背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

李逍晗

摘 要：本文通過提高背壓式汽輪機組的蒸汽流量，讓多余的排汽給與有機朗肯循環(huán)（ORC）耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電，從而提高汽輪機組的工作效率，提高系統(tǒng)的發(fā)電量，同時該系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)熱負荷和電負荷。

關(guān)鍵詞：背壓式；汽輪機組；有機朗肯循環(huán)；熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

中圖分類號：U664.12 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0090-01

背壓式汽輪機組是一種無冷源損失，熱效應(yīng)高，能量利用率高的熱電聯(lián)產(chǎn)方式，能夠?qū)⑴牌坑糜诠?，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但是，由于背壓式汽輪機的電負荷受到熱負荷的影響，在其生產(chǎn)方式上不能同時滿足對于電負荷和熱負荷的要求，需要用電網(wǎng)補償電量差，提高了整個電力系統(tǒng)的備用容量，如果背壓式汽輪機偏離設(shè)計工況，則會導(dǎo)致相對內(nèi)效率降低，引起發(fā)電耗能增大，但在熱負荷小或者處于停止運行狀態(tài)，則會降低汽輪機組設(shè)備有效利用率。在熱電廠的支持下，通過給汽輪機安裝后置式的低壓凝氣，便能讓背壓式汽輪機排汽盡可能全部進入低壓凝氣設(shè)備中，提高系統(tǒng)設(shè)備的有效利用率和發(fā)電量。

1 背壓式汽輪機組與ORC組成的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

有機朗肯循環(huán)（ORC）主要采用了低沸點的工質(zhì)，是由蒸發(fā)器，冷凝器，泵，回?zé)崞?，汽輪機構(gòu)成，相比蒸汽式朗肯循環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)在370℃以下的熱源中發(fā)電，其熱經(jīng)濟效益比較高，而且大容量的有機朗肯循環(huán)的熱工轉(zhuǎn)換是通過徑流式汽輪機來實現(xiàn)的，這種設(shè)備的熱效率較高，而且受負荷波動變化影響較小，有機工質(zhì)利用干流體，避免了對汽輪機葉片的腐蝕，而且這種工質(zhì)膨脹要遠小于水蒸式，也能從一定程度降低汽輪機的金屬需求量[1]。此外，ORC在很多方面還具備了明顯優(yōu)勢，比如啟動和停止運行比較方便，負荷的適應(yīng)性較好，后期維修費用低等。目前已經(jīng)實現(xiàn)在太陽能，生物能發(fā)電方面的應(yīng)用，由于汽輪機組以熱定電的方式導(dǎo)致在實際應(yīng)用過程中存在很多問題，之于此，我們提出了背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，能夠保證較高的機組熱效率，降低熱負荷后，能夠?qū)⒍嘤嗟呐牌┙o有機朗肯循環(huán)發(fā)電，提高發(fā)電量的同時，也提高了系統(tǒng)的設(shè)備有效利用率。為了盡可能提高系統(tǒng)的熱效率，本文就選擇有機工質(zhì)及優(yōu)化運行參數(shù)方面展開討論，希望能給相關(guān)工作人員提供幫助。

在熱負荷較低的情況下，背壓式汽輪機多余的排汽量提供給系統(tǒng)的蒸發(fā)器，經(jīng)過有機工質(zhì)，進行冷凝過程，蒸汽和冷凝水通過疏水擴容器將進入低壓除氧器中，從而代替汽輪機的排汽，完成汽輪機組循環(huán)。通過提高背壓式汽輪機的進氣量，可以在一定程度上提升汽輪機的相對內(nèi)效率，還能提高系統(tǒng)的發(fā)電量。另外，在有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)器中，有機工質(zhì)經(jīng)過排汽加熱過程形成蒸氣，在徑流式汽輪機進行膨脹做功，由于有機工質(zhì)中的干流體經(jīng)過膨脹后，如果直接進入冷凝器，則會導(dǎo)致大量的冷源損耗，使得能源的利用率降低，因此有機工質(zhì)需要先通過回?zé)崞?，待其冷卻至40度左右再通過冷凝器，用泵將有機工質(zhì)加壓，利用回?zé)崞骱皖A(yù)熱器以及蒸發(fā)器進行加熱，以此提高循環(huán)熱效率，完成有機朗肯循環(huán)。聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)增加的發(fā)電量ΔW 是背壓式汽輪機組增加的發(fā)電量ΔWs與ORC發(fā)電量Wo之和，其中ΔWs主要是受與蒸汽流量有關(guān)的熱力因素影響，Wo是與有機工質(zhì)及熱力參數(shù)有關(guān)，因此本文著重對系統(tǒng)的熱力分析及優(yōu)化展開研究。

2 ORC的熱力性能分析

ORC系統(tǒng)是否具備較高的熱效率，主要受到有機工質(zhì)的熱物性影響，我們選擇異丁烷（R600a）、R245fa、R123和 R113作為有機工質(zhì)的研究對象，采用Refprop 8.0軟件分析其熱力性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這四種有機工質(zhì)的臨界壓力相似，但是R113的臨界溫度是最高的[2]。在實驗過程中，我們將ORC的主氣溫度設(shè)置為150度，分別用上述四種有機工質(zhì)進行，觀察其熱效率及單位工質(zhì)凈發(fā)電量受主氣壓力變化的影響，從結(jié)果來看，當主氣溫度和循環(huán)冷端參數(shù)設(shè)置一定時，主氣壓有最佳值能夠使ORC的熱效率以及單位工質(zhì)的凈發(fā)電量處于最大化，并且R113工質(zhì)，隨著主氣壓力的升高，熱效率會在短時間內(nèi)得到快速提升，直到達到最大值，而R123和R245fa是達到最大值后，出現(xiàn)下降趨勢，R600a在低于150℃時也出現(xiàn)了這種先增后減的情況。由于汽輪機的進氣壓力是影響ORC熱效率的主要原因，為了能夠盡量提高熱效率，我們根據(jù)廣義既越梯度法對主氣溫度在100度至250度以下的主氣壓力進行優(yōu)化。

3 算例分析

我們對背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電量以及所產(chǎn)生的熱經(jīng)濟性進行分析，發(fā)現(xiàn)主氣壓力為8.8MPa，主氣溫度為530度時，熱耗保證工況的進氣量為每小時240噸，汽輪機的相對內(nèi)效率不足80%，排汽壓力和溫度分別為1.5MPa和320℃，當供氣量降低一半時，背壓式汽輪機的發(fā)電量會降低70%以上，相對內(nèi)效率則降低25%左右，這對汽輪機組的電負荷和熱經(jīng)濟性來說影響是比較大的，因此，我們針對不同供熱量的低熱復(fù)合工況進行研究，觀察聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)電量變化，并由此發(fā)現(xiàn)，提高ORC的主氣溫度直接影響了熱效率的提升，但由于夾點溫差的限制，進氣溫度會有最高限制值，水蒸氣在ORC換熱器中進行放熱時，雖然溫度處于120攝氏度高溫，但是蒸汽從過熱冷凝到飽和蒸汽的比焓較低，且有較大的汽化潛能，因此ORC的主氣溫度受到冷凝過程的制約，選取主氣溫度都為200度，并用這四種有機工質(zhì)進行熱力參數(shù)優(yōu)化。

當背壓式汽輪機的進氣量為每小時250噸，采用R113工質(zhì)時，產(chǎn)生的熱效率最高，相比R600a提高了10%的凈發(fā)電量，在供氣量為每小時80噸時，多余的排汽能夠驅(qū)動ORC增加發(fā)電量，如果不考慮熱負荷，ORC能夠?qū)崿F(xiàn)有效擴容機組容量，而且這種聯(lián)產(chǎn)方式對于穩(wěn)定電量需求的區(qū)域來說是十分重要的，ORC充分利用背壓式汽輪機進行排汽發(fā)電，導(dǎo)致冷源一定程度的損失，在研究中我們將汽輪機的進氣量保持不變，供熱量與ORC用氣量是呈反比的，供熱量越低，燃料的利用系數(shù)也會相應(yīng)降低，但是，從熱力學(xué)的角度來看，在熱低峰時增加系統(tǒng)的發(fā)電量，能夠提高系統(tǒng)的變負荷性能，提高其可靠性能，同時還能適應(yīng)機組產(chǎn)生的負荷變化。因此，可以根據(jù)實際運行中的負荷特性，以及周邊的用電量情況靈活選擇ORC系統(tǒng)，滿足機組擴容和調(diào)節(jié)電負荷的目的，企業(yè)也可以通過ORC在低于350攝氏度的條件下發(fā)電，當背壓式汽輪機的供熱量達到最大，余熱量也處于最大，這些余熱可以充分利用起來，用于ORC并聯(lián)運行，企業(yè)可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要選擇ORC并進行運行優(yōu)化。當供熱量一定時，背壓式汽輪機的主蒸汽流量提升，會引起ORC的開發(fā)量上升，電負荷的調(diào)節(jié)也可以通過改變主汽流量來實現(xiàn)，而在發(fā)電量一定時，背壓式汽輪機的主氣量隨著供熱量的上升而提高，從而實現(xiàn)熱負荷需求，ORC主要是通過降低或者上升汽量來維持系統(tǒng)中的總發(fā)電量一定，另外，當用電量和供熱量都處于動態(tài)變化時，可以改變主蒸汽量來調(diào)節(jié)二者的變化。

4 結(jié)語

背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，處于低熱負荷情況下，可以提高主蒸汽流量，多余的排汽可以實現(xiàn)對ORC供電，以提高汽輪機組的設(shè)備運行效率和發(fā)電量，可以通過調(diào)節(jié)進氣量來滿足熱負荷和電負荷的調(diào)節(jié)，此外，ORC的主氣溫度受到汽輪機排汽的冷凝溫度的限制，影響熱效率的主要因素是ORC的主氣壓力，分別采用了4種有機工質(zhì)的最佳運行壓力，來實現(xiàn)ORC優(yōu)化。ORC雖然會損失一部分系統(tǒng)冷源，而且燃料利用效率會隨熱負荷的降低而降低，但是相比原工況，在效率上會明顯上升。

參考文獻

[1]顧偉，孫紹芹，翁一武，等.采用渦旋膨脹機的低品位熱能有機物朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)實驗研究[J].中國電機工程學(xué)報，2011，31（17）：20-25.

[2]趙巍，杜建一，徐建中.微型燃氣輪機與有機朗肯循環(huán)裝置組成聯(lián)合循環(huán)的設(shè)計與分析[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29（29）：19-24.