背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統分析及應用

胡中強

摘要：在本文中，將借助背壓式汽輪機組蒸汽流量的提升令多余排汽能夠給予有機郎肯循環（即常說的“ORC”）中耦合熱點聯產系統實現發電作用，繼而有效提升汽輪機組運轉效率，不斷提升系統有效發電量，另外，該系統還可以較好地調控熱負荷以及電負荷。ORC熱效率會隨著主汽溫度變化發生正向相關，不過主汽的溫度值會被背壓式汽輪機的排汽冷凝溫度所限制。為了能在最大程度上獲得熱效率，通常會對運行壓力予以適當優化，總的來說，熱負荷下降，聯產系統對于燃料的利用系數會有所下滑，不過?效率會有所提升。

關鍵詞：背壓式汽輪機;有機郎肯循環;熱電聯產系統;?效率

0前言

通常來說，背壓式的汽輪機組屬于無冷源損失且熱效應相對比較高、對于能量也能夠高效利用的一種熱電聯產模式，它可以較好地控制排汽并將其利用到供熱中去，對于工業生產有非常廣泛的實際應用。不過從整體上來說，因為背壓式的汽輪機組電負荷值可能會被熱負荷值所影響，其生產方式往往很難同時滿足熱負荷以及電負荷的共同要求，必須要使用電網的性能來對電量差予以有效補償，全面提升電力系統備用容量，假如背壓式的汽輪機在運轉中發生偏離原有設計工況的問題，那么就有隱患對相對內效率產生降低的影響，進而提升發電耗能，不過熱負荷降低或者是停止運轉的話，汽輪機組設備的有效利用效率又會顯著降低。熱電廠支持的條件下，借助安裝后置低壓凝氣在汽輪機組當中的操作方式，能夠較好地令背壓式的汽輪機組排汽進入到低壓凝汽設備當中，全面提升系統設備利用效率以及發電量。本文將針對背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統展開分析。

1背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統分析

有機朗肯循環（即ORC）通常是融合低沸點工質，其主要構造包括蒸發器、泵、會熱器、汽輪機以及冷凝設備等，比起蒸汽式的郎肯循環來說可以實現低于370℃熱源供給下的發電能力，熱經濟效益相對比較高一些，而且相對來說大容量有機朗肯循環熱工轉換過程借助徑流汽輪機組實現，其熱效率相對偏高，而且一般情況下不會受到明顯的負荷波動影響，有機工質借助干流體有效防止腐蝕汽輪機組葉片的作用，另外，該工質膨脹也要遠遠小于常規水蒸式，能夠在較大程度上縮減汽輪機組對于金屬的需求數量。除此之外，有機朗肯循環還具備較為顯著的其他方面的優勢特征，例如，在啟動以及停止運轉操作上相對比較便捷，而且對于負荷有較強的適應性，維修起來成本不高。就當前的實際情況來看，太陽能發電以及生物能發電等領域中均有較為廣泛的實際應用，因為汽輪機組通過熱定電形式運轉，令其實際應用期間很容易出現問題。由此，相關研究人員提出將背壓式的汽輪機組和有機朗肯循環耦合，借助熱電聯產系統實現比較理想的機組熱效率，在控制了熱負荷之后可以盡快把多余排汽轉移給有機朗肯循環實現循環性的發電，全面提升發電量基礎之上，還能夠加強設備的利用有效率。

通常而言，如果熱負荷偏低，背壓式的汽輪機組產生多余排氣量轉移到系統蒸發器予以有機工質，實現有效冷凝，蒸汽與冷凝水借助疏水擴容器進入到低壓除氧設備當中，進而取代汽輪機排汽，實現汽輪機組的內部有效循環。借助背壓式汽輪機進汽量的提升，能夠提升汽輪機組相對內效率，同時還能夠加強其發電量。除此之外，有機朗肯循環系統的蒸發設備當中，有機工質借助排汽加熱形成較多蒸汽，并于徑流汽輪機當中完成膨脹做功的過程，因為有機工質干流體借助膨脹作用發生變化，如果直接轉進冷凝設備，將會造成冷源損耗，進而縮減能源的有效利用率，所以，有機工質必須要經過回熱設備，等到冷卻到40℃左右進入冷凝設備，使用泵加壓，借助預熱器、回熱器和蒸發器完成加熱處理，全面提升循環熱效率，實現有效的有機朗肯循環。

2有機朗肯循環熱力性能的相關研究

有機朗肯循環是否能夠形成比較高效的熱效率主要是被有機工質熱物性所影響，擇取異丁烷（即R600a）、R123、R113以及R245fa作為研究對象，并借助Refprop8.0對熱力性質予以分析，可以發現該四種有機工質在臨界壓力值上比較接近，不過其中R113臨界溫度值最高。試驗期間，有機朗肯循環溫度處于150℃的情況下，觀察四種有機工質熱效率和單位工質凈發電量是否會被主汽壓力的變化所影響。就研究結果而言，主汽溫度以及循環冷端的參數設置基本處于固定的情況下，主汽壓值具備最佳值，能夠令有機朗肯循環熱效率和單位工質凈發電量均滿足最大化需求，同時R113工質在主汽壓力不斷提升的情況小愛，熱效率也會在較短時間中獲得較快提升，接近最大值位置;相對的，R123以及R245fa均在實現最大值之后逐漸下降;R600a降低到150℃之后也會在較大概率上發生先增后減的問題。因為汽輪機進汽壓力一般會對有機朗肯循環熱效率產生影響，為了可以較好地提升熱效率，依照廣義既越梯度方法，針對主汽溫度100℃～250℃間主汽壓力予以有效優化。

3算例研究

針對背壓式汽輪機組和有機朗肯循環間耦合熱電聯產系統發電量和形成的熱經濟展開研究可以發現，在主汽壓力值在8.8MPa、主汽溫度在530℃的情況下，熱耗能確保工況進氣量是240t/h，汽輪機相對內效率在80%以下，排汽壓力值以及溫度值在1.5MPa以及320℃左右，在供氣量下降50%左右的情況下，背壓式的汽輪機組發電量將會降低到30%以下，相較之下，其內效率可能會降低到75%以下，顯然這會對汽輪機組電負荷以及熱經濟性都會形成非常顯著的影響。所以，在針對供熱量不同情況下的低熱度復合工況予以研究時，對聯產系統發電量上發生的變化予以有效觀察可以發現，有機朗肯循環提升后主汽溫度對熱效率提升產生了非常直接的影響，不過，因為加點溫差所限制，其進汽溫度存在最高限度數值，水蒸氣位于有機朗肯循環換熱器中完成放熱過程中，盡管溫度在120℃左右，不過蒸汽自超高溫逐漸冷凝成飽和蒸汽期間比焓值偏低，而且往往會擁有比較強的汽化潛能，所以可以認為，有機朗肯循環主汽溫度在受到冷凝作用期間會被其制約，擇取主汽溫度200℃，予四種有機工質完成熱力參數上的有效優化。

在背壓式汽輪機組進汽量在250t/h的情況下采取R113工質，此時熱效率產生是最高的，比起R600a來說凈發電量要提升10%左右，供氣量在80t/h情況下，多余排汽均能夠較好驅動有機朗肯循環提升發電量。假如不對熱負荷進行考慮，有機朗肯循環將會有效實現機組容量擴容，這種聯產對于需求較為穩定電量的區域而言非常關鍵，有機朗肯循環借助背壓式汽輪機組完成排汽發電，令冷源發生一定程度上的流失，研究中通常保持進汽量不變，供熱量和有機朗肯循環的用氣量則呈現反比，供熱量下降，燃料利用系數自然也會呈現降低的趨勢，不過，就熱力學角度入手進行研究的話，熱低峰值的時候提升系統發電量，可以提升系統變負荷性能，強化可靠性能，另外還能夠更好地適應機組負荷變化。

4結語：

背壓式的汽輪機組和有機朗肯循環的耦合熱電聯產系統如果處在低熱負荷的情況中，能夠較好地提升主蒸汽流量，并且保證多余排汽滿足有機朗肯循環供電，以此來強化汽輪機組設備的整體運轉效率以及發電量，能夠借助進氣量的調控滿足熱負荷以及電負荷調節，除此之外，有機朗肯循環主汽溫度往往會被汽輪機組的排汽冷凝溫度所影響，進而對熱效率產生影響，分別予以改善實現有機朗肯循環的優化。盡管有機朗肯循環可能會令部分系統冷源流失，且燃料利用率也有可能會隨著熱負荷下降而逐漸降低，不過比起原有工況，已經能夠促成運轉效率的明顯提升，因此是具備較強應用價值的。

參考文獻

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