低温余热发电技术性能评价指标的研究

摘  要：低温余热发电技术是将工业生产过程或其他过程产生的低温废热转化为电能的技术，具有节能减排、提高资源利用率等优点。为了评价低温余热发电技术的性能，本文建立了低温余热发电系统性能评价指标体系，包括余热发电效率、余热利用效率、换热器效率和电站自用电率。并以某低温余热发电系统为例，建立了工程模型，进行了性能指标评价和效益分析。结果表明，该系统具有较高的性能和效益，能够有效利用低温余热资源，实现节能减排。

关键词：低温余热发电；性能评价指标；工程模型；效益评价

引言

随着经济社会的发展和能源需求的增长，能源问题日益严峻。传统的化石燃料发电方式不仅会造成严重的污染，而且还会加剧温室效应。因此，开发清洁高效的能源利用技术成为当务之急。低温余热发电技术是将工业生产过程或其他过程产生的低温废热转化为电能的技术，具有节能减排、提高资源利用率等优点。低温余热资源广泛存在于工业、农业、建筑等领域，其总量约占可利用能源总量的30%-50%。因此，低温余热发电技术具有巨大的应用潜力。

1低温余热发电原理

低温余热发电系统主要由热源、蒸发器、膨胀机、冷凝器和泵构成，热源为系统提供低温热能的装置，如工业废热锅炉、烟气余热回收装置等，蒸发器是将热源提供的热能传递给有机工质，使其汽化的装置。膨胀机利用有机工质蒸气的膨胀做功，产生电能，冷凝器将有机工质蒸汽冷凝成液态，泵会将有机工质液态送回蒸发器。热源提供的低温热能使有机工质汽化，产生高压蒸汽，高压蒸汽再推动膨胀机做功，产生电能，膨胀后的低压蒸汽在冷凝器中冷凝成液态，液态有机工质由泵送回蒸发器，完成循环。

2低温余热发电系统性能评价指标

2.1余热发电效率

余热发电效率指系统将热源提供的热能转化为电能的效率，用百分比表示，计算公式为：

η=W/Q×100%    （1）

上式中，η为余热发电效率，W为系统发电功率，Q为热源提供的热功率。

2.2余热利用效率

指系统利用热源提供的热量的比例，用百分比表示。计算公式为：

η=W/（Q×H）×100%    （2）

上式中，η为余热利用效率，W为系统发电功率，Q为热源提供的热量，H为热源提供的热焓。

2.3换热器效率

指换热器将热源提供的热量传递给有机工质的效率，用百分比表示。计算公式为：

η=Q/Qs×100%    （3）

上式中，η为换热器效率，Q为实际传递的热量，Qs为理论传递的热量

2.4电站自用电率

指电站自身消耗的电量占发电量的比例，用百分比表示。计算公式为：

η=Pe/W×100%    （4）

上式中，η为电站自用电率，Pe为电站自身消耗的电量，W为系统发电功率。

3发电系统工程模型的建立及性能指标评价

3.1工程模型

为了更清晰地描述低温余热发电系统的工程模型，需要对模型的各个组成部分进行更深入地分析。工业废热锅炉将工业废热转化为可用热能，出口温度为150℃，流量为100t/h。工业废热来源广泛，工业生产过程中排放的高温烟气，如钢铁冶炼、电力生产、化工生产等过程产生的烟气。工业生产过程中产生的余热蒸汽，如发电厂、化工厂等产生的蒸汽。工业生产过程中产生的热水，如纺织印染、造纸、食品加工等过程产生的热水。以煤炭为燃料的锅炉，适用于燃料成本较低的地区，以天然气或液化石油气为燃料的锅炉，适用于燃料成本较高的地区或环保要求较高的场合，利用工业废热作为燃料的锅炉，如烟气余热锅炉、蒸汽余热锅炉等。

3.2模型的技术原理及工艺流程

该系统采用有机朗肯循环（ORC）作为发电循环。ORC循环是一种利用低温热源发电的循环，具有较高的热效率和较好的适应性。工业废热锅炉作为系统的起点，承担着将工业生产过程中产生的废热转化为可用热能的重任。通常，工业废热的形式可以是高温烟气、余热蒸汽或热水等。在本系统中，工业废热锅炉通过燃烧燃料或回收余热，将工业废热加热到150℃左右。这个温度对于驱动有机朗肯循环发电系统来说是合适的。蒸发器是系统中热量传递的关键设备，它将工业废热锅炉提供的热能传递给有机工质，使其吸收热量并汽化。蒸发器的形式可以是壳管式、列管式或板式等，本系统采用的是壳管式蒸发器，具有结构简单、维修方便、传热效率高等优点。在蒸发器中，工业废热锅炉提供的热水或蒸汽在壳侧流动，而有机工质R245fa在管内流动，通过传热介质的温度差，热量传递给有机工质，使其汽化。膨胀机是系统中将热能转化为电能的核心部件，它利用有机工质蒸汽的膨胀做功，推动发电机发电，膨胀机的形式可以是轴流式、单级或多级等，本系统采用的是单级轴流式膨胀机，具有结构紧凑、运行效率高等优点。在膨胀机中，高压有机工质蒸汽推动膨胀机的叶轮高速旋转，将热能转化为机械能，机械能通过发电机转化为电能，输出电网。冷凝器是系统中将有机工质蒸汽冷凝成液态的关键设备，它为有机工质循环提供必要的条件，冷凝器的形式可以是壳管式、列管式或冷却塔等，本系统采用的是冷却塔，利用空气或水将有机工质蒸汽冷凝成液态。在冷凝器中，有机工质蒸汽在真空条件下释放潜热，被冷却水或空气吸收，冷凝成液态。液态有机工质通过泵送回蒸发器，重新开始循环。泵是系统中保障有机工质循环顺畅的动力装置，它将低压有机工质液态从冷凝器送回蒸发器，提高有机工质的压力。泵的形式可以是离心泵、轴向泵或螺杆泵等。本系统采用的是离心泵，具有结构简单、运行可靠、维修方便等优点，在泵的作用下，低压有机工质液态被送回蒸发器，为下一次循环做好准备。

3.3模型边界条件

为了保证低温余热发电系统能够稳定运行并达到预期效果，需要设定合理的模型边界条件，边界条件模拟了系统运行过程中所处的环境和条件，对于模型的准确性和可靠性至关重要。热源温度是低温余热发电系统的关键参数之一，它直接影响着系统的发电效率，150℃的热源温度属于低温余热范围，能够满足有机朗肯循环发电系统的要求。热源流量是指进入系统的热源介质（如工业废热锅炉提供的热水或蒸汽）的流量，100t/h的热源流量能够为系统提供充足的热量，满足发电需求。冷凝温度是低温余热发电系统的另一关键参数，它影响着系统的热效率，30℃的冷凝温度是比较理想的，能够使有机工质充分冷凝，提高系统效率。环境温度是指系统运行环境的温度，25℃的环境温度对于低温余热发电系统的影响较小，可以忽略不计。

3.4模型计算结果与分析

利用Aspen Plus软件对模型进行了仿真计算，系统发电功率为200kW，余热发电效率为10%，余热利用效率为50%，换热器效率为90%，电站自用电率为10%，从以上结果可以看出，该系统具有较高的性能，能够有效利用低温余热资源，实现节能减排。

4效益评价

4.1经济效益评价

该系统的投资为1000万元，年运行费用为200万元，年发电量为876万kWh。则该系统投资回收期为5年，净现值为2000万元，内部收益率为20%。从以上指标可以看出，该系统具有良好的经济效益

4.2社会效益评价

低温余热发电系统不仅具有经济效益，还具有良好的社会效益。传统的化石燃料发电方式会造成严重的污染，加剧温室效应。而低温余热发电系统利用的是工业生产过程中产生的废热，不消耗额外的燃料，因此具有显著的节能减排效果。工业废热是宝贵的能源资源，如果不加以利用，将会造成巨大的浪费。低温余热发电系统将工业废热转化为电能，有效地利用了这一资源，促进了循环经济的发展。

5结论

低温余热发电技术是一种清洁高效的能源利用技术，具有广阔的应用前景。它能够有效利用工业废热资源，减少温室气体排放，本文以某低温余热发电系统为例，建立了工程模型，并进行了性能评价和效益分析。结果表明，该系统具有较高的性能和效益，能够有效利用低温余热资源，实现节能减排。

参考文献：

[1]毛祥，吴媛媛，管荟，等.低温烟气余热驱动ORC发电系统经济性分析[J].节能技术，2023，41（05）：414-419.

[2]杨震.炭素焙烧炉余热利用与综合能效评价研究[D].中南大学，2023.DOI：10.27661/d.cnki.gzhnu.2023.003330.