盧丹鳳，潘 振，商麗艷，周 莉，姚秀清，孫 超

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學 環(huán)境與安全工程學院，遼寧 撫順 113001；3. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；4. 中國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，能源短缺與環(huán)境惡化日益顯現(xiàn)，為解決這一問題，科研工作者將目光放在了各類低品位余熱資源與清潔能源上。LNG作為一種高效清潔能源，其消費比重呈逐漸上升趨勢。而建立在能源梯級利用基礎上的冷熱電三聯(lián)供（CCHP）系統(tǒng)因可實現(xiàn)LNG等資源的高效利用而備受關注。

李子申等[1]提出了一種以非共沸混合物作為工質的內置熱泵有機朗肯循環(huán)（ORC）的CCHP系統(tǒng)。Zhang等[2]以LNG作為冷源，提出了一種利用ORC及卡琳娜循環(huán)（KC），采用蒸汽輔助重力排水工藝生產重油的廢熱回收系統(tǒng)，為工程應用提供了新的可能。在此基礎上針對稠油開采余熱利用問題，張麗等[3]又提出了一種結合KC及低溫制冷循環(huán)（RC）的CCHP系統(tǒng)，并通過分析關鍵參數(shù)對循環(huán)性能的影響，確定了系統(tǒng)最佳運行工況。Zare[4]提出了一種利用地熱能的CCHP系統(tǒng)，并通過對比KC與ORC系統(tǒng)的熱力學性能，得出了使其性能最佳的地熱溫度。同樣利用地熱資源，董師彤等[5]將3種KC與吸收式制冷循環(huán)相結合，比較了其聯(lián)供系統(tǒng)的熱力與經濟性能，最終得出在不同的地熱溫度下，3種KC系統(tǒng)的熱力與經濟性能表現(xiàn)不同的結論。于澤庭等[6]提出了一種基于固體燃料電池的CO2近零排放冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，分析了燃料利用率、空燃比、燃料電池入口溫度與工作壓力變化對系統(tǒng)性能的影響，最終確定了系統(tǒng)最佳運行工況。從目前針對CCHP系統(tǒng)的研究可知，其研究方向主要集中在系統(tǒng)設計、優(yōu)化運行與經濟性分析，而對于系統(tǒng)在環(huán)境影響方面的研究有所欠缺。

本文以低溫煙氣為熱源、LNG冷能為冷源進行余熱與液態(tài)CO2回收?；诶錈嵩礈匚粎^(qū)間，提出了一種發(fā)電-制冷-供熱的集成LNG冷能利用工藝，對冷熱源進行逐級換熱，以降低系統(tǒng)?損失。在熱力學研究的基礎上結合?分析方法，對CCHP系統(tǒng)設備及各循環(huán)模塊進行經濟性與環(huán)境性分析，以期得到系統(tǒng)的最佳運行工況。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)介紹

以 閃蒸循環(huán)（FC）、ORC及RC等 模塊組成CCHP系統(tǒng)循環(huán)流程如圖1所示。為與熱源溫度有較好的匹配度，在FC模塊中選取R152a作為工質。R152a經Pu 1壓縮成高壓飽和液后進入Eva 1與熱源換熱使其被加熱至飽和氣態(tài)，隨后進入Tur 1進行一級膨脹，經膨脹后的乏氣與Eva 2中的冷水換熱降溫，達到制熱目的。而Eva 2中出口的中溫中壓不飽和工質經Sep 1分為氣液兩股，其中氣相工質進入Tur 2進行二級膨脹，液態(tài)工質經Val 1降至指定壓力后與Tur 2出口的有機工質同熱空氣同時換熱以達到制冷目的。與此同時經Val 1降壓后的低溫液相工質經加熱至氣相后進入Tur 3膨脹至最終狀態(tài)，兩股物流最終混合后再與LNG換熱，換熱后的低溫低壓工質再次進入Pu 1以完成一個循環(huán)。熱源流經FC換熱模塊后進入以R1150為工質的ORC模塊，其循環(huán)原理與一般ORC相同。而后熱源進入以R134a作為工質的RC模塊中，提高LNG溫度，使其在直接膨脹過程中能夠產生更多發(fā)電量的同時也達到了制冷目的。而當熱源與ORC模塊換熱完成后，其蒸發(fā)器出口處的低溫CO2再與膨脹機出口的LNG進行換熱，最終實現(xiàn)CCHP系統(tǒng)對液態(tài)CO2捕集回收的目的。

圖1 CCHP系統(tǒng)循環(huán)流程Fig. 1 CCHP system circulation process

流程中3種工質的物性參數(shù)如表1所示。

表1 3種工質的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of three working fluids

1.2 模型的建立

采用化工模擬軟件對CCHP系統(tǒng)流程進行建模分析，并進行以下假設：（1）換熱器壓降、中間摩阻損失及向外界散失的熱量忽略不計；（2）CCHP系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行中；（3）冷凝器出口為飽和液態(tài)工質；（4）工業(yè)廢氣為CO2純工質。該系統(tǒng)的設計參數(shù)如表2所示。

表2 CCHP系統(tǒng)關鍵設計參數(shù)Table 2 Key design parameters of CCHP system

1.2.1 熱力學模型

本文中熱力性能研究基于熱力學第一定律與熱力學第二定律，其中基于熱力學第一定律的熱效率ηth計算公式為：

?效率ηex分析基于熱力學第二定律，CCHP系統(tǒng)收益?為做功、制冷、制熱及CO2捕集量，計算公式如式(2)。其中CO2捕集量為工業(yè)廢氣與LNG直接換熱后，由其降溫液化所得的液態(tài)CO2?值。

LNG冷?效率ηLNG,ex計算公式為：

其中各物流的?值 計算公式為[7]：

1.2.2 ?經濟模型

?經濟評估是一種結合了?分析的經濟評估方式，第k個設備的經濟平衡方程為[8,9]：

式中每個設備的投資成本率 計算公式為[10,11]：

式中，Zk為每個設備的投資成本，計算模型如表3所示；CRF為資本回收系數(shù)，計算公式為[12,13]：

表3 投資計算模型Table 3 Investment calculation model

表示設備成本與?損成本間關系的?經濟因子fc是?經濟研究中的一項重要參數(shù)，計算公式為[14]：

相對成本差異rc是衡量產品和燃料?單位成本之間差異的標準，計算公式為[15,16]：

1.2.3 ?環(huán)境模型

環(huán)境影響一直是能源利用的重要問題，一些科研工作者認為?可作為提供有關能源質量與影響環(huán)境的材料信息的客觀性指標[20]。?效率提高時，環(huán)境影響率也可能被直接改變。?環(huán)境分析是一種與全生命周期結合并將分析結果歸因于?的分析方法[21]。進行?環(huán)境分析時所需的數(shù)據(jù)由Ecoindicator 99量化提供，每個設備的估算材料及Ecoindicator 99系數(shù)如表4所示。評估方法為利用旨在獲取每個設備的特定環(huán)境效果的?環(huán)境平衡方程[15]：

表4 每個設備的估算材料及Eco-indicator 99系數(shù)[18,22,24,25]Table 4 Estimated materials and coefficients of Eco-indicator 99 for each equipment

每個設備的環(huán)境影響值 計算公式為[18]：

不同設備的質量計算方式存在差異，對于換熱器，其質量Mk計算公式為[18]：

對于膨脹機與工質泵來說，其質量Mk計算公式如下所示[18]：

為評估整個CCHP系統(tǒng)與其設備的環(huán)境影響，引入了?環(huán)境因子fb與相對環(huán)境影響差異值rb。?環(huán)境因子表示為設備的環(huán)境影響與?損環(huán)境影響之間的關系，其計算公式為[22]：

相對環(huán)境影響差異可表述為基于CCHP系統(tǒng)的第k個設備減少環(huán)境影響的潛力，其計算公式為[22,23]：

2 結果與討論

2.1 熱力學結果分析

為討論CCHP系統(tǒng)對余熱以及LNG冷能的回收利用情況，評估關鍵參數(shù)對該系統(tǒng)熱力性能的影響，采用Aspen HYSYS軟件對其進行了穩(wěn)態(tài)模擬，通過軟件自帶的工質物性參數(shù)與P-R狀態(tài)方程對該系統(tǒng)進行了熱力學計算。

2.1.1 蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力的影響

在不同蒸發(fā)溫度（t1）下CCHP系統(tǒng)的凈輸出功、制熱量、制冷量和CO2捕集量隨蒸發(fā)壓力（p1）的變化情況如圖2所示。由圖2(a)可知，當p1保持不變時，凈輸出功隨t1的升高而降低，但總體變化不大；而當t1不變時，凈輸出功隨p1的升高而增大。這是由于當t1升高時，換熱器工質側的焓變量增大，根據(jù)能量平衡方程，當輸入該系統(tǒng)的熱量保持不變時，工質的質量流量會減小，因此工質進入膨脹機的做功量也會相應減少。與此同時，工質在冷凝器中與LNG的換熱量減少，從而導致閃蒸循環(huán)冷凝器出口端的LNG溫度降低。當其它循環(huán)模塊的參數(shù)不變時，進入兩相膨脹機的LNG干度降低，從而使LNG直接膨脹做功量減少，凈輸出功降低；當p1升高時，進入膨脹機的工質做功量增加，與此同時，工質的質量流量增加，因此進入膨脹機的工質做功量增加，同時也增加了其在冷凝器中的換熱量，從而提高了LNG在冷凝器出口處的溫度，同理提高了其在膨脹機進口處的干度，增加了LNG膨脹做功量，提高了凈輸出功。

由于CCHP系統(tǒng)提出的目的是為了實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供與回收CO2，因此在討論凈輸出功的同時還存在對該系統(tǒng)制冷、制熱以及CO2捕集量數(shù)據(jù)的研究。如圖2(b)、2(c)和2(d)所示，制冷量由FC與RC兩部分提供，當其它參數(shù)不變，僅改變t1與p1時，其原理與循環(huán)凈功相同。而制熱量隨t1的升高而增大，隨p1升高而減小。利用LNG冷能液化CO2，當p1升高時，LNG直接膨脹后干度降低，由于固定了NG出口溫度，LNG-CO2Exc中換熱量增加，使得換熱后的CO2干度增加，經Sep 2分離后得到的液態(tài)CO2量也隨之增加；而當t1升高時，LNG直接膨脹后干度上升，此時LNG-CO2Exc中的換熱量減少，換熱后的CO2干度減少，經Sep 2分離后得到的液態(tài)CO2量隨之減少。

圖2 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對CCHP系統(tǒng)凈輸出功(a)、制冷量(b)、制熱量(c)及CO2捕集量(d)的影響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系統(tǒng)的熱效率隨t1與p1的變化情況如圖3所示。由圖3可知，其變化趨勢與凈輸出功相同。這是由于該系統(tǒng)熱源為閉式熱源，即系統(tǒng)總吸熱量保持不變，根據(jù)熱效率計算原理，當吸熱量保持不變時，其凈輸出功變化趨勢即為熱效率變化趨勢。

圖3 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對CCHP系統(tǒng)熱效率的影響Fig. 3 Influence of evaporation temperature and pressure on thermal efficiency of CCHP system

t1與p1對CCHP系統(tǒng)?效率及冷?效率的影響如圖4所示。由圖4可知，當t1或p1改變時，?效率變化范圍在67.8%~68.0%之間，而冷?效率變化在69.4%~69.5%之間，即總體變化不大。從以上分析可知，當目標變量變化時，做功、制冷、制熱及CO2捕集量均會隨之變化，幾種熱力參數(shù)此消彼長。從圖2、圖3和圖4中可以看出，使該系統(tǒng)運行的最佳t1與p1分別為115 °C與4.5 MPa。

圖4 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力對CCHP系統(tǒng)?效率及冷?效率的影響Fig. 4 Influence of evaporation temperature and pressure on exergy efficiency and cold exergy efficiency of CCHP system

2.1.2 乏氣壓力與進口干度的影響

當確定了最佳t1與p1后，再研究其它參數(shù)對其性能的影響。閃蒸循環(huán)一級膨脹乏氣壓力（p2）對CCHP系統(tǒng)性能的影響如圖5所示。由圖5可知，當其它參數(shù)不變，p2升高時， CCHP系統(tǒng)的制熱、制冷量及凈輸出功均呈下降趨勢，制冷量由1236.92 kW降至1184.06 kW，制熱量由219.61 kW降至180.82 kW，CO2捕集量基本保持不變，而凈輸出功由488.27 kW降至474.21 kW。根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行分析，除CO2捕集量外系統(tǒng)的其它收益?之和呈下降趨勢，因此當保持該系統(tǒng)吸熱量不變時，熱效率、?效率及LNG冷?效率均下降，且趨勢較為明顯。因此選擇p2為800 kPa，此時各類參數(shù)顯示其具有較好的性能。

圖5 一級膨脹乏氣壓力對CCHP系統(tǒng)性能的影響Fig. 5 Influence of primary expansion exhaust gas pressureon CCHP system performance

2.2 ?經濟與?環(huán)境結果分析

在上述分析確定的運行工況下得到的性能參

分離器進口干度（χ3）對CCHP系統(tǒng)性能的影響如圖6所示。由圖6可知，其它參數(shù)一定時，隨著χ3的增加，制熱、制冷及CO2捕集量均呈下降趨勢，其中制熱量由219.61 kW降至6.63 kW，制冷量由1236.92 kW降至1057.43 kW，CO2捕集量僅由853.78 kW降至848.15 kW，而凈輸出功的變化趨勢與之相反，由488.27 kW升至512.87 kW。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在χ3增加時，凈輸出功的增加量遠小于制熱、制冷及CO2捕集減小量之和，因此在凈輸出功與熱效率增加時，其整體的?效率及LNG冷?效率減小。為使得CCHP系統(tǒng)擁有較好的LNG利用率以及CO2捕集效果，最終將χ3確定在0.2。數(shù)如表5所示。在此情況下研究CCHP系統(tǒng)的?經濟與?環(huán)境。

圖6 分離器進口干度對CCHP系統(tǒng)性能的影響Fig. 6 Influence of separator inlet dryness on CCHP system performance

表5 循環(huán)系統(tǒng)的熱力性能Table 5 Thermodynamic performance of circulation system

各設備?損如圖7所示。由圖7可知，在CCHP系統(tǒng)中，換熱器?損所占比例最大，為89.43%，其次為膨脹機8.83%。而在換熱器中與LNG相關的3個換熱器占比最大，依次為冷凝器1：21.29%，冷凝器3：22.94%，LNG-CO2換熱器：43.55%。

圖7 系統(tǒng)各類設備(a)及各換熱器(b)的?損失Fig. 7 Exergy loss of various equipment (a) and heat exchangers (b) of the system

CCHP系統(tǒng)的?經濟與?環(huán)境分析結果如表6所示。由表6可知，rc的較大值均與換熱器相關，這表明這些設備具有降低系統(tǒng)成本的高潛力。與此同時，表示為設備成本與?損成本間關系的fc也是一種?經濟分析的關鍵參數(shù)，在所有設備中，fc的較小值表明與該設備本身的成本相比，其?損相關成本非常大。從表中對fc的數(shù)值分析可知，換熱器的fc值普遍較小，這與上文所提的?損分析結果相一致。

對CCHP系統(tǒng)的?環(huán)境分析表明，rb的較大值也基本屬于換熱器，相比于其它組件來說，這些rb值較大的設備更不易減小其對環(huán)境的影響。而從?環(huán)境因子的角度分析，表6中所示fb的數(shù)值大多較小，這也表明該系統(tǒng)的環(huán)境影響主要來源于各設備的不可逆損失，即?損相關的環(huán)境因素。與其相比，設備本身的環(huán)境因素 大多可忽略不計。從對fc和fb的分析可知，若要降低該系統(tǒng)的經濟成本與環(huán)境影響，可通過減少其不可逆損失，而在各設備中，換熱器部分具有降低?損失的更大潛力，因此從此方面入手更易實現(xiàn)對循環(huán)性能的優(yōu)化。

將CCHP系統(tǒng)分成4個模塊進行分析，即FC、ORC、RC及其它模塊。其中，組成其它模塊的為LNG直接膨脹與CO2液化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)C、ORC、RC及其它模塊的設備資金投入與運營成本之和分別為0.806 $/h、0.379 $/h、0.861 $/h和0.966 $/h，環(huán)境影響數(shù)值分別為18.159 mpts/h、9.968 mpts/h、9.158 mpts/h和20.198 mpts/h。而這4個模塊在CCHP系統(tǒng)中所得收益?分別為567.71 kW、72.70 kW、907.73 kW和1250.43 kW。以單位收益?下的經濟與環(huán)境指標為研究對象，對4個模塊的分析如圖8所示。

由圖8可知，單位收益?下ORC模塊的經濟成本與環(huán)境影響數(shù)值最高，這是由于相比于各部分收益?之間的數(shù)值差距，幾個循環(huán)模塊本身的資金投入與運營成本以及各設備本身環(huán)境影響值相差不大。在此情況下ORC模塊的收益?最小，因此使得其單位收益?下的經濟與環(huán)境指標最大。而包含LNG膨脹與CO2液化系統(tǒng)的其它模塊由于其具有做功與捕集兩方面的作用，且其在系統(tǒng)中的質量流量相比于參與循環(huán)的有機工質來說數(shù)值較大，因此其系統(tǒng)收益?值最大，從而使得該模塊經濟與環(huán)境指標在這幾部分中相對較小。從以上的數(shù)據(jù)分析可知，若要實現(xiàn)對其性能的優(yōu)化也可從CCHP系統(tǒng)各循環(huán)模塊優(yōu)化角度入手，對數(shù)據(jù)相對較大的模塊進行結構的調整或參數(shù)的變化。

3 結論

本文設計了一種CCHP系統(tǒng)，將FC、ORC以及RC相結合以實現(xiàn)LNG冷能及余熱資源的梯級利用，對該系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性能分析，最終得到以下結論。

（1）降低蒸發(fā)溫度、一級膨脹乏氣壓力和分離器進口干度，提高蒸發(fā)壓力均有助于增加CCHP系統(tǒng)的發(fā)電量，提高其熱力性能。當以上值分別為115 °C、800 kPa 、0.2和4.5 MPa時，該系統(tǒng)獲得的最佳凈輸出功為488.27 kW、熱效率為61.290%、?效率為68.050%以及LNG冷?效率為69.530%。將LNG與廢氣直接換熱可回收CO2，其回收量為853.78 kW，在收益?中占比為30.497%。

（2）對CCHP系統(tǒng)中各設備及循環(huán)模塊的?經濟與?環(huán)境分析表明，換熱器是該系統(tǒng)成本投入與環(huán)境影響最大的主要設備，在降低成本與環(huán)境指標方面也具有更高的潛力。而ORC模塊在單位收益?下的經濟與環(huán)境指標占比最高，因此從更宏觀的角度看，ORC循環(huán)模塊在經濟與環(huán)境上具有更好的優(yōu)化潛力。

符號說明