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

中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院

0 前言

通常情況下，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，對于工業生產有非常廣泛的實際應用。從整體上而言，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，將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時，汽輪機組設備的有效利用效率會顯著降低。在熱電廠支持的條件下，借助安裝后置低壓凝汽器在汽輪機組中的操作方式，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中，全面提升系統設備利用效率以及發電量。本文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、換熱器、汽輪機以及冷凝設備等，相對于蒸汽式的朗肯循環，其可以實現低于370℃熱源供給下的發電能力，熱經濟效益相對比較高，而且相對來說大容量有機朗肯循環熱工轉換過程借助經流汽輪機組實現，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。從目前的實際情況看，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上，還能夠加強設備的利用效率。為能夠盡量提升系統熱效率，在本文中擇取有機工質和優化參數方式予以探究，旨在為相關從業人員奠定理論基礎。

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，同時還能夠提高其發電量。除此之外，有機朗肯循環系統的蒸發設備中，有機工質借助排汽加熱形成較多蒸汽，并經流汽輪機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，如果直接進入冷凝設備，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，當冷卻到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。背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統見圖1。

圖1 背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統

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受有機工質熱物性的影響，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，主汽壓力具備最佳值，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下，熱效率也會在較短時間中獲得較快提升，接近最大值；相對R113，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，為了較好地提升熱效率，依照廣義既約梯度方法，針對主汽溫度100～250℃間主汽壓力予以有效優化。典型有機朗肯循環熱力過程見圖2。

圖2 典型有機朗肯循環熱力過程

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，當主汽壓力值在8.8 MPa、主汽溫度在530℃的情況下，熱耗能確保工況進氣量為240 t/h，汽輪機相對內效率在80%以下，排汽壓力值以及溫度值分別在1.5 MPa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。針對在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，因為受溫差所限制，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，但蒸汽因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，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℃，對四種有機工質完成熱力參數上的有效優化。

當背壓式汽輪機組進汽量在250 t/h的情況下采取R113工質，此時熱效率最高，與R600a相比，凈發電量提升10%左右，供氣量在80 t/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。假如不考慮熱負荷，有機朗肯循環將會有效實現機組容量擴容，這種聯產對于電量需求較為穩定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。但是從熱力學角度入手進行研究，熱低峰值時提升系統發電量，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。因此，可以依照實際運轉期間負荷特征和周邊用電情況等靈活應用有機朗肯循環，滿足機組的擴容需求以及電負荷的調控目的。在機組運行中，企業也可以擇取有機朗肯循環在350℃以下條件中發電，背壓式汽輪機組供熱量最大，其余熱量也處于最高峰值，余熱予以有效利用，應用到有機朗肯循環并聯運行中，企業依照自身生產需求擇取有機朗肯循環予以優化即可。在供熱量固定的情況下，提升背壓式汽輪機組主蒸汽流量，可能會提升有機朗肯循環開發量，電負荷調控也可以借助主汽流量的調整完成；在發電量固定的情況下，背壓式汽輪機主汽量則主要伴隨供熱量提升而不斷提升，進而有效實現熱負荷的相關需求，有機朗肯循環借助調整汽量保持系統整體發電量的穩定。除此之外，用電量以及供熱量均處在動態變化的情況下時，借助主蒸汽量的調節可以調控兩者變化。

4 結語

綜上所述，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下，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，與原有工況相比，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。