315 kW 有機朗肯循環(huán)試驗樣機開發(fā)

周剛，楊佐衛(wèi)，李應超

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

有機物朗肯循環(huán)（簡稱“ORC”）是以烷烴或制冷劑等有機物替代水作為工質的發(fā)電循環(huán)。ORC地熱發(fā)電、ORC 廢熱回收、燃氣輪機與ORC 模塊聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等主要應用場景的市場潛力巨大，全世界裝機容量已超過4 GW，其熱力循環(huán)的技術可行性已經過市場驗證，但核心技術長期被ORMAT、Turboden 等國外生產商壟斷[1]。與此同時，國內愿意長期投入研發(fā)資源、由底層逐一突破關鍵核心技術的廠家較少，導致此技術尚未在國內產業(yè)化。目前已有的應用包括采用最大單機功率400 kW 螺桿膨脹機的ORC 模塊以及國外引進采用280 kW 徑流式膨脹機的ORC 模塊，單機功率過小，不適合兆瓦級大功率應用場合[2]。

鑒于此，公司在火電市場下行預期條件下，開展有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術研究，2019 年以某16 MW ORC 地熱發(fā)電廠作為設計實例，從系統(tǒng)級到設備級完成了全電廠的設計開發(fā)并向目標業(yè)主提資。

為了完成上述ORC 地熱發(fā)電廠的技術驗證，同時形成面向煙氣廢熱回收發(fā)電的ORC 發(fā)電產品，在“鋁合金徑流透平-永磁同步發(fā)電機-電磁軸承全封閉一體化結構”、有機工質換熱器、全系統(tǒng)變工況性能評估、全系統(tǒng)協(xié)同控制策略等關鍵核心技術攻關完成后，于廠內搭建315 kW 有機朗肯循環(huán)（ORC）試驗樣機。

1 有機物朗肯循環(huán)基本原理與適用范圍

1.1 ORC 循環(huán)基本原理

ORC 循環(huán)（如試驗樣機）由透平、發(fā)電機、蒸發(fā)器等主設備構成，如圖1 所示，ORC 循環(huán)過程（溫熵圖）如圖2 所示。

圖1 試驗樣機總體方案

圖2 ORC 循環(huán)過程溫熵圖

液態(tài)有機工質（R245fa）通過工質泵升壓后進入預熱器，吸熱升溫后進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內吸熱并蒸發(fā)的有機工質從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)工質進入透平，推動透平做功完成后進入空冷島冷凝為液態(tài)，再回到工質泵入口完成整個循環(huán)。

1.2 ORC 循環(huán)熱力模型[3-4]

與圖1 和圖2 對應的ORC 循環(huán)熱力模型計算公式如下：

透平功率：

透平效率：

空冷島熱負荷：

工質泵耗功：

工質泵效率：

預熱器熱負荷：

蒸發(fā)器熱負荷：

熱源向ORC 循環(huán)提供的總熱負荷：

分配給預熱器和蒸發(fā)器的熱負荷：

由此可以求解工質質量，ms：

不考慮空冷島風機及其他輔助設備耗功，則有ORC 循環(huán)凈功率：

ORC 循環(huán)效率：

式中，Wt為透平輸出功率，kJ/s；hx為工質在循環(huán)各節(jié)點的實際焓值，x=1～5，kJ/kg；hx,is為工質在循環(huán)各節(jié)點的理想焓值，x=2、5，kJ/kg；ηt為透平總效率；ηp為工質泵效率；ms為有機工質質量流量，kg/s；mw為外部熱源質量流量，kg/s；Qc為工質側空冷島熱負荷，kJ/s；Qpre為工質側預熱器熱負荷，kJ/s；Qeva為工質側蒸發(fā)器熱負荷，kJ/s；Qw為熱源側總熱負荷，kJ/s；Qw1為熱源側預熱器熱負荷，kJ/s；Qw2為熱源側蒸發(fā)器熱負荷，kJ/s；hwin為熱源側進口焓值，kJ/kg；hwp為熱源側蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg；hwout為熱源側預熱器出口焓值，kJ/kg；Wnet為ORC 系統(tǒng)凈輸出功率，kW；Twin為熱源進口溫度，℃；Twout為熱源出口溫度，℃。

1.3 有機朗肯循環(huán)適用范圍

有機朗肯循環(huán)（ORC）適用范圍如圖3 所示，熱源溫度低于225 ℃，直至20 MW 或更大功率，ORC發(fā)電具有統(tǒng)治性優(yōu)勢[5]；當發(fā)電功率≤1 MW，熱源溫度直至300 ℃，ORC 發(fā)電仍然優(yōu)勢顯著。

圖3 有機朗肯循環(huán)適用范圍

1.4 與蒸汽朗肯循環(huán)的區(qū)別

與蒸汽朗肯循環(huán)（SRC）的區(qū)別見表1。

表1 與蒸汽朗肯循環(huán)的對比

2 樣機方案與試驗系統(tǒng)

2.1 樣機方案

廠內315 kW ORC 試驗樣機由作為設計實例并向業(yè)主提資的16 MW ORC 地熱發(fā)電廠?；鴣?，三維布局如圖4 所示，冷端采用直接空冷，熱端采用蒸汽模擬煙氣作為熱源，其間采用中間閉式循環(huán)水系統(tǒng)傳遞熱量。

圖4 試驗樣機三維布置圖

試驗樣機設計參數(shù)：功率等級315 kW（設計工況發(fā)電凈功率≥250 kW），工質R245fa，熱源溫度設計點134 ℃、試驗范圍100～150 ℃，凈發(fā)電效率≥8%（無回熱）。

2.2 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)布置如圖5 所示，其分為3 個子系統(tǒng)，從左到右依次為：（蒸汽）熱源子系統(tǒng)、中間閉式循環(huán)水子系統(tǒng)、ORC 循環(huán)子系統(tǒng)；前2 個子系統(tǒng)之間通過中間換熱器模擬煙氣換熱器傳遞熱量，管側為帶壓熱水、殼側為蒸汽冷凝；后2 個子系統(tǒng)之間通過蒸發(fā)器和預熱器傳遞熱量，管側為帶壓熱水，殼體為有機工質。試驗用的熱源蒸汽來自公司現(xiàn)有的蒸汽鍋爐，通過管道將其引入系統(tǒng)，蒸汽冷卻后的凝結水直接排污。

圖5 試驗系統(tǒng)布置圖

2.3 全電廠變工況性能評估

熱端變工況試驗熱源溫度（熱水溫度）100～145 ℃，冷端變工況冷源溫度（環(huán)境溫度）0～35℃。熱源變工況功率曲線如圖6 所示，冷源變工況功率曲線如圖7 所示，發(fā)電機功率和凈發(fā)電功率呈線性變化，凈發(fā)電效率5.5%～8.8%、滿足≥8%的設計要求。

圖6 熱源變工況功率曲線

圖7 冷源變工況功率曲線

2.4 透平-發(fā)電機全封閉一體化結構

本試驗樣機采用“鋁合金徑流透平－永磁同步發(fā)電機－電磁軸承”全封閉一體化結構，電機中置，葉輪懸于發(fā)電機兩端，采用電磁軸承支撐軸系。

由于徑流式透平葉輪與發(fā)電機置于同一殼體內，電機使用有機工質R245fa 冷卻，丟掉了軸端密封系統(tǒng)，實現(xiàn)了零泄漏；同時采用電磁軸承實現(xiàn)了ORC 發(fā)電模塊的無油化；發(fā)電機采用三瓣式結構，便于拆裝和檢修。

2.5 有機工質換熱器

ORC 發(fā)電模塊的換熱器包括K 型釜式蒸發(fā)器、F 型預熱器、蒸發(fā)器與預熱器結構及接口如圖8、圖9 所示。

圖8 蒸發(fā)器結構及接口

圖9 預熱器結構及接口

本項目為公司首次涉足有機工質換熱器，均采用HTRI 軟件設計，蒸發(fā)器需保證有機工質核態(tài)沸騰，同時還需與預熱器相匹配，設計難度大。

3 經濟性

3.1 試驗驗證

本試驗樣機已完成發(fā)電試驗，某工況試驗數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 某工況試驗數(shù)據(jù)

3.2 經濟性分析

ORC 產品效率統(tǒng)計[6]如圖10 所示，本試驗樣機最高凈發(fā)電效率8.8%，位于圖中回歸線附近，在不帶回熱器ORC 產品中位居前列、與國際先進產品性能相當。

圖10 ORC 產品效率統(tǒng)計圖

4 結論

（1）突破了“鋁合金徑流透平-永磁同步發(fā)電機-電磁軸承全封閉一體化結構”、K 型釜式蒸發(fā)器/F 型預熱器、全系統(tǒng)變工況性能評估、全系統(tǒng)協(xié)同控制策略等關鍵核心技術。

（2）試驗樣機最高凈發(fā)電效率8.8%，在不帶回熱器ORC 產品中位居前列、與國際先進產品性能相當。

（3）公司已具備ORC 地熱發(fā)電廠、ORC 廢熱回收發(fā)電設備的自主設計能力。