背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC 聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)研究

馬學(xué)峰

（中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100020）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的熱點聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足熱電廠的發(fā)展需求，不僅運行效率低、設(shè)備可靠性差，而且功能單一，維修流程復(fù)雜，嚴(yán)重影響了背壓式汽輪機(jī)的作業(yè)效率。因此，為確保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)向多功能化、通用化、智能化方向發(fā)展，加大對背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC（Organic Rankine Cycle，有機(jī)朗肯循環(huán)）的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用勢在必行。

背壓式汽輪機(jī)組作為一種熱電聯(lián)產(chǎn)方式，具有冷源損失率低、熱效應(yīng)顯著和能量利用率高等特征，可以將排氣充分轉(zhuǎn)換為熱能，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但是由于背壓式汽輪機(jī)組由于自身的局限性，無法將在滿足電負(fù)荷的同時，還能滿足熱負(fù)荷。為了解決這一問題，相關(guān)軟件開發(fā)人員要采用補償電量差的方式對電網(wǎng)進(jìn)行不斷修改、優(yōu)化和完善，從而最大限度地提高電力系統(tǒng)的運行性能。因此，如何科學(xué)設(shè)計與應(yīng)用背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC 的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是相關(guān)軟件開發(fā)人員必須思考和解決的問題。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示，當(dāng)系統(tǒng)處于低熱負(fù)荷狀態(tài)后，需要針對背壓式汽輪機(jī)的使用需求，不斷加大背壓式汽輪內(nèi)部的進(jìn)汽體量，這樣不僅能保證背壓式汽輪機(jī)運行效率[1]，還能確保本系統(tǒng)發(fā)電量的最大化。本系統(tǒng)的工作原理：將多余的排氣輸送到系統(tǒng)內(nèi)部的蒸發(fā)器，確保有機(jī)工質(zhì)冷凝水達(dá)到飽和狀態(tài)，然后將飽和水流入疏水?dāng)U容器，以達(dá)到加熱補水的目的，同時還要將水泵與鍋爐有效結(jié)合起來，實現(xiàn)背壓式汽輪機(jī)內(nèi)部水資源的循環(huán)利用。

在使用ORC 系統(tǒng)蒸發(fā)器的過程中，還要采用有機(jī)工質(zhì)的方式將背壓式汽輪機(jī)內(nèi)部的蒸汽水加熱到蒸汽的狀態(tài)[2]，然后充分利用背壓式汽輪機(jī)內(nèi)部的蒸汽水膨脹做功，確保膨脹處理后的干流體呈現(xiàn)出過熱狀態(tài)，只有這樣才能盡可能減少冷源損失，從而全面提高能源利用率。所以，相關(guān)軟件開發(fā)人員通過充分利用干流體[3]，對有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行膨脹處理后，再利用回?zé)崞鲗⒂袡C(jī)工質(zhì)溫度降低到40 ℃左右，最后將有機(jī)工質(zhì)放入冷凝器對其進(jìn)行冷凝處理。此外，還要做好對有機(jī)工質(zhì)的加壓處理：先根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，采用加熱的方式對回?zé)崞鬟M(jìn)行加熱處理，然后在充分利用預(yù)熱器和蒸發(fā)器的基礎(chǔ)上，對背壓式汽輪機(jī)內(nèi)部的排氣熱量進(jìn)行有效吸收和利用[4]，實現(xiàn)ORC 操作的同時通過使用回?zé)崞髯畲笙薅鹊靥岣哂袡C(jī)工質(zhì)的溫度，有效提升循環(huán)熱效率。

2 ORC 的熱力性能設(shè)計

2.1 模型建立

模型建立是實現(xiàn)ORC 熱力性能設(shè)計的首要環(huán)節(jié)。為保障ORC 的熱力性能設(shè)計效果，相關(guān)軟件開發(fā)人員要重視模型的有效建立。首先，充分利用有機(jī)工質(zhì)，分別確定預(yù)熱器入口數(shù)值和蒸發(fā)出口的數(shù)值，然后嚴(yán)格按照表1 的ORC 計算參數(shù)設(shè)定值[5]，確保有機(jī)工質(zhì)在背壓式汽輪機(jī)中的膨脹值，有效確定回?zé)崞飨嚓P(guān)換熱量。最后，通過充分利用熱效率有效確定實際運用電量，同時還要盡可能確定熱效率與有機(jī)工質(zhì)。

圖1 背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC 的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

表1 ORC 計算參數(shù)設(shè)定值

2.2 工質(zhì)選擇

由于ORC 熱效率與有機(jī)工質(zhì)熱物性之間存在很大的關(guān)系，有機(jī)工質(zhì)的類型選擇多種多樣，如R600a、R245fa、R123 等（表2）。無論采用哪種有機(jī)工質(zhì)，在臨界壓力方面存在很大的關(guān)聯(lián)性[6]。不過，隨著臨界溫度的不斷升高，不同類型有機(jī)工質(zhì)在熱力性能方面會有很大差異。

表2 有機(jī)工質(zhì)的物性參數(shù)

2.3 ORC 的熱力參數(shù)優(yōu)化

ORC 熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量隨主氣壓力的變化如圖2所示。從圖2 可以看出，當(dāng)ORC主氣溫度達(dá)到150 ℃時，要充分利用表2 的有機(jī)工質(zhì)物性參數(shù)，調(diào)整發(fā)電量相關(guān)的數(shù)據(jù)。當(dāng)主氣溫度達(dá)到一定值時，在主氣壓力的作用下，有機(jī)工質(zhì)相關(guān)熱效率會得以顯著提升，隨著主氣壓力的不斷變化，ORC 熱效率會不斷增長[7]。此外，隨著主氣壓力的不斷增長，R113的熱效率會不斷增加，一直增長到飽和壓力最大值。最后，R123運行壓力呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，當(dāng)有機(jī)工質(zhì)熱效率上升到最大值后，后出現(xiàn)下降拐點，只有這樣才能最大限度提高ORC 的熱力參數(shù)優(yōu)化效率和效果。

圖2 ORC 熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量隨主氣壓力的變化

通常情況下，影響ORC 熱效率的主要因素是背壓式汽輪機(jī)相關(guān)進(jìn)氣壓力的大小，為此，相關(guān)軟件開發(fā)人員要制定和構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，從而求出最大效率值，實現(xiàn)主氣溫度的優(yōu)化。同時，在應(yīng)用廣義既約梯度的基礎(chǔ)上，對主氣壓力進(jìn)行科學(xué)控制，確保不同溫度能對應(yīng)相應(yīng)的熱效率。當(dāng)R600a 的最佳運行壓力達(dá)到最高值時，R113運行壓力將會呈現(xiàn)出下降趨勢，下降到最低值時ORC 熱效率會因主氣溫度的不斷升高而呈現(xiàn)出上升趨勢。當(dāng)主氣溫度達(dá)到相同值時，處于高臨界值的有機(jī)工質(zhì)的熱效率會比較高。

2.4 ORC 利用熱量設(shè)計

ORC 利用的熱量與排氣量、蒸汽量之間存在很大的關(guān)系，當(dāng)背壓式汽輪機(jī)所提供的熱量達(dá)到一定的數(shù)值后，需要進(jìn)一步提高主蒸汽量，當(dāng)ORC 相關(guān)蒸汽量逐漸增加時，有機(jī)工質(zhì)會增加相應(yīng)的發(fā)電量。但是，當(dāng)主蒸汽量與用戶實際所使用的熱量相同時，ORC 所使用的熱量將會固定不變，不會呈現(xiàn)出隨疏水含量的變化而變化。只有這樣，才能最大限度地提高ORC 利用熱量設(shè)計效果，為進(jìn)一步提高該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行性能，促進(jìn)該系統(tǒng)的創(chuàng)新、長遠(yuǎn)發(fā)展提供有力的保障。

3 具體應(yīng)用

為有效地驗證背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC 的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)功能的有效性，軟件測試人員需要通過利用背壓式汽輪機(jī)對本系統(tǒng)的功能進(jìn)行一一檢驗，以確保本系統(tǒng)功能完善、通用性強，只有這樣氣才能為用戶帶來了良好的使用體驗。首先，對本系統(tǒng)的發(fā)電量變化情況和熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行有效檢驗。在這個過程中，需要將背壓式汽輪機(jī)的壓力控制在9.1 MPa 左右，同時，還要將主氣溫度設(shè)置為543 ℃，此時，通過將本系統(tǒng)應(yīng)用于某工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，發(fā)現(xiàn)工業(yè)供汽量上升為176.7 t/h，背壓式汽輪機(jī)產(chǎn)生的熱效率達(dá)到了80%。由此可見，在背壓式汽輪機(jī)的應(yīng)用背景下，通過對本系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)檢驗，有利于更好地降低冷源損失率，從而實現(xiàn)能源利用率的全面提高。同時，隨著有機(jī)工質(zhì)供熱量的不斷降低，ORC 用汽量會呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，當(dāng)冷源損失率達(dá)到最大值時，燃料利用系數(shù)將會降到最低，然而，隨著熱量的不斷變化，電能在不同能量品位之間存在很大的差異性，因此，ORC 系統(tǒng)會在低熱效率的情況下不斷提高系統(tǒng)的發(fā)電量，從而全面提升系統(tǒng)運行性能?？傊硥菏狡啓C(jī)在整個系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位，具有冷源損失率低、熱性能良好、熱經(jīng)濟(jì)性高、投資成本小等特點，使其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到充分應(yīng)用，并取得了良好的效果。因此，該系統(tǒng)具有非常高的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景，不僅能保證用戶良好的使用體驗，提高系統(tǒng)的知名度和影響力，還能在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮出不可替代的作用，為全面提高ORC 熱力性能、促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)束語

近幾年來，隨著我國熱電廠行業(yè)的不斷發(fā)展和信息技術(shù)的不斷普及，背壓式汽輪機(jī)組耦合ORC 的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)運而生，并在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中取得了良好的應(yīng)用效果，不僅可以最大限度提高主蒸汽流量，還可以實現(xiàn)多余蒸汽的徹底排出，為保證ORC 供電效率和效果、全面提升汽輪機(jī)設(shè)備運行性能打下堅實的基礎(chǔ)。為了方便后期系統(tǒng)的維護(hù)和升級，相關(guān)軟件開發(fā)人員需要再接再厲，用更加優(yōu)化的代碼擴(kuò)充更多的使用功能，從而為促進(jìn)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展，提高其應(yīng)用價值和應(yīng)用前景提供的保障。