORC模块的经济成本与环境影响数值最高，这是由于相比于各部分收益㶲之间的数值差距，几个循环模块本身的资金投入与运营成本以及各设备本身环境影响值相差不大。在此情况下ORC模块的收益㶲最小，因此使得其单位收益㶲下的经济与环境指标最大。而包含LNG膨胀与CO2液化系统的其它模块由于其具有做功与捕集两方面的作用，且其在系统中的质量流量相比于参与循环的有机工质来说数值较大，因此其系统收益㶲值最大，从而使得该模块经济与环境指标在这几部分中相对较小。从以上的数据分析可知，若要实现对其性能的优化也可从CCHP系统各循环模块优化角度入手，对数据相对较大的模块进行结构的调整或参数的变化。

3 结论

本文设计了一种CCHP系统，将FC、ORC以及RC相结合以实现LNG冷能及余热资源的梯级利用，对该系统进行了系统性能分析，最终得到以下结论。

（1）降低蒸发温度、一级膨胀乏气压力和分离器进口干度，提高蒸发压力均有助于增加CCHP系统的发电量，提高其热力性能。当以上值分别为115 °C、800 kPa 、0.2和4.5 MPa时，该系统获得的最佳净输出功为488.27 kW、热效率为61.290%、㶲效率为68.050%以及LNG冷㶲效率为69.530%。将LNG与废气直接换热可回收CO2，其回收量为853.78 kW，在收益㶲中占比为30.497%。

（2）对CCHP系统中各设备及循环模块的㶲经济与㶲环境分析表明，换热器是该系统成本投入与环境影响最大的主要设备，在降低成本与环境指标方面也具有更高的潜力。而ORC模块在单位收益㶲下的经济与环境指标占比最高，因此从更宏观的角度看，ORC循环模块在经济与环境上具有更好的优化潜力。

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