向心透平有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備設(shè)計

朱 弢，李 健，鄭洪財

(南京天加熱能技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

我國經(jīng)濟取得了舉世矚目的成就，但經(jīng)濟騰飛的同時也帶來了高能耗和環(huán)境污染。面對能源、環(huán)保的雙重壓力，“十三五規(guī)劃綱要”提出[1]“著力提升能源普遍服務(wù)水平，全面推進能源生產(chǎn)和消費革命，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系”的指導(dǎo)思想，要求在提高化石能源利用率的同時，推進綠色低碳再生能源的利用和分布式發(fā)電的發(fā)展。

我國是火力發(fā)電大國。火力發(fā)電主要使用以煤為代表的化石能源，能耗量高、污染較大。為解決此問題，目前國內(nèi)外都在嘗試利用地熱能、太陽能、風能、生物質(zhì)能等高效、清潔的新能源，替代傳統(tǒng)化石能源進行分布式發(fā)電[2-3]。這一趨勢已成為國際能源發(fā)展的新一輪調(diào)整目標之一。

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)發(fā)電是一種利用低品位(300 ℃以下)可再生能源作分布式發(fā)電的技術(shù)，具有消耗燃料少、污染小、安全可靠、投資回報率高等優(yōu)點。該技術(shù)在能源危機的國際形勢下，越來越得到重視。但最新研究成果主要集中在美、以、意、日等發(fā)達國家。我國近年發(fā)展勢頭迅猛，有部分的研究成果輸出和項目落地[4-6]。

本文介紹了使用向心透平所設(shè)計的中等功率(300 kW)有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文研究內(nèi)容涵蓋了有機工質(zhì)朗肯循環(huán)的熱源選擇、目標定位、膨脹機、工質(zhì)選擇、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方案等。

1.1 目標熱源

中國地熱總量占世界總量7.9%[7]，主要為中低溫熱水。根據(jù)國土資源部地質(zhì)調(diào)查局2015年調(diào)查結(jié)果，全國336個地級以上城市淺層地熱能年可開采資源量折合7億噸標準煤，水熱型地熱能年可開采資源量折合19億噸標準煤[8]，具有龐大的低溫地熱資源開發(fā)潛力和市場價值。在工業(yè)余、廢熱方面，我國的煉鋼、化工、水泥、燃氣輪機等行業(yè)有大量的低品位(90～200 ℃)廢煙氣或蒸汽排放，將其合理回收并用于發(fā)電，既可提高能源的綜合利用率，又能帶來經(jīng)濟效益。綜合考慮，本文以溫度為90～150 ℃的地熱、工業(yè)余熱作為目標熱源。

1.2 目標發(fā)電量

國家電網(wǎng)公司對分布式能源的接入電壓等級推薦如下：8 kW 及以下可接入220 V；8～400 kW 可接入380 V；400～6 000 kW 可接入10 kV[9]。為方便用戶自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，在兩種電壓等級同時滿足接入條件時優(yōu)先采用低電壓等級接入[10]。本文采用異步式發(fā)電機，以電壓380 V、總發(fā)電功率300 kW作為設(shè)計目標，且允許短時間內(nèi)超載10%。

1.3 膨脹機

膨脹機是有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的關(guān)鍵部件，常見的有容積式和速度式。容積式有渦旋、螺桿等形式，一般適用于小流量的中小型系統(tǒng)[11]；速度式有向心透平、軸流透平、混流透平等，依靠工質(zhì)流體在流經(jīng)噴嘴時所產(chǎn)生的高流速推動膨脹機動葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能[12]，更適用于300 kW的中等功率場合。與螺桿膨脹機相比，向心透平膨脹機具有系統(tǒng)簡單、故障率低的優(yōu)點，且等熵膨脹效率可達85%～90%。

考慮地熱項目需要機組室外運行，發(fā)電機與透平機的機械連接需要設(shè)計為IP68的高防護等級。異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子與透平機通過齒輪傳動。發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子，齒輪，軸承等機械部件全部位于同一殼體內(nèi)。

1.4 有機工質(zhì)選擇

常用的有機工質(zhì)有R245fa、R600、R600a、R134a、R123等。本文結(jié)合目標熱源及工質(zhì)的蒸發(fā)/冷凝壓力、環(huán)境友好性、與潤滑油的兼容性等特點，選擇R245fa作為研究工質(zhì)。R245fa的化學式為CF3CH2CHF2，蒸發(fā)溫度為14.9 ℃，臨界溫度為154 ℃，臨界壓力為3.64 MPa，全球變暖潛能值為1 030[13]。

1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)器的設(shè)計需先選定換熱器的類型，如管式換熱器或板式換熱器等。冷凝器的設(shè)計需先在水冷或空冷兩種方式中選擇。本設(shè)計中，考慮到設(shè)備體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的要求，所以選擇換熱面積小、傳熱系數(shù)好的水冷式冷凝器。工質(zhì)泵采用多級離心泵，配有變頻器，以適應(yīng)變工況場合下的轉(zhuǎn)速調(diào)整。本文的主要設(shè)備及其參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)備及其參數(shù)列表

2 控制系統(tǒng)

本設(shè)計以西門子S7-1200 PLC作為控制器，數(shù)字量擴展模塊選用SM1223，模擬量擴展模塊選用SM1231?？刂朴布嵩凑{(diào)節(jié)閥門、透平閥門、工質(zhì)泵、油加熱器、油泵等。主要傳感器包括：蒸發(fā)器、冷凝器的溫度、壓力、液位傳感器，工質(zhì)泵的出口壓力傳感器，發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器，多功能電力儀表?？紤]到應(yīng)盡量減小異步發(fā)電機以電動機形式啟動時給電網(wǎng)帶來的沖擊，本文使用具有驅(qū)動和發(fā)電雙向功能的軟啟動器來驅(qū)動異步發(fā)電機，并利用該軟啟動器對有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電質(zhì)量進行實時監(jiān)控，確保電壓、電流、頻率等數(shù)據(jù)在標準范圍內(nèi)。控制系統(tǒng)主要儀表及其參數(shù)如表2所示。

表2 主要儀表及其參數(shù)列表

2.1 控制邏輯

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備按其運行的主要階段，劃分為待機、預(yù)熱、發(fā)電、關(guān)機四個步驟?？刂七壿嬃鞒倘鐖D1所示。

圖1 控制邏輯流程圖

設(shè)備通電后即進入待機狀態(tài)，開始對潤滑油進行加熱和攪拌，同時等待開機啟動命令。

當設(shè)備接收到啟動命令后，首先判斷潤滑油是否已經(jīng)加熱至目標溫度(60 ℃)，然后檢查壓縮空氣、冷卻水循環(huán)、急停報警等機組運行的必要條件是否滿足。如果條件未滿足，則提示操作者并繼續(xù)等待直至滿足；如果條件全部滿足，則設(shè)備進入預(yù)熱過程，同時打開熱源閥門開始換熱。此過程以在設(shè)備內(nèi)建立具有一定壓差的熱力循環(huán)系統(tǒng)為目標，為后續(xù)的發(fā)電過程創(chuàng)造必要條件。工質(zhì)泵在此階段開始運行，并為工質(zhì)的內(nèi)部循環(huán)提供動力。

一旦熱力系統(tǒng)壓差達到設(shè)定目標值，機組會在潤滑透平軸承一段時間后以電機形式啟動發(fā)電機，待發(fā)電機到達額定轉(zhuǎn)速后打開透平閥門，使高壓有機工質(zhì)蒸汽進入透平腔，拖動向心透平旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機進入發(fā)電模式。

如果設(shè)備在運行過程中發(fā)生故障或人為停機，機組會立即切斷熱源閥門并同時停止并解列發(fā)電機。機組解列邏輯如圖2所示。機組解列后，自動控制內(nèi)部熱力系統(tǒng)冷卻、降壓后再次重新進入待機狀態(tài)，等待下一次啟動命令。

圖2 解列邏輯示意圖

2.2 控制算法

2.2.1 熱源閥門開度計算

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量大小主要取決于進入機組的熱源熱量，所以控制算法的重點是熱源閥門開度的控制，使實際發(fā)電量與目標發(fā)電量相一致。當實際發(fā)電量小于目標發(fā)電量時，增大熱源閥門開度；反之,則減小熱源閥門開度。同時，應(yīng)考慮蒸發(fā)器和冷凝器的壓力保護，防止在提高實際發(fā)電量的過程中造成蒸發(fā)器或冷凝器的壓力過高。壓力容器的實際壓力值也應(yīng)代入PID計算，并在壓力偏高時自動減小閥門開度，以緩解壓力持續(xù)升高的趨勢。為保證實際熱源閥門開度與計算量的對應(yīng)關(guān)系，需要在輸出模擬量信號之前把計算得到的線性曲線轉(zhuǎn)換為閥門特性曲線。

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備的PID控制示意圖如圖3所示。

圖3 PID控制示意圖

2.2.2 功率因數(shù)補償

GB/T 33593-2017標準要求異步發(fā)電機類型分布式電源通過380 V電壓等級并網(wǎng)時，并網(wǎng)點功率因數(shù)應(yīng)在0.98(超前)～0.98(滯后)范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)[14]。

設(shè)發(fā)電量范圍為100～300 kW，功率因數(shù)為0.90。通過式(1)和式(2)計算，得到設(shè)備的視在功率范圍為111.1～333.3 kV·A，無功功率范圍為48.4～145.3 kVar。

有功功率為：

P=ScosΦ

(1)

無功功率為：

Q=SsinΦ

(2)

式中：S為視在功率；P為有功功率；Q為無功功率；∠Φ為功率因數(shù)角[15]。

由于工業(yè)余熱和地熱作為熱源都存在波動，所以發(fā)電量也會發(fā)生變化，需要選擇多組功率因數(shù)補償裝置作動態(tài)補償。本設(shè)計通過計算，選擇一個50 kV的功率補償器作為最低發(fā)電功率時的靜態(tài)功率補償，再按發(fā)電量每增加70 kW投入一組30 kV的動態(tài)補償，可保證ORC發(fā)電設(shè)備在總發(fā)電量范圍為100～330 kW的功率因數(shù)，始終滿足0.98(超前)～0.98(滯后)的要求。

3 測試

3.1 測試平臺簡介

本文的測試平臺由熱水(蒸汽)循環(huán)裝置、冷卻水循環(huán)裝置、電力裝置三部分構(gòu)成，如圖4所示。平臺配合向心透平有機朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電，驗證控制邏輯和算法，測算實際發(fā)電量。熱水循環(huán)裝置包括變頻熱水泵、溫度計、壓力表、質(zhì)量流量計等，熱源來自工廠余熱，作用是為設(shè)備的蒸發(fā)器提供目標流量下的熱源。冷卻水循環(huán)裝置包括冷水泵、冷卻風扇、溫度計和渦街流量計等，向冷凝器提供目標溫度、流量的冷卻水。電力裝置連接380 V電源，接入點和接入方式需提前到當?shù)毓╇娋稚陥蟛浒?。該部分包括斷路器、多功能雙向計量電表等。

圖4 測試平臺示意圖

3.2 測試情況

測試前，需對設(shè)備通電，在等待潤滑油預(yù)熱升溫至目標溫度的同時，檢查壓縮空氣、冷卻水、熱源等啟動條件。潤滑油加熱完畢后，設(shè)定冷卻水的目標溫度、流量并在設(shè)備的冷凝器中建立冷卻水循環(huán)。隨后開始測試。測試分為控制邏輯測試和算法驗證兩部分。

測試設(shè)備控制邏輯的目的是確認機組的啟動、停止、保護等功能都及時、有效，且設(shè)備可以在發(fā)生緊急停止等異常狀況時及時自動關(guān)閉，不會影響壓力容器、電網(wǎng)，造成潛在危險。

測試的第二步是驗證設(shè)備熱源閥門的PID控制算法和優(yōu)化PID參數(shù)。閥門控制的算法必須在熱源發(fā)生波動而影響發(fā)電量時，及時作出適當?shù)恼{(diào)整，以維持機組的長期穩(wěn)定運行。如果調(diào)整速度過快或過慢，都有可能引起發(fā)電量超限等故障而導(dǎo)致關(guān)機。通過試驗和參數(shù)優(yōu)化，設(shè)備可以在熱源波動的情況下，基本穩(wěn)定實際發(fā)電量。熱源閥門的PID調(diào)節(jié)效果如圖5所示。當目標發(fā)電量設(shè)置為220 kW時，即使熱源有較大幅度波動(10 ℃)，實際發(fā)電量仍然比較穩(wěn)定。

圖5 熱源閥門的PID調(diào)節(jié)效果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了向心透平有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備。該設(shè)備以低溫工業(yè)余熱和低溫地熱作為目標熱源，可以利用低溫熱源發(fā)電，具備300 kW的總發(fā)電能力，凈發(fā)電量約280 kW。其PID算法可根據(jù)實際熱源變化情況自動調(diào)節(jié)熱源進量，從而穩(wěn)定實際發(fā)電量。試驗所得數(shù)據(jù)證明，該設(shè)備可對80～150 ℃的中低溫余熱進行回收，電能轉(zhuǎn)化效率約為10%，具有很高的市場價值。