Ứng dụng của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt trong hệ thống phát điện ORC
1, Vai trò cốt lõi của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt trong hệ thống phát điện ORC
Nguyên tắc cốt lõi của hệ thống ORC là nhiệt từ các nguồn nhiệt cấp thấp (chẳng hạn như khí thải công nghiệp, nước làm mát và hơi thải) được truyền đến chất lỏng hữu cơ hoạt động thông qua bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt. Chất lỏng hữu cơ hoạt động, do có nhiệt độ sôi thấp nên có thể bay hơi thành hơi-áp suất cao ở nhiệt độ thấp hơn, làm quay tuabin và tạo ra điện. Chất lỏng làm việc sau khi thực hiện công việc được làm mát và hóa lỏng bằng bình ngưng, được điều áp bằng bơm chất lỏng làm việc, sau đó đi vào bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt để hoàn thành chu trình.
Các chức năng cốt lõi của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt có thể được tóm tắt thành ba điểm:
Thu nhiệt hiệu quả: Tối đa hóa việc thu hồi nhiệt thải-cấp thấp, giảm thất thoát nhiệt ở phía nguồn nhiệt và cải thiện hiệu quả sử dụng nhiệt thải;
Gia nhiệt chính xác chất lỏng công tác: Gia nhiệt chất công tác hữu cơ đến trạng thái bay hơi (hơi bão hòa/hơi quá nhiệt), cung cấp các thông số chất công tác (nhiệt độ, áp suất) đáp ứng yêu cầu làm việc cho tuabin;
Quy định phù hợp với hệ thống: Thích ứng với sự biến động của dòng chảy và nhiệt độ ở phía nguồn nhiệt (chẳng hạn như đặc tính tải không liên tục và thay đổi của nhiệt thải công nghiệp), ổn định các thông số đầu ra ở phía chất lỏng làm việc và đảm bảo hệ thống ORC hoạt động liên tục và an toàn.
Nói một cách đơn giản, bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt là cầu nối trao đổi nhiệt giữa "nguồn nhiệt" và "chất lỏng làm việc" trong hệ thống ORC và hiệu suất trao đổi nhiệt của nó quyết định trực tiếp đến hiệu suất phát điện của hệ thống ORC (nói chung, tổng hiệu suất của hệ thống ORC là khoảng 10% ~ 25% và hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ trao đổi nhiệt là yếu tố ảnh hưởng cốt lõi).
2, Yêu cầu đặc biệt của hệ thống ORC đối với thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt
Nguồn nhiệt của hệ thống ORC chủ yếu là cấp-thấp (nhiệt độ thường là 80-350 độ ), điều kiện vận hành thay đổi và nhiệt thải chứa tạp chất (chẳng hạn như khí thải công nghiệp chứa bụi và lưu huỳnh và nước làm mát có chứa cặn) và chất lỏng hữu cơ thường có điểm sôi thấp, dễ bay hơi và một số chất lỏng làm việc có tính ăn mòn/dễ cháy. Do đó, thiết kế, vật liệu và cấu trúc của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt khác với các bộ trao đổi nhiệt nhiệt điện truyền thống. Các yêu cầu cốt lõi như sau:
1. Thích ứng với việc trao đổi nhiệt cấp thấp-và nâng cao hiệu suất truyền nhiệt
Nguồn nhiệt cấp thấp có nhiệt độ và áp suất thấp (chênh lệch nhiệt độ nhỏ giữa nguồn nhiệt và chất lỏng làm việc), lực truyền nhiệt yếu và yêu cầu bộ trao đổi nhiệt phải có cấu trúc truyền nhiệt-hiệu suất cao để đạt được khả năng truyền nhiệt nhanh trong khu vực truyền nhiệt hạn chế, tránh thể tích bộ trao đổi nhiệt và chi phí cao do hệ số truyền nhiệt thấp.
2. Chịu được các điều kiện vận hành thay đổi và thích ứng với sự biến động của nguồn nhiệt
Tốc độ dòng và nhiệt độ của nhiệt thải công nghiệp (như khí thải/hơi nhiệt thải của ngành thép, hóa chất, xi măng) dễ bị biến động theo tải sản xuất (như nhiệt độ khí thải giảm đột ngột từ 150 độ xuống 100 độ và tốc độ dòng giảm từ 50000m³/h xuống 30000m³/h), đòi hỏi bộ trao đổi nhiệt phải có khả năng thích ứng tốt với các điều kiện làm việc thay đổi. Bằng cách điều chỉnh diện tích trao đổi nhiệt và tối ưu hóa kênh dòng chảy, có thể đảm bảo tính ổn định của các thông số đầu ra ở phía chất lỏng làm việc.
3. Thích ứng với đặc tính của chất lỏng làm việc hữu cơ, cân bằng độ an toàn và khả năng tương thích
Khả năng tương thích vật liệu: Một số chất lỏng hữu cơ làm việc (chẳng hạn như fluorocarbon, xeton và ankan) có thể gây ăn mòn nhẹ cho kim loại ở nhiệt độ cao. Vật liệu của bộ trao đổi nhiệt cần phải phù hợp với chất lỏng làm việc (chẳng hạn như thép không gỉ 304/316, hợp kim titan và các điều kiện làm việc đặc biệt sử dụng Hastelloy);
Hiệu suất bịt kín: Chất lỏng làm việc hữu cơ dễ bị bay hơi và bộ trao đổi nhiệt cần có mức độ bịt kín cao để tránh rò rỉ chất lỏng làm việc (điều này không chỉ gây thất thoát nhiệt mà còn có thể dẫn đến tai nạn an toàn do tính dễ cháy/độc tính của chất lỏng làm việc);
Chống cốc hóa/đóng cặn: Chất lỏng hữu cơ dễ bị nứt và cốc hóa khi quá nhiệt cục bộ. Bộ trao đổi nhiệt cần tối ưu hóa thiết kế kênh dòng chảy để tránh nhiệt độ cao cục bộ ở phía chất lỏng làm việc và đảm bảo trường dòng chảy đồng đều.
4. Chịu được đặc tính của môi trường về phía nguồn nhiệt, tăng cường khả năng chống ô nhiễm và ăn mòn
Nếu nguồn nhiệt là khí thải công nghiệp: chứa bụi, lưu huỳnh và khí axit thì phía khí thải của bộ trao đổi nhiệt cần phải có khả năng -chống mài mòn, chống ăn mòn ở nhiệt độ-thấp và dễ làm sạch (chẳng hạn như lắp đặt thiết bị làm sạch);
Nếu nguồn nhiệt là nước làm mát/hơi xả có nhiệt độ thấp: dễ bị đóng cặn và ngưng tụ thì bộ trao đổi nhiệt cần có khả năng chống đóng cặn và ăn mòn điện hóa;
Nếu nguồn nhiệt là muối nóng chảy/dầu truyền nhiệt ở nhiệt độ cao (hệ thống ORC trao đổi nhiệt gián tiếp): nguồn nhiệt cần chịu được sốc nhiệt của môi trường có nhiệt độ-cao và vật liệu có độ bền nhiệt độ-cao tốt.
5. Nhỏ gọn,{1}}chi phí thấp, phù hợp với các ứng dụng kỹ thuật
Hệ thống ORC chủ yếu là phát điện phân tán (chẳng hạn như nằm gần các điểm phát nhiệt thải công nghiệp), với không gian địa điểm hạn chế, yêu cầu cấu trúc trao đổi nhiệt nhỏ gọn, khối lượng nhỏ và trọng lượng nhẹ; Đồng thời, lợi nhuận của hệ thống ORC phụ thuộc vào tính kinh tế của việc thu hồi nhiệt thải và bộ trao đổi nhiệt cần kiểm soát chi phí sản xuất và bảo trì vận hành.
6. Đáp ứng sự kết hợp nhiệt và đạt được sự truyền nhiệt phù hợp với nhiệt độ
Quá trình gia nhiệt chất lỏng làm việc hữu cơ trong hệ thống ORC được chia thành phần gia nhiệt trước, phần bay hơi và phần quá nhiệt (một số hệ thống không có phần quá nhiệt). Sự giải phóng nhiệt ở phía nguồn nhiệt cũng được chia thành phần nhiệt hợp lý và phần ngưng tụ. Yêu cầu thiết kế kênh dòng chảy của bộ trao đổi nhiệt phải đạt được nhiệt độ truyền nhiệt phù hợp, tránh truyền nhiệt không hiệu quả với "chênh lệch nhiệt độ lớn và tốc độ dòng chảy nhỏ", cải thiện hiệu suất nhiệt (tốc độ sử dụng năng lượng hiệu quả) và giảm tổn thất nhiệt.
Để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống ORC, thiết kế của bộ trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt phải xoay quanh bốn khía cạnh cốt lõi: hiệu suất truyền nhiệt, khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau, khả năng chống bám bẩn và kiểm soát chi phí. Các điểm thiết kế và tối ưu hóa chính như sau:
1. Tối ưu hóa cấu trúc trao đổi nhiệt và kênh dòng chảy
Sử dụng bộ trao đổi nhiệt dòng-của bộ đếm (nguồn nhiệt và dòng chất lỏng làm việc theo hướng ngược nhau) để tối đa hóa việc sử dụng nhiệt độ và áp suất, đồng thời cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt (nhiệt độ và áp suất trung bình của bộ trao đổi nhiệt dòng-bộ đếm cao hơn 30%~50% so với trao đổi nhiệt đồng-);
Sử dụng các ống truyền nhiệt được gia cố (chẳng hạn như ống ren, ống lượn sóng và ống có vi vây) ở phía chất lỏng làm việc và các cánh tản nhiệt-hiệu suất cao (như các cánh lượn sóng và các cánh tản nhiệt có rãnh) ở phía nguồn nhiệt (khí thải) để cải thiện hệ số truyền nhiệt ở cả hai bên;
Tối ưu hóa phân phối kênh dòng chảy để đảm bảo trường dòng chảy đồng đều của môi chất trong bộ trao đổi nhiệt, tránh các vùng chết cục bộ và sai lệch dòng chảy, đồng thời ngăn ngừa cốc hóa cục bộ, đóng cặn và quá nhiệt.
2. Lựa chọn vật liệu chính xác
Dựa trên môi trường nguồn nhiệt, chất lỏng làm việc hữu cơ và nhiệt độ/áp suất vận hành, tham chiếu lựa chọn vật liệu cốt lõi như sau:
Điều kiện hoạt động bình thường (dung dịch làm việc là R245fa hoặc R1233zd, nguồn nhiệt là khí thải sạch/nước làm mát, nhiệt độ<200℃):304 stainless steel;
Môi trường ăn mòn (khí thải chứa lưu huỳnh, chất lỏng làm việc là xeton ăn mòn, nhiệt độ 200 ~ 300 độ):** Thép không gỉ 316L;
Điều kiện hoạt động có tính ăn mòn cao (khí thải axit có nhiệt độ-cao, chất lỏng làm việc đặc biệt):Hợp kim titan, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300 độ, chẳng hạn như nhiệt thải của quá trình xử lý ở nhiệt độ-cao): Thép chịu nhiệt-(chẳng hạn như 15CrMoG, P91)
3. Thiết kế chống bám bẩn và loại bỏ bụi
Đối với các nguồn nhiệt chứa bụi và cặn, bộ trao đổi nhiệt phải tích hợp-thiết bị chống bám bẩn/loại bỏ bụi để ngăn chặn sự tích tụ cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt, điều này có thể làm giảm hệ số truyền nhiệt (hệ số truyền nhiệt có thể giảm hơn 50% sau khi đóng cặn):
Phía khí thải: Lắp đặt máy thổi bồ hóng siêu âm, máy thổi bồ hóng xung và máy cạo bồ hóng để tối ưu hóa tốc độ khí thải (thường được kiểm soát ở mức 10~15m/s) để đảm bảo truyền nhiệt đồng thời giảm lắng đọng bụi;
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1,5m/s) để ức chế sự hình thành cặn.
