《储能科学与技术》推荐|冯军胜 等:​基于有机朗肯循环的卡诺电池热储能系统性能分析

科技   2024-12-16 16:35   北京  

作者:冯军胜 1 严亚茹 1赵亮 2董辉 2 

单位:1. 安徽建筑大学环境与能源工程学院;2. 东北大学冶金学院

引用:冯军胜, 严亚茹赵亮, . 基于有机朗肯循环的卡诺电池热储能系统性能分析[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(11): 3930-3938. 

DOI10.19799/j.cnki.2095-

4239.2024.0507

本文亮点:(1)将卡诺电池(PTES)技术引入到钢铁行业低温余热利用领域,促使钢铁行业碳达峰目标提前完成。(2)针对低温烧结烟气余热利用率低的现状,将环冷机出口低温烟气余热引入PTES系统,研究不同工况下PTES系统热力学性能。

摘 要 为了进一步提高钢铁行业低温余热利用率,本文将烧结环冷机出口低温烟气余热引入由热泵(HP)循环、蓄热系统和有机朗肯循环(ORC)组成的热泵储电(PTES)系统,并构建PTES系统热力循环过程的计算模型,研究不同ORC循环工质条件下HP冷凝温度、ORC蒸发温度和ORC过热度对PTES系统热力性能的影响。研究结果表明,降低HP冷凝温度和提高ORC蒸发温度均可以提高PTES系统的制热系数(COPnew)和功率效率(ηptp)。当ORC工质为isobutane(异丁烷)时,HP冷凝温度每增加2 ℃,系统COPnewηptp分别平均减小0.16和0.88%,而ORC蒸发温度每增加2 ℃,系统COPnew、ORC热效率(ηORC)和ηptp分别平均增加0.034、0.26%和0.68%。与ORC蒸发器相比,HP冷凝器内循环工质与储热介质的温度匹配对PTES系统热力性能的影响更为明显,但HP冷凝温度对ηORC的变化没有影响。当HP冷凝温度和ORC蒸发温度不变时,采用较小的ORC过热度能够有效提高PTES系统的热力性能。综合考虑PTES系统的COPnewηORCηptp, 采用R245fa作为ORC循环工质时系统性能最好,其次是isobutane和R236ea。在低温烧结烟气余热驱动的PTES系统中,应优先选择R245fa作为ORC系统的循环工质。
关键词 余热回收;热泵储电;热泵;有机朗肯循环;热力性能
在过去几十年里,工业的迅速发展确实带来了巨大的经济繁荣,但同时也伴随着碳排放的不断增加,加剧了全球变暖等环境问题,这些问题已经引起了全球范围内的广泛关注和重视。从《京都议定书》和《巴黎协定》,到2023年最新一次联合国气候变化大会达成的《格拉斯哥气候公约》,占全球总排放量89%的151个国家承诺实现净零排放或碳中和目标。作为世界上最大的能源消耗国和碳排放国,中国宣布将采取更有效的政策措施,加大国家自主贡献力度,力争在2030年之前实现碳峰值,到2060年达到碳中和。
但是,中国目前的能源利用效率与世界先进水平仍有差距。据初步测算,工业能源系统中投入的一次能源只有34%得到有效转化,约有42%的能量(相当于6亿吨标准煤燃烧释放的能量)以余热的形式损失。在我国钢铁工业生产过程中,冶金过程余热资源的高效回收利用是实现“双碳”目标的重要举措。其中,烧结矿余热资源的降碳潜力约占整个钢铁企业余热资源降碳总量的15%,是目前我国钢铁行业亟待挖潜的大宗余热资源之一。作为烧结矿余热回收的主要设备,烧结环冷机低温段出口烟气余热未被有效利用而直接排空,造成大量低温烟气余热资源的浪费。加强对低品位烟气余热的回收利用已作为提高能源利用效率的关键措施之一被纳入《“十四五”工业绿色发展规划》中。因此,高效回收利用低温烧结冷却烟气余热对提高烧结矿余热回收利用率和促进钢铁行业节能降碳都具有十分重要的现实意义。
卡诺电池,又称热泵储电技术(pumped thermal energy storage,PTES),是一种通过蓄热方式存储电能的大规模物理储能技术,具有不受地理条件限制、储能密度高、投资成本低等优点,是实现电能储能和低品位热能回收的前沿技术。目前国内外针对PTES的研究主要包括2种系统,一种是基于布雷顿循环的PTES系统,另一种是基于有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)的PTES系统。其中,基于ORC的PTES系统由热泵(heat pump,HP)循环、蓄热系统和ORC 组成,通过HP系统,吸收较低温度下的热量,将显热和潜热释放到较高温度下的储热系统中,这些储存的热量被用来加热ORC中的工作流体,进而驱动膨胀机做功发电。一般的蒸汽朗肯循环PTES系统最高温度可达到400 ℃,对应的效率为38.6%,而ORC-PTES系统由于工作流体的限制,适用于较低的工作温度(低于250 ℃),在不同的工况下,效率在15%~56%。因此,将低温余热引入基于ORC的PTES系统中,既能很好地匹配其低温运行特性,又能提高系统效率。另外,若能将生产过程余热资源进行回收并再次用于生产过程,将会有显著的节能效果。Steinmann等于2014年首次使用PTES系统回收低品位余热,于2017年全面介绍PTES系统,并将此系统与其他大规模储能技术进行对比。Eppinger等分析了等熵效率对PTES系统运行性能的影响,结果表明,当压缩机/透平等熵效率从50%提高到90%时,其对应的性能从30%提高到83%。Tian等对4种不同热机循环(即ORC和有机闪蒸循环)和相同HP循环的PTES系统进行了比较和热力学评估,结果表明,基本ORC的PTES系统比有机闪蒸循环具有更高的效率。Frate等研究了PTES系统在不同蓄热温度和热源温度下的储能效率,当余热温度为90 ℃时,功率比效率可达107%。Wang等分析了采用闪蒸罐和中间换热器对空气源热泵系统性能的影响,研究表明,闪蒸罐的使用对系统性能的改善效果较好,其供热能力和COP分别提高3.2%~ 13.0%和0.1%~2.2%。Liu等通过研究温度滑移对由R600、R600a、R601和R601a组成的共沸工质ORC系统性能的影响,表明存在一个合适的滑移温度可以使净功率最大化。赵永亮等研究了基于跨临界CO2循环的卡诺电池储能系统,结果表明,带回热的卡诺电池系统比无回热系统综合效率有所提髙,并且卡诺电池系统经济性也较好。圣力等利用相变材料作为储能介质建立了热泵储电系统的瞬态数值模型,模拟结果显示该系统的往返效率和功率密度分别达到了63.1%和175.8 kW/m3
总的来说,卡诺电池,即PTES技术的研究还处于早期理论研究阶段,在PTES系统实际应用方面还有很多地方需要深入探究,包括系统材料的成本及可用性、系统运行效率提升及可扩展性,以及工业用高温热泵技术。虽然已有文献研究得到了部分较为理想的PTES系统计算结果,但仍需要进一步研究来解决当前存在的问题,同时制定实际应用中包含成本效益的解决方案。由于前期工业节能降碳意识薄弱,以及相关节能规划和指南发布滞后,目前国内有关低温余热回收利用的PTES系统尚处于起步研究阶段,尤其是我国钢铁行业低温烧结冷却烟气余热驱动的PTES系统研究还鲜有文献报道,亟待深入研究。另外,与其他低温工业烟气相比,烧结环冷机低温段出口烟气实质上是低温热空气,不具有露点腐蚀,可以对其进行深度回收利用,并且换热后的烟气还可以引入环冷机低温段内进行烟气再循环利用。
基于此,针对钢铁行业烧结工序低温烟气余热利用率低的现状,本文将环冷机末段出口低温烟气余热引入PTES系统,构建PTES系统热力循环过程的计算模型,研究HP冷凝温度、ORC蒸发温度和ORC过热度对PTES系统热力学性能的影响,同时对比分析不同ORC循环工质条件下PTES系统性能,为采用PTES技术高效回收利用低温烧结冷却烟气余热奠定重要的理论基础,同时为后续PTES系统的设计和运行提供必要的理论指导。

1 系统模型建立

1.1 PTES系统描述

为了充分回收低温烧结烟气余热资源,提高能源利用效率,本文采用由HP循环、ORC和蓄热系统组成的高效PTES系统。HP循环从低温烟气中吸收热量并提升到较高温度(即充电过程),蓄热系统蓄热,最后由ORC系统做功(即放电过程),如图1所示。

图1   PTES系统原理示意图
在充电过程中,压缩机将谷电转换成机械能,将工质压缩成高温高压气体(02)进入冷凝器,通过热交换将工质显热存储进蓄热系统(24),随后通过节流阀减压(45),进入蒸发器中吸收低温烟气余热(50),最后重新进入压缩机内循环使用,完成HP循环。值得注意的是,如果没有耦合余热,PTES的热源一般为空气。在放电过程中,ORC系统的工质泵将循环工质加压(910)送入蒸发器中吸收蓄热系统储热介质释放的热量(106),ORC工质被加热后在蒸发器中变成高温高压蒸气进入膨胀机将热能转换成电能(67),最终在冷凝器中完成冷凝(79)重新回到工质泵循环使用,完成ORC过程。
储热系统中存储的介质可以直接影响系统的整体性能,因此开发了一系列储热介质,包括金属及其化合物、石墨烯和相变材料。其中,水作为常见物质中比热容最大的介质,具有成本更低、安全性更高、热容高的特点,因此本研究选择水作为储热介质。

1.2 系统热力学模型

为方便建立耦合系统数学模型,基于热力学第一定律和热力学第二定律,对模型做如下假设:
(1)系统各组成部分均在稳态条件下运行,蓄热系统的热损失,以及工质在蒸发器、冷凝器和泵中的压降均被忽略;
(2)工质换热器出口状态为饱和状态;
(3)膨胀机、压缩机、工质泵的等熵效率假设为定值,不考虑摩擦散热等引起的任何其他能量损失;
(4)系统所处的外部环境相对稳定,并提供充足、稳定的余热资源和冷却水,其温度与环境温度相等。
1.2.1 热泵循环
HP循环系统的温熵(T-S)图见图2。其中,过程1920为低温烧结烟气在HP蒸发器内的放热过程,而过程1314为蓄热系统内的储热介质在HP冷凝器内吸热过程。由于HP系统内压缩机工作过程存在不可逆损失,因此采用压缩机等熵效率(ηc)计算实际过程02耗功量。

图2   HP系统T-S
由图2可以得出,HP冷凝放热量(kW)为

(1)
式中,mHP为热泵的质量流量,kg/s;h2h4分别为工质在状态点2和4处的比焓,kJ/kg。
HP蒸发吸热量(kW)为

(2)
HP压缩机所耗压缩功(kW)为

(3)
其中:

(4)
式中,hi(i为图2中1~5以及2 s状态点)为工质在状态点i处的比焓,kJ/kg;ηc为压缩机等熵效率。
HP理论制热系数(COP)为

(5)
1.2.2 有机朗肯循环
ORC系统的T-S图见图3。其中,过程1413为蓄热系统内的储热介质在ORC蒸发器内的放热过程,而过程1618为冷却水在ORC冷凝器内吸热过程。由于ORC系统内膨胀机工作过程存在不可逆损失,因此采用膨胀机等熵效率(ηexp)计算实际过程67对外膨胀功。

图3   ORC系统T-S
由图3可以得出,ORC系统蒸发器中工质吸热量(kW)为

(6)
式中,mORC为ORC循环工质的质量流量,kg/s;h6h10分别为工质在状态点6和10处的比焓,kJ/kg。
ORC系统膨胀机对外做功(kW)为

(7)
其中:

(8)
式中,hi(i为图3中6~10以及7 s状态点)为工质在状态点i处的比焓,kJ/kg;ηexp为膨胀机等熵效率。
ORC系统冷凝器中工质放热量(kW)为

(9)
ORC系统工质泵循环所耗功(kW)为

(10)
ORC系统净输出功(kW)为

(11)
在ORC系统的排出过程中,工质吸收蒸发器内蓄热系统释放的能量,在膨胀机内对外做功,其循环热效率(ηORC)定义如下:

(12)
对于整个PTES系统而言,功率效率和耦合后的COP是比较重要的参数。ORC耦合HP后的COPnew

(13)
PTES的功率效率为

(14)

1.3 模型验证

为验证本文模型的准确性及仿真系统模拟的可行性,采用Zhang等的结果验证了以R245fa和R1336mzz(Z)为工质的PTES系统在相同工况下的计算结果。将相同初始计算参数条件下得到的结果与上述文献的结果进行对比,如图4所示。由图4可以看出,本文计算所得PTES系统功率效率与文献结果基本吻合,平均误差均小于1%,证明本文所建仿真模型具有较高的精确度。

图4   计算结果与文献[24]研究结果的比较

2 结果与讨论

运行工况变化直接影响系统性能,本文主要讨论PTES热力参数对系统热力性能的影响。其中,系统循环工质对PTES性能影响显著,PTES使用的工质必须具有无毒、化学稳定和安全等特点。由于HP循环属于充电过程,根据文献[24]中提及的储热介质温度变化范围,本文选择临界温度较高的环保制冷剂isopentane(异戊烷)作为PTES系统中HP循环的运行工质,以获得较高温度的压缩机出口工质来加热储热介质,而ORC循环属于放电过程,本文选取临界温度与储热介质温度变化相近的R245fa、R236ea、isobutane(异丁烷)作为PTES系统中ORC的运行工质,以获得较高的ORC循环效率。上述所选取工质的具体物性参数如表1所示。

表1   工质的物性参数


本文将低温烧结烟气余热作为PTES系统热源,主要研究HP冷凝温度、ORC蒸发温度、ORC过热度对系统COPnewηORCηptp的影响,具体计算初始参数如表2所示。由于整个PTES系统由充电过程的HP循环、蓄电过程的蓄热系统和放电过程的ORC系统组成,因此在讨论系统整体循环效率之前,有必要对每个过程进行单独计算分析。

表2   系统热力循环计算初始参数


2.1 HP冷凝温度对系统性能的影响

当ORC蒸发温度和ORC过热度分别为85 ℃和10 ℃时,不同ORC循环工质条件下HP冷凝温度对PTES系统性能的影响如图5所示。由图5可知,当ORC循环工质一定时,系统COPnewηptp随着HP冷凝温度的升高而减小,而ηORC保持不变。这是因为HP冷凝温度的增加使得HP冷凝放热量(Qc1)、压缩机耗功(Wt)、ORC系统净输出功(Wnet)均增加,但压缩机耗功(Wt)的增加幅度远大于HP冷凝放热量(Qc1)和ORC系统净输出功(Wnet)的增加幅度,所以由式(13)和式(14)可得系统COPnewηptp是逐渐减小的。由于HP冷凝温度的增加只会导致蓄热系统中循环水量的增加,当ORC的节点参数不变时,循环水量的增加也只会导致ORC中循环工质质量流量(mORC)的增加,但根据式(12)可知ORC的热效率与ORC中循环工质质量流量无关,所以ORC的热效率是不变的。

图5   不同ORC工质条件下HP冷凝温度对系统性能的影响


由图5还可以得出,在HP冷凝温度变化范围内,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp最大,工质R236ea的最小。其中,当HP冷凝温度为125 ℃时,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp分别为4.61、10.86%和33.36%,而工质R236ea的系统COPnewηORCηptp分别为4.53、10.47%和32.14%。另外,随着HP冷凝温度的增加,3种工质的系统COPnewηptp减小幅度基本一致。以工质isobutane为例,HP冷凝温度每增加2 ℃,系统COPnewηptp分别平均减小0.16和0.88%。

2.2 ORC蒸发温度对系统性能的影响

当HP冷凝温度和ORC过热度分别为135 ℃和10 ℃时,不同ORC循环工质条件下ORC蒸发温度对PTES系统性能的影响如图6所示。由图6可知,当ORC循环工质一定时,PTES系统中的COPnewηORCηptp都随ORC蒸发温度的升高而增大,基本上呈线性增长的趋势。这是因为ORC蒸发温度的增加使得ORC系统净输出功(Wnet)增加,由于HP冷凝放热量(Qc1)、压缩机耗功(Wt)和ORC吸热量(Qe1)均不变,所以根据式(13)、式(12)和式(14)可得系统的COPnewηORCηptp是逐渐增加的。

图6   不同ORC工质条件下ORC蒸发温度对系统性能的影响


由图6还可以得出,在ORC蒸发温度变化范围内,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp最大,工质R236ea的最小。其中,当ORC蒸发温度为75 ℃时,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp分别为3.49、9.41%和24.74%,而工质R236ea的系统COPnewηORCηptp分别为3.46、9.11%和23.94%。另外,随着ORC蒸发温度的增加,3种工质的系统COPnewηORCηptp增加幅度基本一致。以工质isobutane为例,ORC蒸发温度每增加2 ℃,系统COPnewηORCηptp分别平均增加0.034、0.26%和0.68%。由此可以看出,ORC蒸发温度对系统COPnewηptp的影响要小于HP冷凝温度的影响,但ORC蒸发温度对系统ηORC的影响大于HP冷凝温度的影响。

2.3 ORC过热度对系统性能的影响

当HP冷凝温度和ORC蒸发温度分别为135 ℃和85 ℃时,不同ORC循环工质条件下ORC过热度对PTES系统性能的影响如图7所示。由图7可知,随着ORC过热度的升高,不同ORC循环工质对应的系统COPnewηORCηptp变化趋势有所不同。对于工质R245fa和R236ea,系统COPnewηORCηptp均随ORC过热度的升高而下降。这是因为,ORC过热度的增加会造成工质质量流量(mORC)的减小,导致膨胀机输出功(Wexp)和工质泵耗功(Wpump)均减小,此时膨胀机输出功(Wexp)减小幅度相对较大,故而ORC系统净输出功(Wnet)也逐渐减小。另外,由于HP冷凝放热量(Qc1)、压缩机耗功(Wt)和ORC吸热量(Qe1)随ORC过热度的增加均保持不变,所以系统的COPnewηORCηptp均逐渐减小。对于工质isobutane,系统COPnewηORCηptp随ORC过热度的升高先增大后减小。这是因为,当ORC过热度较小时,随着ORC过热度的增加,膨胀机输出功(Wexp)的减小幅度小于工质泵耗功(Wpump)的减小幅度,导致ORC系统净输出功(Wnet)增加。但当ORC过热度较大时,ORC过热度的增加会造成膨胀机输出功(Wexp)减小幅度逐渐变大,使得ORC系统净输出功(Wnet)逐渐减小,所以系统COPnewηORCηptp会出现先增大后减小的趋势。

图7   不同ORC工质条件下ORC过热度对系统性能的影响


由图7还可以得出,在ORC过热度变化范围内,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp最大,工质R236ea的最小。其中,当ORC蒸发器出口工质状态为饱和蒸气时,工质R245fa和R236ea的系统性能最大。此时,工质R245fa的系统COPnewηORCηptp分别为3.68、10.88%、28.59%。另外,当ORC过热度为4 ℃时,工质isobutane的系统COPnewηORCηptp存在最大值,分别为3.65%、10.64%、27.97%。由上述结果可知,针对不同的ORC循环工质,存在最佳的ORC过热度使得PTES系统COPnewηORCηptp获得最大值。

3 结 论

针对钢铁行业低温烟气余热利用率低的现状,本文将烧结环冷机末段出口低温烟气余热引入PTES系统,构建PTES系统热力循环过程的计算模型,研究不同ORC循环工质条件下HP冷凝温度、ORC蒸发温度和ORC过热度对PTES系统热力性能的影响,主要结论如下:
(1)当ORC循环工质一定时,COPnewηORCηptp都随着ORC蒸发温度的升高而增加,COPnewηptp随着HP冷凝温度的升高而减小,以ORC工质isobutane为例,ORC蒸发温度每增加2 ℃,系统COPnewηORCηptp分别平均增加0.034、0.26%和0.68%,而HP冷凝温度每增加2 ℃,系统COPnewηptp分别平均减小0.16和0.88%。ORC循环效率仅与工质种类有关,与HP冷凝温度无关。在PETS系统的运行工况下,HP冷凝器内的换热过程对系统性能参数的影响较大。
(2)随着ORC过热度的升高,不同的循环工质对应的系统COPnewηORCηptp变化趋势有所不同。对于工质R245fa和R236ea,系统的COPnewηORCηptp均随ORC过热度的升高而下降;对于工质isobutane,系统的COPnewηORCηptp随ORC过热度的升高先略微上升然后开始下降,存在最佳的过热度4 ℃使得系统获得最佳的热力性能,此时系统的COPnewηORCηptp分别为3.65、10.64%、27.97%。
(3)ORC蒸发温度对系统性能的影响要小于HP冷凝温度对系统性能的影响,远大于ORC过热度对系统性能的影响。在相同运行工况下,ORC系统中3种工质的COPnewηORCηptp从大到小分别是R245fa、isobutane、R236ea。在低温烧结烟气余热驱动的PTES系统中,应优先选择R245fa作为ORC系统的循环工质。

第一作者:冯军胜(1988—),男,博士,副教授,从事烧结余热回收利用、新型热力循环等方面的研究,E-mail:fjsheng076@163.com;

通讯作者:董辉,教授,从事烧结余热回收利用方面的研究,E-mail:Dongh@mail.neu.edu.cn。



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