背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統

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（ORC）耦合的熱電聯產系統發電，從而提高汽輪機組的工作效率，提高系統的發電量，同時該系統能夠調節熱負荷和電負荷。

關鍵詞：背壓式；汽輪機組；有機朗肯循環；熱電聯產系統

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，熱效應高，能量利用率高的熱電聯產方式，能夠將排汽全部用于供熱，在工業生產中得到了廣泛應用，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，需要用電網補償電量差，提高了整個電力系統的備用容量，如果背壓式汽輪機偏離設計工況，則會導致相對內效率降低，引起發電耗能增大，但在熱負荷小或者處于停止運行狀態，則會降低汽輪機組設備有效利用率。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備中，提高系統設備的有效利用率和發電量。

1 背壓式汽輪機組與ORC組成的聯產系統

有機朗肯循環（ORC）主要采用了低沸點的工質，是由蒸發器，冷凝器，泵，回熱器，汽輪機構成，相比蒸汽式朗肯循環，能夠實現在370℃以下的熱源中發電，其熱經濟效益比較高，而且大容量的有機朗肯循環的熱工轉換是通過徑流式汽輪機來實現的，這種設備的熱效率較高，而且受負荷波動變化影響較小，有機工質利用干流體，避免了對汽輪機葉片的腐蝕，而且這種工質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勢，比如啟動和停止運行比較方便，負荷的適應性較好，后期維修費用低等。目前已經實現在太陽能，生物能發電方面的應用，由于汽輪機組以熱定電的方式導致在實際應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耦合的熱電聯產系統，能夠保證較高的機組熱效率，降低熱負荷后，能夠將多余的排汽供給有機朗肯循環發電，提高發電量的同時，也提高了系統的設備有效利用率。為了盡可能提高系統的熱效率，本文就選擇有機工質及優化運行參數方面展開討論，希望能給相關工作人員提供幫助。

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的蒸發器，經過有機工質，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。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效率，還能提高系統的發電量。另外，在有機朗肯循環系統蒸發器中，有機工質經過排汽加熱過程形成蒸氣，在徑流式汽輪機進行膨脹做功，由于有機工質中的干流體經過膨脹后，如果直接進入冷凝器，則會導致大量的冷源損耗，使得能源的利用率降低，因此有機工質需要先通過回熱器，待其冷卻至40度左右再通過冷凝器，用泵將有機工質加壓，利用回熱器和預熱器以及蒸發器進行加熱，以此提高循環熱效率，完成有機朗肯循環。聯產系統增加的發電量ΔW 是背壓式汽輪機組增加的發電量ΔWs與ORC發電量Wo之和，其中ΔWs主要是受與蒸汽流量有關的熱力因素影響，Wo是與有機工質及熱力參數有關，因此本文著重對系統的熱力分析及優化展開研究。

2 ORC的熱力性能分析

ORC系統是否具備較高的熱效率，主要受到有機工質的熱物性影響，我們選擇異丁烷（R600a）、R245fa、R123和 R113作為有機工質的研究對象，采用Refprop 8.0軟件分析其熱力性質，發現這四種有機工質的臨界壓力相似，但是R113的臨界溫度是最高的[2]。在實驗過程中，我們將ORC的主氣溫度設置為150度，分別用上述四種有機工質進行，觀察其熱效率及單位工質凈發電量受主氣壓力變化的影響，從結果來看，當主氣溫度和循環冷端參數設置一定時，主氣壓有最佳值能夠使ORC的熱效率以及單位工質的凈發電量處于最大化，并且R113工質，隨著主氣壓力的升高，熱效率會在短時間內得到快速提升，直到達到最大值，而R123和R245fa是達到最大值后，出現下降趨勢，R600a在低于150℃時也出現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化。

3 算例分析

我們對背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統的發電量以及所產生的熱經濟性進行分析，發現主氣壓力為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，背壓式汽輪機的發電量會降低70%以上，相對內效率則降低25%左右，這對汽輪機組的電負荷和熱經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合工況進行研究，觀察聯產系統的發電量變化，并由此發現，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進行熱力參數優化。

當背壓式汽輪機的進氣量為每小時250噸，采用R113工質時，產生的熱效率最高，相比R600a提高了10%的凈發電量，在供氣量為每小時80噸時，多余的排汽能夠驅動ORC增加發電量，如果不考慮熱負荷，ORC能夠實現有效擴容機組容量，而且這種聯產方式對于穩定電量需求的區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電，導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，燃料的利用系數也會相應降低，但是，從熱力學的角度來看，在熱低峰時增加系統的發電量，能夠提高系統的變負荷性能，提高其可靠性能，同時還能適應機組產生的負荷變化。因此，可以根據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，滿足機組擴容和調節電負荷的目的，企業也可以通過ORC在低于350攝氏度的條件下發電，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并聯運行，企業可以根據實際生產需要選擇ORC并進行運行優化。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的開發量上升，電負荷的調節也可以通過改變主汽流量來實現，而在發電量一定時，背壓式汽輪機的主氣量隨著供熱量的上升而提高，從而實現熱負荷需求，ORC主要是通過降低或者上升汽量來維持系統中的總發電量一定，另外，當用電量和供熱量都處于動態變化時，可以改變主蒸汽量來調節二者的變化。

4 結語

背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統，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對ORC供電，以提高汽輪機組的設備運行效率和發電量，可以通過調節進氣量來滿足熱負荷和電負荷的調節，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種有機工質的最佳運行壓力，來實現ORC優化。ORC雖然會損失一部分系統冷源，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發電系統實驗研究[J].中國電機工程學報，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裝置組成聯合循環的設計與分析[J].中國電機工程學報，2009，29（29）：19-24.