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摘 要 為了有效回收鋼鐵行業(yè)低溫余熱資源，本工作將低溫燒結(jié)冷卻煙氣余熱引入熱泵儲電(PTES)系統(tǒng)作為熱源，分別構(gòu)建基本型PTES(B-PTES)系統(tǒng)和回熱型PTES(R-PTES)系統(tǒng)的熱力學(xué)計算模型，并選取R365mfc為熱泵(HP)循環(huán)工質(zhì)，同時將R1233zd(E)、R245ca、R236ea設(shè)定為有機朗肯循環(huán)(ORC)工質(zhì)，研究不同ORC工質(zhì)條件下HP冷凝溫度、HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度對B-PTES和R-PTES系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，降低HP冷凝溫度、提高HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度均可以提高PTES系統(tǒng)的制熱系數(shù)(COPnew)、功率效率(ηptp)。HP冷凝溫度越高，HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度越低，系統(tǒng)?效率(ηex)越小。在系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)相同的情況下，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均大于B-PTES系統(tǒng)。綜合考慮PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex，B-PTES系統(tǒng)采用R1233zd(E)作為ORC循環(huán)工質(zhì)時系統(tǒng)性能最優(yōu)，其次是R245ca和R236ea；R-PTES系統(tǒng)采用R245ca作為ORC循環(huán)工質(zhì)時系統(tǒng)性能最優(yōu)，其次是R1233zd(E)和R236ea。當ORC工質(zhì)為R245ca時，HP冷凝溫度每升高2℃，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的ηex分別平均減小0.5%和0.53%；HP蒸發(fā)溫度每升高2 ℃，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的ηex分別平均增加0.2%和0.21%；而ORC蒸發(fā)溫度每升高2℃，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的ηex分別平均增加0.55%和0.63%。在低溫燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動的PTES系統(tǒng)中，應(yīng)優(yōu)先選擇R-PTES系統(tǒng)，同時將R245ca作為ORC系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)。
關(guān)鍵詞 余熱回收；熱泵儲電；有機朗肯循環(huán)；回熱結(jié)構(gòu)；熱力學(xué)性能
全球范圍內(nèi)由于化石燃料燃燒等各種原因造成的溫室氣體過量排放，導(dǎo)致了諸多氣候問題和環(huán)境污染。為應(yīng)對全球氣候變化和能源危機，提高能源利用效率，許多國家陸續(xù)推出了碳中和政策。在我國提出“雙碳”目標的背景下，高效回收利用冶金過程中的余熱資源已成為鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑。中國鋼鐵企業(yè)余熱資源回收利用的降碳潛力占總企業(yè)的7%～8%，其中燒結(jié)礦余熱資源的降碳潛力約占總余熱資源降碳潛力的15%，是中國現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)亟待挖潛的大宗余熱資源之一。目前，燒結(jié)環(huán)冷機作為燒結(jié)礦余熱回收利用的主要設(shè)備，其末端出口煙氣余熱溫度一般為120~150 ℃，未被有效利用而直接排空，導(dǎo)致大量低溫煙氣余熱資源浪費。加強對低品位煙氣余熱的回收利用已作為提高能源利用效率的關(guān)鍵措施之一被納入《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中。因此，高效回收低溫燒結(jié)冷卻煙氣余熱對提高燒結(jié)礦余熱回收利用率和推動鋼鐵行業(yè)節(jié)能降碳具有重要的現(xiàn)實意義。
卡諾電池，又稱熱泵儲電(pumped thermal energy storage, PTES)，是目前被廣泛關(guān)注的新型大規(guī)模儲電技術(shù)。與抽水儲能和壓縮空氣儲能相比，PTES系統(tǒng)不受地理條件限制、儲能密度高、投資成本低，是實現(xiàn)電能儲能和低品位熱能回收的前沿技術(shù)，極具發(fā)展?jié)摿εc前景。PTES系統(tǒng)根據(jù)熱力循環(huán)類型可分為基于布雷頓循環(huán)的PTES系統(tǒng)和基于有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)的PTES系統(tǒng)?；诓祭最D循環(huán)的PTES系統(tǒng)通常要求在超過500 ℃的高溫條件下運行，對壓縮機、儲熱材料和絕熱技術(shù)提出了嚴格的要求，因而其大規(guī)模應(yīng)用面臨顯著挑戰(zhàn)。相比之下，基于ORC的PTES系統(tǒng)是由熱泵(heat pump, HP)循環(huán)、儲熱系統(tǒng)和ORC組成，通常在250 ℃以下運行，對壓縮機、儲熱材料和絕熱技術(shù)的要求相對較為寬松，提高了其應(yīng)用的可行性，該系統(tǒng)的往返效率通常為23%～48%。低品位熱源與基于ORC的PTES系統(tǒng)集成，既能很好地匹配其低溫運行特性，又能提高系統(tǒng)運行效率。此外，若能將生產(chǎn)過程余熱資源進行回收并再次用于生產(chǎn)過程，將會有顯著的節(jié)能效果。
Steinmann等人于2014年首次提出將低品位余熱與基于ORC的PTES系統(tǒng)結(jié)合，并將此系統(tǒng)與其他大規(guī)模儲能技術(shù)進行對比。Zhang等人開發(fā)了一種不同蓄冷方式的PTES系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)儲能密度和儲能平準化成本，結(jié)果表明采用顯熱蓄熱的PTES系統(tǒng)的儲能密度一般低于5 kWh/m3，采用潛熱蓄熱的PTES系統(tǒng)的儲能密度可達27.7 kWh/m3。Niu等人對帶太陽能集熱器的基本型和回熱型PTES系統(tǒng)的性能進行了評估和比較，回熱型系統(tǒng)具有更高的效率，增加太陽能集熱器面積更有利于提高太陽能的利用率。圣力等人利用相變材料作為儲能介質(zhì)建立了熱泵儲電系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)值模型，其模擬結(jié)果顯示該系統(tǒng)的儲能密度達到了182.5 kWh/m3，相對于顯熱材料提升了118.5%，往返效率和功率密度分別達到了63.1%和175.8 kW/m3。Wang等人提出了一種新型PTES系統(tǒng)，其中充電過程是基于跨臨界CO2熱泵循環(huán)，放電過程則采用跨臨界CO2循環(huán)和亞臨界NH3循環(huán)的級聯(lián)設(shè)計，功率往返效率可達139%。Chen等人提出了一種基于附加電加熱器的高溫PTES(HT-PTES)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上耦合ORC系統(tǒng)，采用瞬態(tài)分析的方法對PTES、HT-PTES、PTES+ORC、HT-PTES+ORC、HT-PTES+并聯(lián)式ORC五種系統(tǒng)進行仿真比較分析，結(jié)果表明結(jié)合ORC是提高PTES和HT-PTES系統(tǒng)往返效率的有效方法。Yan等人提出了一種基于ORC的新型PTES系統(tǒng)，采用多目標優(yōu)化方法分析了關(guān)鍵參數(shù)的影響，揭示了不同性能指標之間的權(quán)衡關(guān)系，結(jié)果表明該系統(tǒng)循環(huán)效率可達72%以上，熱機效率可達70%。趙永亮等人研究了基于跨臨界CO2循環(huán)的卡諾電池儲能系統(tǒng)，結(jié)果表明有回熱的卡諾電池系統(tǒng)比無回熱系統(tǒng)綜合效率有所提髙，最高綜合效率和儲能密度分別增大了36.67%和25.68 kWh/m3。
綜上所述，目前PTES技術(shù)尚處于理論研究階段，在PTES系統(tǒng)潛在應(yīng)用和實際實施方面仍存在諸多尚待深入探索的領(lǐng)域，包括系統(tǒng)材料的成本及可用性，系統(tǒng)運行效率提升及可擴展性。雖然已有文獻研究得到了部分較為理想的PTES系統(tǒng)計算結(jié)果，但要確保PTES系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的有效性和商業(yè)可行性，仍需開展更為深入的研究來優(yōu)化其設(shè)計和性能。由于早期工業(yè)節(jié)能降碳意識不足及相關(guān)節(jié)能規(guī)劃發(fā)布滯后，使得目前國內(nèi)低溫余熱回收的PTES系統(tǒng)尚處于初期研究階段，特別是針對鋼鐵行業(yè)低溫燒結(jié)冷卻煙氣余熱驅(qū)動的PTES系統(tǒng)研究還鮮有文獻報道，亟待深入研究。另外，與其他工業(yè)低溫煙氣相比，燒結(jié)環(huán)冷機低溫段出口煙氣實質(zhì)上是低溫熱空氣，熱量密度較低，不具有露點腐蝕，可以進行深度回收利用且換熱后的煙氣能重新引入環(huán)冷機低溫段實現(xiàn)循環(huán)再利用，從而提高整個系統(tǒng)的能源利用效率?；诖耍槍︿撹F行業(yè)低溫燒結(jié)煙氣余熱利用率低的現(xiàn)狀，本工作將環(huán)冷機末段出口低溫煙氣余熱引入基于ORC的PTES系統(tǒng)作為熱源，分別構(gòu)建基本型PTES(B-PTES)系統(tǒng)和回熱型PTES(R-PTES)系統(tǒng)的熱力學(xué)計算模型，并研究HP冷凝溫度、HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度對B-PTES和R-PTES系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響，同時深入分析不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的運行性能，為進一步優(yōu)化PTES系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)提供理論依據(jù)。
1 系統(tǒng)模型建立
1.1 系統(tǒng)描述
B-PTES系統(tǒng)由HP循環(huán)、儲熱系統(tǒng)、ORC組成，如圖1(a)所示。在B-PTES系統(tǒng)充電過程中，壓縮機將谷電轉(zhuǎn)換成機械能，將工質(zhì)壓縮成高溫高壓氣體(0→2)進入冷凝器，通過熱交換將工質(zhì)顯熱存儲進儲熱系統(tǒng)(2→4)，隨后通過節(jié)流閥減壓(4→5)，進入蒸發(fā)器中吸收低溫煙氣余熱(5→0)，最后重新進入壓縮機內(nèi)循環(huán)使用，完成HP循環(huán)。在B-PTES系統(tǒng)放電過程中，ORC系統(tǒng)的工質(zhì)泵將循環(huán)工質(zhì)加壓(9→10)送入蒸發(fā)器中吸收儲熱系統(tǒng)儲熱介質(zhì)釋放的熱量(10→6)，ORC工質(zhì)被加熱后在蒸發(fā)器中變成高溫高壓蒸氣進入膨脹機將熱能轉(zhuǎn)換成電能(6→7)，最終在冷凝器中完成冷凝(7→9)重新回到工質(zhì)泵循環(huán)使用，完成ORC過程。與B-PTES系統(tǒng)相比，R-PTES系統(tǒng)中ORC子系統(tǒng)增設(shè)了一個回熱器，該回熱器用于回收膨脹器出口ORC工質(zhì)的顯熱(7→7')，泵將加壓后的工質(zhì)送入回熱器中吸收熱量進行加熱(10→10')，加熱后的工質(zhì)再進入蒸發(fā)器吸收儲熱系統(tǒng)的熱量，如圖1(b)所示。儲熱系統(tǒng)同樣是PTES系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，儲熱介質(zhì)的選擇也是十分重要的，鑒于水具有較高的比熱容、經(jīng)濟性、良好的安全性以及易于獲取等特性，本工作選擇水作為儲熱介質(zhì)。
圖1 PTES系統(tǒng)原理示意圖
1.2 熱力學(xué)模型
應(yīng)用能量和質(zhì)量守恒定理可得到系統(tǒng)中各組分的熱力學(xué)模型。此外，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可計算出系統(tǒng)的?效率，這表明了系統(tǒng)做有用功的最大能力。為了簡化對B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的分析，構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型，作出以下假設(shè)：
（1）系統(tǒng)各組成部分均在穩(wěn)態(tài)條件下運行，儲熱系統(tǒng)的熱損失，工質(zhì)在蒸發(fā)器、冷凝器和泵中的壓降均被忽略；
（2）系統(tǒng)中膨脹機、壓縮機以及工質(zhì)泵的等熵效率被視為固定值，且系統(tǒng)的性能不受外部環(huán)境的影響；
（3）ORC子系統(tǒng)蒸發(fā)器出口狀態(tài)為飽和狀態(tài)，不考慮摩擦散熱等引起的任何其他能量損失。
1.2.1 HP系統(tǒng)熱力學(xué)模型
本工作研究的B-PTES和R-PTES系統(tǒng)中HP子系統(tǒng)，其溫熵(T-S)圖見圖2。其中，過程(19→20)為低溫燒結(jié)煙氣在HP蒸發(fā)器內(nèi)的放熱過程，而過程(13→14)為儲熱系統(tǒng)內(nèi)的儲熱介質(zhì)在HP冷凝器內(nèi)的吸熱過程。由于HP系統(tǒng)內(nèi)壓縮機工作過程存在不可逆損失，因此采用壓縮機等熵效率(ηc)計算實際過程(0→2)耗功量。
圖2 HP系統(tǒng)T-S圖
HP蒸發(fā)器是余熱回收最關(guān)鍵的部件，工質(zhì)和低溫燒結(jié)煙氣在蒸發(fā)器內(nèi)的吸熱量為
1.2.2 ORC系統(tǒng)熱力學(xué)模型
本工作研究的B-PTES和R-PTES系統(tǒng)中ORC子系統(tǒng)，其溫熵(T-S)圖見圖3。其中，R-PTES系統(tǒng)中ORC子系統(tǒng)由于增設(shè)了回熱器，在相同ORC熱力參數(shù)條件下，回熱ORC(RORC)系統(tǒng)中進入蒸發(fā)器的循環(huán)工質(zhì)溫度(T10')比基本ORC(BORC)系統(tǒng)的高，而進入冷凝器的循環(huán)工質(zhì)溫度(T7')相對較低。另外，過程(14→13)為儲熱系統(tǒng)內(nèi)的儲熱介質(zhì)在ORC蒸發(fā)器內(nèi)的放熱過程，而過程(16→18)為冷卻水在ORC冷凝器內(nèi)吸熱過程。由于ORC系統(tǒng)內(nèi)膨脹機和工質(zhì)泵在運行過程中均存在不可逆損失，因此采用膨脹機等熵效率(ηexp)和工質(zhì)泵等熵效率(ηp)分別計算膨脹過程(6→7)對外輸出功和壓縮過程(9→10)耗功。
圖3 BORC和RORC系統(tǒng)T-S圖
ORC蒸發(fā)器將儲熱系統(tǒng)中的熱量通過熱交換至ORC系統(tǒng)中，是ORC系統(tǒng)能量輸入的重要部件，BORC和RORC系統(tǒng)蒸發(fā)器吸熱量分別為
式中，mORC為ORC循環(huán)工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h6、h10和h10'分別為工質(zhì)在狀態(tài)點6、10和10'處的比焓，kJ/kg。
膨脹機是整個PTES系統(tǒng)的直接輸出部件，它將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，ORC系統(tǒng)膨脹機對外做功為：
1.2.3 PTES系統(tǒng)熱力學(xué)模型
1.3 系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)選擇
PTES系統(tǒng)由充電過程的HP系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和放電過程的ORC系統(tǒng)組成，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的選擇主要集中在給定參數(shù)條件下的充放電過程，HP循環(huán)工質(zhì)和ORC工質(zhì)的物性參數(shù)對B-PTES和R-PTES系統(tǒng)熱力學(xué)性能有著重要影響。理想的循環(huán)工質(zhì)應(yīng)該具有無毒或低毒、化學(xué)穩(wěn)定性、安全性和良好的環(huán)保性等特點，而臭氧消耗潛勢(ODP)大于0和全球增溫潛勢(GWP)高于2500的循環(huán)工質(zhì)因不符合相關(guān)法規(guī)也被排除在外。因此，本工作選擇臨界溫度較高的環(huán)保制冷劑R365mfc作為PTES系統(tǒng)中HP循環(huán)的運行工質(zhì)，以使壓縮機出口工質(zhì)獲得較高的溫度來加熱儲熱介質(zhì)。此外，選取R1233zd(E)、R245ca、R236ea作為PTES系統(tǒng)中ORC的運行工質(zhì)，分析不同循環(huán)工質(zhì)條件下PTES系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。上述所選取的循環(huán)工質(zhì)及其部分物性參數(shù)見表1。
表1 工質(zhì)的物性參數(shù)
1.4 模型驗證
為了驗證本工作使用的熱力學(xué)計算模型的準確性，以R1233zd(E)為工質(zhì)的PTES系統(tǒng)計算結(jié)果與文獻[24]的研究結(jié)果進行比較，如表2所示。由表2可以看出，本工作所涉及的熱力學(xué)性能計算結(jié)果與文獻[24]的研究結(jié)果基本一致，計算結(jié)果最大相對誤差僅為6.46%。因此，對比結(jié)果驗證了本工作所建熱力學(xué)模型的可行性和可靠性。
表2 計算結(jié)果與文獻[24]研究結(jié)果的比較
2 結(jié)果與討論
本工作以鋼鐵行業(yè)低溫燒結(jié)煙氣余熱作為B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的熱源，并采用熱力學(xué)計算軟件和物性查詢軟件Refprop9.1，根據(jù)溫度和壓力對工質(zhì)物性的影響，對上述建立好的熱力學(xué)模型進行求解。本工作主要研究在不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下HP冷凝溫度、HP蒸發(fā)溫度、ORC蒸發(fā)溫度對B-PTES和R-PTES系統(tǒng)COPnew、ηptp和ηex的影響，具體計算初始參數(shù)見表3。
表3 系統(tǒng)計算初始參數(shù)
2.1 HP冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響
當HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度分別為60 ℃和85 ℃時，不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex隨著HP冷凝溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，當ORC循環(huán)工質(zhì)一定時，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex都隨著HP冷凝溫度的升高而減小。這是因為，HP冷凝溫度的增加會導(dǎo)致HP冷凝放熱量(Qc1)、壓縮機耗功(Wt)、ORC系統(tǒng)凈輸出功(Wnet)的增加，但Qc1和Wt的增加幅度遠大于Wnet的增加幅度，所以由式(17)和式(18)可得系統(tǒng)COPnew和ηptp是逐漸減小的。由于HP冷凝溫度升高對熱源流體質(zhì)量流量(mg)和熱源進出口溫度(T19、T20)沒有影響，根據(jù)式(19)可得PTES系統(tǒng)充放電過程中低溫燒結(jié)煙氣余熱的總輸入?量(Exw)不變，故而由式(20)可知系統(tǒng)ηex會逐漸減小。在HP冷凝溫度變化范圍內(nèi)，B-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R1233zd(E)的系統(tǒng)COPnew、ηptp和ηex最大，R-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R245ca的系統(tǒng)COPnew、ηptp和ηex最大，兩個系統(tǒng)中都是工質(zhì)R236ea的最小。其中，當HP冷凝溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均減小0.2、1.1%和0.5%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均減小0.21、1.17%和0.53%。
圖4 HP冷凝溫度對不同PTES系統(tǒng)性能的影響
由圖4還可以得出，對于相同的HP冷凝溫度和ORC循環(huán)工質(zhì)，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均大于B-PTES系統(tǒng)。這是由于R-PTES系統(tǒng)中回熱器的存在使得蒸發(fā)器的入口溫度升高，ORC循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量(mORC)也會隨之增加，從而導(dǎo)致Wt和Wnet增加，由于mg和T19、T20一定，所以根據(jù)上述公式(17)、(18)和(20)可知R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均大于B-PTES系統(tǒng)。以工質(zhì)R245ca為例，當HP冷凝溫度為140 ℃時，B-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex分別為4.82、34.6%和24.1%，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex分別為4.99、36.8%和25.6%。
2.2 HP蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響
當HP冷凝溫度和ORC蒸發(fā)溫度分別為150 ℃和85 ℃時，不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex隨著HP蒸發(fā)溫度的變化如圖5所示。由圖5可知，當ORC循環(huán)工質(zhì)一定時，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex都隨著HP蒸發(fā)溫度的升高而增大。這是因為，HP蒸發(fā)溫度的增加會導(dǎo)致Qc1、Wt、Wnet的減小，且Qc1的減幅大于Wt和Wnet的減幅，根據(jù)具體的參數(shù)變化比例和相互影響，由式(17)和式(18)可得系統(tǒng)COPnew和ηptp是逐漸增大的。由于HP蒸發(fā)溫度升高會使得T20增加，而對T19和mg沒有影響，根據(jù)式(19)可得PTES系統(tǒng)的Exw減小，因Wt和Exw之和的減小幅度大于Wnet的減小幅度，故而由式(20)可知系統(tǒng)ηex會逐漸增大。對比來看，在相同的HP蒸發(fā)溫度和ORC循環(huán)工質(zhì)下，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均明顯大于B-PTES系統(tǒng)的。
圖5 HP蒸發(fā)溫度對不同PTES系統(tǒng)性能的影響
由圖5還可以得出，在HP蒸發(fā)溫度變化范圍內(nèi)，B-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R1233zd(E)的COPnew、ηptp和ηex最大，R-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R245ca的COPnew、ηptp和ηex最大，兩個系統(tǒng)都是工質(zhì)R236ea的最小。其中，當HP蒸發(fā)溫度為50 ℃時，R1233zd(E)、R245ca和R236ea的R-PTES與B-PTES系統(tǒng)之間的COPnew偏差值分別為0.052、0.075和0.082，ηptp偏差值分別為1.17%、1.68%和1.89%，ηex偏差值分別為0.92%、1.33%和1.49%。此外，當HP蒸發(fā)溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.105、0.58%和0.2%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.111、0.62%和0.21%。由此可以看出，HP蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COPnew、ηptp和ηex的影響要小于HP冷凝溫度的影響，也就是說減小HP冷凝溫度對系統(tǒng)性能的提高比增大HP蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的提高要顯著。
2.3 ORC蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響
當HP冷凝溫度和HP蒸發(fā)溫度分別為150 ℃和60 ℃時，不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex隨著ORC蒸發(fā)溫度的變化如圖6所示。由圖6可知，當ORC循環(huán)工質(zhì)一定時，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex都隨著ORC蒸發(fā)溫度的升高而增大。這是因為，ORC蒸發(fā)溫度的增加使得Wnet增加，由于Qc1、Wt和Exw均不變，所以根據(jù)式(17)、式(18)和式(20)可得兩個系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex是逐漸增加的。對比來看，在相同的ORC蒸發(fā)溫度和ORC循環(huán)工質(zhì)下，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均明顯大于B-PTES系統(tǒng)的。
圖6 ORC蒸發(fā)溫度對不同PTES系統(tǒng)性能的影響
由圖6還可以得出，在ORC蒸發(fā)溫度變化范圍內(nèi)，B-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R1233zd(E)的COPnew、ηptp和ηex最大，R-PTES系統(tǒng)中工質(zhì)R245ca的COPnew、ηptp和ηex最大，兩個系統(tǒng)都是工質(zhì)R236ea的最小。其中，當ORC蒸發(fā)溫度為75 ℃時，R1233zd(E)、R245ca和R236ea的R-PTES與B-PTES系統(tǒng)之間的COPnew偏差值分別為0.043、0.062和0.071，ηptp偏差值分別為0.92%、1.31%和1.54%，ηex偏差值分別為0.69%、0.98%和1.16%。另外，當ORC蒸發(fā)溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.037、0.72%和0.55%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.045、0.83%和0.63%。由此可以看出，B-PTES系統(tǒng)的性能參數(shù)增加幅度要小于R-PTES系統(tǒng)的，ORC蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COPnew和ηptp的影響要小于HP冷凝溫度的影響，但ORC蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)ηex的影響大于HP冷凝溫度的影響。
3 結(jié) 論
為了進一步提高鋼鐵行業(yè)低溫余熱回收利用率，本工作將燒結(jié)環(huán)冷機末端出口低溫煙氣余熱引入PTES系統(tǒng)，分別構(gòu)建B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的熱力學(xué)計算模型，并研究不同ORC循環(huán)工質(zhì)條件下B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：
（1）在B-PTES和R-PTES系統(tǒng)中，當ORC循環(huán)工質(zhì)一定時，COPnew、ηptp和ηex都隨著HP冷凝溫度的升高而減小，隨著ORC蒸發(fā)溫度的升高而增大。當HP冷凝溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均減小0.2、1.1%和0.5%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均減小0.21、1.17%和0.53%；當ORC蒸發(fā)溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.037、0.72%和0.55%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.045、0.83%和0.63%。
（2）當ORC循環(huán)工質(zhì)一定時，B-PTES和R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex都隨著HP蒸發(fā)溫度的升高而增大。當HP蒸發(fā)溫度升高2 ℃時，B-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.105、0.58%和0.2%，R-PTES系統(tǒng)R245ca的COPnew、ηptp和ηex分別平均增加0.111、0.62%和0.21%。HP冷凝溫度對系統(tǒng)COPnew和ηptp的影響大于HP蒸發(fā)溫度和ORC蒸發(fā)溫度的影響，而ORC蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)ηex的影響大于HP冷凝溫度和HP蒸發(fā)溫度的影響。
（3）由于回熱器的存在，在PTES系統(tǒng)熱力學(xué)參數(shù)相同的情況下，R-PTES系統(tǒng)的COPnew、ηptp和ηex均大于B-PTES系統(tǒng)。在相同運行工況下，B-PTES系統(tǒng)的ORC子系統(tǒng)中3種工質(zhì)的COPnew、ηptp和ηex從小到大分別是R236ea、R245ca和R1233zd(E)，R-PTES系統(tǒng)的ORC子系統(tǒng)中3種工質(zhì)的COPnew、ηptp和ηex從小到大分別是R236ea、R1233zd(E)、R245ca。對比發(fā)現(xiàn)，為獲得更高的系統(tǒng)性能，應(yīng)選擇低溫燒結(jié)煙氣余熱驅(qū)動的R-PTES系統(tǒng)，其子系統(tǒng)RORC系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)使用R245ca。
