ORC 발전 시스템에 열회수 열교환기 적용
1, ORC 발전 시스템에서 열회수 열교환기의 핵심 역할
ORC 시스템의 핵심 원리는 낮은{0}}등급 열원(예: 산업용 연도 가스, 냉각수 및 배기 증기)의 열이 열 회수 열 교환기를 통해 유기 작동 유체로 전달된다는 것입니다. 끓는점이 낮기 때문에 유기 작동 유체는 더 낮은 온도에서 고압 증기로 증발하여 터빈을 회전시켜 전기를 생성할 수 있습니다. 작동유체는 작업을 수행한 후 응축기에 의해 냉각 및 액화되고 작동유체 펌프에 의해 가압된 후 다시 열회수 열교환기로 들어가 사이클을 완료합니다.
배열회수 열교환기의 핵심 기능은 세 가지로 요약할 수 있습니다.
효율적인 열 포집: 저등급 폐열 회수를 극대화하고, 열원 측의 열 손실을 줄이고, 폐열 활용 효율성을 향상합니다.
작동 유체의 정밀 가열: 유기 작동 유체를 증발 상태(포화 증기/과열 증기)로 가열하여 작업 요구 사항을 충족하는 작동 유체 매개변수(온도, 압력)를 터빈에 제공합니다.
시스템 매칭 규정: 열원 측의 흐름 및 온도 변동(예: 산업 폐열의 간헐적이고 가변적인 부하 특성)에 적응하고, 작동 유체 측의 출력 매개변수를 안정화하며, ORC 시스템의 지속적이고 안전한 작동을 보장합니다.
간단히 말하면, 열회수 열교환기는 ORC 시스템의 "열원"과 "작동 유체" 사이의 열교환 브리지이며, 그 열교환 성능은 ORC 시스템의 발전 효율을 직접적으로 결정합니다(일반적으로 ORC 시스템의 총 효율은 약 10%~25%이며, 열교환기의 열교환 효율이 핵심 영향 요소입니다).
2, 열회수 열교환기용 ORC 시스템의 특별 요구 사항
ORC 시스템의 열원은 대부분 낮은{0}}등급(온도는 일반적으로 80~350도), 다양한 작동 조건, 불순물을 포함하는 폐열(예: 먼지와 황을 포함하는 산업용 연도 가스, 스케일을 포함하는 냉각수)이며, 유기 작동 유체는 종종 끓는점이 낮고 휘발성이 높으며 일부 작동 유체는 부식성/인화성입니다. 따라서 배열회수 열교환기는 설계, 재료, 구조가 기존 화력발전 열교환기와 다릅니다. 핵심 요구사항은 다음과 같습니다.
1. 저-등급 열 교환에 적응하고 열 전달 성능을 향상시킵니다.
저등급 열원은 온도와 압력이 낮고(열원과 작동유체의 온도차가 작음) 열전달 추진력이 약하며, 제한된 열전달 영역 내에서 빠른 열전달을 달성하기 위해 열교환기에 고효율 강화 열전달 구조가 필요하며 낮은 열전달 계수로 인한 열교환기 용량 및 높은 비용을 방지합니다.
2. 가변적인 작동 조건을 허용하고 열원의 변동에 적응합니다.
산업 폐열(예: 철강, 화학, 시멘트 산업의 연도 가스/폐열 증기)의 유속과 온도는 생산 부하에 따라 변동하기 쉽습니다(예: 연도 가스 온도가 150도에서 100도로 갑자기 떨어지거나 유속이 50000m 3/h에서 30000m 3/h로 감소). 따라서 열 교환기는 변화하는 작업 조건에 잘 적응할 수 있어야 합니다. 열교환 면적을 조정하고 흐름 채널을 최적화함으로써 작동 유체 측 출력 매개변수의 안정성을 보장할 수 있습니다.
3. 유기 작동 유체의 특성에 적응하고 안전성과 호환성의 균형을 유지합니다.
재료 호환성: 일부 유기 작동 유체(예: 탄화불화탄소, 케톤, 알칸)는 고온에서 금속에 약간의 부식을 일으킬 수 있습니다. 열 교환기의 재질은 작동 유체(예: 일반적으로 사용되는 304/316 스테인레스 스틸, 티타늄 합금 및 Hastelloy를 사용하는 특수 작업 조건)와 일치해야 합니다.
밀봉 성능: 유기 작동유체는 휘발되기 쉬우며 열교환기는 작동유체의 누출을 방지하기 위해 높은 밀봉 수준을 가져야 합니다(이로 인해 열 손실이 발생할 뿐만 아니라 작동유체의 인화성/독성으로 인해 안전 사고가 발생할 수 있음).
코킹/스케일링 방지: 유기 작동 유체는 국지적 과열 시 균열 및 코킹이 발생하기 쉽습니다. 열교환기는 작동 유체 측의 국부적인 고온을 방지하고 균일한 유동장을 보장하기 위해 유동 채널 설계를 최적화해야 합니다.
4. 열원측 매체의 특성에 저항하여 오염 및 부식에 대한 저항력을 향상시킵니다.
열원이 산업용 연도가스인 경우: 먼지, 유황 및 산성 가스를 포함하고 있는 열교환기의 연도가스 측은 내마모성-, 저온 부식에 강하고-청소가 용이해야 합니다(예: 청소 장치 설치).
열원이 저온-냉각수/배기 증기인 경우: 스케일링 및 응결이 발생하기 쉬우므로 열 교환기는 스케일링 및 전기화학적 부식에 대한 저항성을 가져야 합니다.
열원이 고온-온도 용융염/열 전달 오일(간접 열교환 ORC 시스템)인 경우: 고온 매체의 열충격을 견뎌야 하며-재료는 우수한 고온 강도를 가지고 있습니다.-
5. 소형, 저가-, 엔지니어링 애플리케이션에 적합
ORC 시스템은 대부분 분산 발전(예: 산업 폐열 발생 지점 근처에 위치)이며, 부지 공간이 제한되어 소형 열 교환기 구조, 작은 부피 및 가벼운 무게가 필요합니다. 동시에 ORC 시스템의 수익성은 폐열 회수의 경제성에 달려 있으며 열교환기는 제조 및 운영 유지 관리 비용을 제어해야 합니다.
6. 열 매칭을 충족하고 열 전달과 일치하는 온도를 달성합니다.
ORC 시스템에서 유기 작동유체의 가열 과정은 예열 구간, 증발 구간, 과열 구간으로 구분됩니다(일부 시스템에는 과열 구간이 없습니다). 열원측의 열 방출도 현열 구간과 응축 구간으로 구분됩니다. 열 교환기의 흐름 채널 설계는 열 전달과 일치하는 온도를 달성하고 "온도차가 크고 유속이 작은" 비효율적인 열 전달을 방지하고 열 효율(유효 에너지 이용률)을 향상시키며 열 손실을 줄이는 것이 필요합니다.
ORC 시스템의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 열 회수 열 교환기의 설계는 열 전달 효율, 다양한 작동 조건에 대한 적응성, 내오염성 및 비용 제어라는 네 가지 핵심 측면을 중심으로 이루어져야 합니다. 주요 설계 및 최적화 포인트는 다음과 같습니다.
1. 유동채널 및 열교환 구조 최적화
역-류 열 교환(열원과 작동 유체의 반대 방향 흐름)을 사용하여 온도 및 압력 활용도를 극대화하고 열 교환 효율을 향상합니다(역류 열 교환의 평균 온도 및 압력은 병류 열 교환보다 30%~50% 더 높습니다).-
작동 유체 측에 강화된 열 전달 튜브(예: 나사형 튜브, 주름형 튜브 및 마이크로핀 튜브)를 사용하고 열원 측(연도 가스)에 고{0}}효율성 핀(예: 주름형 핀 및 슬롯형 핀)을 사용하여 양쪽의 열 전달 계수를 향상시킵니다.
흐름 채널 분포를 최적화하여 열교환기 내 매체의 균일한 흐름장을 보장하고 국부적 데드존 및 흐름 편차를 방지하며 국부적 코킹, 스케일링 및 과열을 방지합니다.
2. 정확한 재료 선택
열원매체, 유기작동유체, 작동온도/압력을 기준으로 핵심재료 선정기준은 다음과 같습니다.
정상 작동 조건(작동 유체는 R245fa 또는 R1233zd, 열원은 깨끗한 연도 가스/냉각수, 온도)<200℃):304 stainless steel;
부식성 매체(연도 가스에는 황이 포함되어 있으며 작동 유체는 부식성 케톤, 온도는 200~300도):** 316L 스테인레스 스틸;
부식성이 높은 작동 조건(고-온도 산성 연도 가스, 특수 작동 유체):티타늄 합금, Hastelloy C276;
High-temperature heat source (temperature >300도, 고온-공정 폐열 등: 내열강-(예: 15CrMoG, P91)
3. -오염 방지 및 먼지 제거 설계
먼지와 스케일이 포함된 열원의 경우 열교환기는 열 교환 표면에 스케일이 쌓이는 것을 방지하기 위해 오염 방지/먼지 제거 장치를 통합해야 합니다. 이로 인해 열 전달 계수가 감소할 수 있습니다(스케일링 후 열 전달 계수가 50% 이상 감소할 수 있음).
연도 가스 측면: 음파 그을음 송풍기, 펄스 그을음 송풍기 및 스크레이퍼 그을음 제거기를 설치하여 연도 가스 속도를 최적화하고(일반적으로 10~15m/s로 제어됨) 먼지 퇴적을 줄이면서 열 전달을 보장합니다.
Liquid side: Employ online chemical cleaning devices and electrostatic descaling devices, with flow channels designed for high flow rates (>1.5m/s) 스케일 형성을 억제합니다.
