孫 茴1,王蒲偉,韋鈺芳1,李 順1,姚恩亮1,戴 寧1,胡哺松1,段 捷

(1.中國長江動力集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.中國航天科技集團第六研究院，陜西 西安 710000)

符號說明:

Nt——渦輪轉(zhuǎn)速/r·min-1

P——輸出功率/kW

Mhr——蒸汽流量/kg·s-1

Pe——工質(zhì)蒸發(fā)壓力/MPa

t——時間/s

低溫熱源包括空氣、地表水、地下水、土壤、太陽熱能、各種工業(yè)廢熱、地熱、海洋溫差等可再生能源。我國低溫熱源的浪費非常嚴重，傳統(tǒng)用能大戶廣泛存在低溫余熱利用率低甚至零利用率的現(xiàn)象。60～150℃溫區(qū)中能量轉(zhuǎn)化理論和技術(shù)的研究相對薄弱，而該溫區(qū)中的余熱排放量非常大，無法高效率利用，只能排入氣，導致熱能白白浪費[1]。

有機工質(zhì)由于低沸點特性，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動渦輪機做功，適合于低溫熱源做功發(fā)電。與水蒸氣朗肯循環(huán)相比，有機工質(zhì)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)的主要優(yōu)點在于它具有良好的中低溫度運行性能。ORC適合小規(guī)模發(fā)電站，在較低的工作溫度下效率比水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電效率高，冬季夜里能夠防凍，且系統(tǒng)內(nèi)部壓力易保持在大氣壓力之上[2]。

ORC發(fā)電機組主要由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器、工質(zhì)泵、發(fā)電機等部件組成，蒸汽通過蒸發(fā)器將熱量傳遞給液態(tài)有機工質(zhì)，從蒸發(fā)器出來的過熱工質(zhì)經(jīng)膨脹機膨脹作功，膨脹機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，從膨脹機出來的低壓工質(zhì)進入冷凝器由冷卻水冷凝成過冷工質(zhì)，再經(jīng)工質(zhì)泵泵送至蒸發(fā)器重復整個循環(huán)[3-4]。

上海交通大學韋偉等人通過搭建采用渦旋式膨脹機的小型有機朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)，并使用R134a、R245fa、R22和R32等4種不同循環(huán)工質(zhì)，測試了ORC系統(tǒng)的整體性能以及渦旋式膨脹機特性[5]。

天津大學王曉東以工質(zhì)蒸發(fā)溫度在100 ℃以下、系統(tǒng)凈輸出功率在10 kW以下的小型低溫有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中工質(zhì)泵的實際運行性能及工質(zhì)泵泵耗問題為切入點，以減小有機工質(zhì)泵的泵耗為導向，建立小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)試驗裝置，開展小型有機工質(zhì)泵實際運行性能的試驗研究，以明確有機工質(zhì)泵效率、泵耗等運行參數(shù)及其對系統(tǒng)整體運行性能的影響[6]。

天津大學嚴雨林等以中低溫地熱資源的高效和經(jīng)濟利用為背景，在以渦旋膨脹機為膨脹部件的有機朗肯循環(huán)試驗系統(tǒng)上，以R245fa為工質(zhì)，在熱源水進口溫度、冷凝壓力保持一定的條件下，試驗考察有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能隨工質(zhì)蒸發(fā)壓力和膨脹機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律[7]。

目前行業(yè)內(nèi)所開展的ORC發(fā)電系統(tǒng)試驗研究均是以小型ORC設備或系統(tǒng)的主要研究對象，尚未進行工業(yè)級的試驗工作。

本文是在長動集團自主研制的CT300型ORC發(fā)電機組的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有汽輪機空負荷試驗平臺，經(jīng)改造后建立的適應于300 kW功率等級ORC發(fā)電機組全負荷運行的試驗系統(tǒng)，并在該試驗系統(tǒng)上進行了ORC機組全負荷運行試驗。

1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)的搭建有兩種方法，一種是針對ORC機組設計專門的試驗系統(tǒng)[8-10]，在設計之初就考慮到ORC機組運行時的各種外部條件，但這種方法成本較高，功能單一，且僅適用于小功率的ORC機組試驗；一種是利用現(xiàn)有的試驗系統(tǒng)進行適應性改造后，滿足ORC設備的運行試驗需求，這種方法成本較低，適用于工業(yè)化ORC機組的運行試驗。

本文中所開展的300 kW功率等級ORC發(fā)電機組運行試驗是借助汽輪機空負荷試驗站的平臺，該平臺專為汽輪機空負荷運行試驗所設計，具備蒸汽、水、電、壓縮氣等外部條件。由于試驗站管道走向和接口都是為汽輪機試驗所設計的，與ORC機組的布置和接口有較大區(qū)別，為滿足ORC機組運行試驗的要求，對原試驗平臺的各項供應系統(tǒng)進行改造，圖1為試驗臺工藝流程圖。ORC機組發(fā)電試驗系統(tǒng)包括熱源系統(tǒng)、機組內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、油系統(tǒng)、壓縮氣系統(tǒng)、冷源系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等，圖2為系統(tǒng)工藝流程圖。

1.1 熱源系統(tǒng)

1.1.1 試驗站熱源系統(tǒng)

汽輪機空負荷試驗臺熱源系統(tǒng)由1臺30 t/h中溫中壓燃氣蒸汽鍋爐以及相配套的水處理系統(tǒng)、給水泵、除氧器、管路、閥門等組成。

(1)鍋爐參數(shù)：額定蒸發(fā)量30 t/h，額定蒸汽壓力2.9 MPa(a)，額定蒸汽出口溫度370℃，給水溫度104℃，鍋爐設計熱效率92%；

(2)水處理系統(tǒng)：水處理間的原水取自于自來水，由廠區(qū)給水管道至水處理間外的原水箱，水處理系統(tǒng)的產(chǎn)水量為30 t/h，與鍋爐最大負荷匹配；

(3)給水泵：電動鍋爐給水泵2臺，一用一備，流量40 m3/h，揚程500 m，電機變頻控制。

原試驗臺汽水系統(tǒng)流程：處理后的軟化水進入除氧器，隨后由鍋爐給水泵送入鍋爐，經(jīng)鍋爐加熱蒸發(fā)后的水蒸氣通過管路送至空負荷試驗臺，管路之上布置有兩臺手動截止閥和一臺電磁閥，蒸汽由主蒸汽管路進入汽輪機，做功后的乏汽經(jīng)試驗臺底部主凝汽管道進入凝汽器，凝結(jié)水由凝結(jié)水泵泵送至排污降溫池，隨后沿地溝排走。

1.1.2 改造后的熱源系統(tǒng)

ORC機組運行試驗熱源系統(tǒng)利用原系統(tǒng)改造而來，能夠提供滿足設計要求的飽和蒸汽。

蒸汽供應管路利用試驗臺原管路，由于鍋爐維持最低穩(wěn)定運行工況時的蒸汽參數(shù)較高，因此在原主蒸汽管路至機組前增加一臺減溫減壓器，經(jīng)減溫減壓環(huán)節(jié)將蒸汽參數(shù)調(diào)整為試驗所需參數(shù)。

蒸汽管路配置分汽缸，分汽缸后的蒸汽分為兩路，一路經(jīng)分汽缸進入ORC機組蒸發(fā)器；另一路作為緊急旁路，安裝氣動截止閥，試驗時若出現(xiàn)緊急情況，可由旁路排掉蒸汽；其余設施與原熱源系統(tǒng)保持一致。

經(jīng)改造后的熱源系統(tǒng)工藝流程如圖3。

1.2 冷源系統(tǒng)

1.2.1 試驗臺冷源系統(tǒng)

冷源循環(huán)系統(tǒng)由冷卻水箱、四臺500 t/h/50 m的冷卻水泵和冷卻塔、試驗臺主凝汽器、閥門等部件組成。

(1)4臺循環(huán)水泵，3用1備，水泵為DFW250-400/4/110型臥式離心泵，單臺流量550 m3/h，揚程50 m，額定功率110 kW。

(2)冷卻塔為3臺方型逆流式高溫普通型玻璃鋼冷卻塔，F(xiàn)GBL-500型，單臺流量500 m3/h(60～35℃)，額定功率30 kW。

(3)泵房內(nèi)有100 m3不銹鋼冷水池，用于補償循環(huán)水損失。

原循環(huán)水系統(tǒng)流程：水池內(nèi)的循環(huán)水經(jīng)循環(huán)水泵送入供水母管，供水母管敷設至試驗臺地坑，從供水母管接出兩路供水支管分別連接試驗臺凝汽器的底部左右兩側(cè)供水口，經(jīng)換熱后的兩路冷卻水經(jīng)凝汽器頂部左右兩側(cè)出水口匯入回水母管，隨后進入冷卻塔，經(jīng)降溫后的循環(huán)水再次進入水池內(nèi)，完成循環(huán)。

1.2.2 改造后的冷源系統(tǒng)

為了滿足ORC機組對冷卻循環(huán)水的要求，對原管路進行了改造，包括：

(1)將供水母管至主凝汽器底部入口的一路循環(huán)水管路改接至ORC機組供水箱；

(2)供水箱出口分5路供水，分別進入ORC機組冷凝器、負載加熱器、減速箱潤滑油箱、密封油箱、工質(zhì)泵水套；

(3)循環(huán)水通過回水箱送至主凝汽器底部進水口，經(jīng)主凝汽器后進入冷卻塔冷卻，隨后回至水箱進行循環(huán)。

經(jīng)改造后的冷源循環(huán)系統(tǒng)工藝流程如圖4。

1.3 機組內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)

ORC機組由工質(zhì)循環(huán)模塊、動力輸出模塊和控制模塊三大部分組成，包括蒸發(fā)器、向心透平、減速箱、發(fā)電機、冷凝器、工質(zhì)泵、潤滑油箱、遠程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、閥門、管道、機組支架和發(fā)電機底盤等本體部件，蒸發(fā)器和冷凝器均是管殼式換熱器，膨脹機為向心式透平，工質(zhì)泵為全封閉結(jié)構(gòu)的變頻屏蔽電泵。

工質(zhì)循環(huán)流程：由蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣態(tài)工質(zhì)，進入透平做功后到冷凝器冷凝為液態(tài)，再經(jīng)工質(zhì)泵回至蒸發(fā)器，透平及工質(zhì)泵均設置旁路，根據(jù)機組運行情況調(diào)整旁路流通能力。

1.4 輔助系統(tǒng)

1.4.1 潤滑油系統(tǒng)

潤滑油從油箱經(jīng)潤滑油泵加壓輸送到減速箱，對軸承進行潤滑、冷卻后，再循環(huán)回油箱，油箱內(nèi)設置有供油泵和回油泵以及油加熱器。

1.4.2 密封油系統(tǒng)

機組采用成熟的機械密封組件，由獨立的密封油循環(huán)系統(tǒng)為機械密封提供密封油，進行密封組件的潤滑和冷卻。

密封殼體底部設置排污口，泄漏的工質(zhì)與密封油混合物，經(jīng)氣液分離器分離后，工質(zhì)返回冷凝器，密封油返回油箱。

1.4.3 壓縮氣系統(tǒng)

壓縮氣為試驗平臺的壓縮氣源，參數(shù)為0.5～0.7 MPa，分別提供給渦輪旁通閥及熱源旁通閥。

1.5 負載系統(tǒng)

試驗臺未配置負載系統(tǒng)。根據(jù)ORC機組試驗要求，機組輸出的電能用一臺額定功率380 kW的水加熱器消耗掉。加熱器由2組105 kW、4組35 kW、1組30 kW加熱單元組成，7組加熱單元可單獨進行控制。

1.6 測量與控制系統(tǒng)

1.6.1 DCS測控系統(tǒng)

DCS測量與控制系統(tǒng)包含傳感器、測控柜、變頻柜、軟件系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)運行參數(shù)測量、存儲和執(zhí)行部件控制等功能。本測控系統(tǒng)與原試驗臺測控系統(tǒng)完全分開，互相獨立控制。

測控柜與變頻柜安裝于試驗臺3 m平臺，DCS操作終端放置在試驗臺測控間空置的操作臺上。機組內(nèi)部所有傳感器線路分別匯集于機架兩側(cè)的接線盒，由接線盒統(tǒng)一接至測控柜，DCS柜與電腦終端的通訊通過線纜進行連接。

1.6.2 測點設置

試驗系統(tǒng)除了外購設備自帶的測點外，還設置了溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速等測點，表1為試驗系統(tǒng)主要的測點設置。

表1試驗系統(tǒng)測點設置

編號位置名稱測量精度編號位置名稱測量精度Tihr蒸汽進口溫度1級Te蒸發(fā)器溫度1級Pihr蒸汽進口壓力0.25級Pe蒸發(fā)器壓力0.25級Tehr蒸汽出口溫度1級He蒸發(fā)器液位10 mmPehr蒸汽出口壓力0.25級Tit渦輪進口溫度1級Mhr蒸汽流量0.5級Pit渦輪進口壓力0.25級Ticr冷源進口溫度1級Tet渦輪出口溫度1級Picr冷源進口壓力0.25級Pet渦輪出口壓力0.25級Tecr冷源出口溫度1級Tc冷凝器溫度1級Pecr冷源出口壓力0.25級Pc冷凝器壓力0.25級Mcr冷源流量計0.5級Hc冷凝器液位10 mmNt渦輪轉(zhuǎn)速1 rpmTec冷凝器出口溫度1級Ng發(fā)電機轉(zhuǎn)速1 rpmPec冷凝器出口壓力0.25級P輸出功率Tep工質(zhì)泵出口溫度1級Mfl工質(zhì)流量0.5級Pep工質(zhì)泵出口壓力0.25級

1.7 電氣系統(tǒng)

ORC機組電氣聯(lián)接包括動力輸入(380 V/50 Hz)、動力輸出(380 V/50 Hz)、控制電源(220 V AC)和傳感器電源(24 V DC)等幾個部分。系統(tǒng)啟動時，工質(zhì)泵、密封油泵、潤滑油泵首先運轉(zhuǎn)，使用動力輸入電源；系統(tǒng)穩(wěn)定后，發(fā)電機發(fā)電輸出至電網(wǎng)；機組中的控制組件、測量儀器均使用外部電源。

2 試驗內(nèi)容

為了測試機組最大穩(wěn)定發(fā)電能力及各部件在額定工況下工作的可靠性，對機組進行滿負載試驗，圖5為試驗系統(tǒng)圖。滿負載試驗是在熱源系統(tǒng)、冷源系統(tǒng)、油系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等子系統(tǒng)調(diào)試完成后，發(fā)電機接入315 kW負載功率，機組帶負荷啟動，渦輪轉(zhuǎn)速升至額定值后，穩(wěn)定運行2 h，隨后降轉(zhuǎn)速停機。具體試驗方案如下：

(1)蒸發(fā)器凝結(jié)水出口管路提前安裝1.58 kg/s節(jié)流孔板。

(2)起機前，渦輪入口調(diào)節(jié)閥打開30%，渦輪旁路閥關(guān)閉。

(3)發(fā)電機接入五組分別為105 kW、105 kW、35 kW、35 kW、35 kW負載加熱單元，總負載功率315 kW，加熱單元通過加熱循環(huán)冷卻水消耗電能。

(4)電氣系統(tǒng)及機組DCS系統(tǒng)正常工作，壓縮氣源壓力保持在0.4 MPa以上，潤滑油系統(tǒng)和密封油系統(tǒng)在試驗前投入運行。

(5)鍋爐蒸汽參數(shù)最終目標值1 MPa，190℃，當鍋爐蒸汽壓力達到0.4 MPa時，開始給系統(tǒng)暖管。

(6)冷源參數(shù)：開啟循環(huán)水泵保證冷卻水的流量達到300 t/h，開啟冷卻塔保證冷卻水入口溫度不升高。

(7)蒸汽參數(shù)調(diào)整：觀察蒸汽壓力與流量數(shù)據(jù)，逐步增加減溫減壓器減壓閥開度對流量適時調(diào)整，如果溫度不超過140℃，則不用減溫。

(8)液位高度調(diào)整：試驗開始時當蒸發(fā)器內(nèi)液位高度小于330 mm，則啟動工質(zhì)泵(頻率設定30 Hz)，將泵后閥門打開至10°，根據(jù)泵后壓力與工質(zhì)流量變化情況，手動調(diào)整泵后閥門開度，DCS調(diào)整泵旁路調(diào)節(jié)閥開度，使蒸發(fā)器內(nèi)液位高度維持在400±10 mm。

3 試驗結(jié)果

3.1 熱力性能

通過截取機組穩(wěn)定運行段的一部分數(shù)據(jù)進行平均后作為計算熱力性能的依據(jù)，數(shù)據(jù)平均后核算機組的熱力性能。試驗過程中最大發(fā)電功率為325 kW，穩(wěn)定發(fā)電功率為313.8 kW，穩(wěn)定渦輪轉(zhuǎn)速為10 535 r/min。

表2熱源/冷源參數(shù)

參數(shù)熱源進口熱源出口冷源進口冷源出口溫度/℃138.8054.5013.2021.00壓力/MPa0.3690.3690.3050.283比焓/kJ·kg-12 731.880228.47055.73088.370流量/kg·s-11.2784.27熱量/kW3 110.402 750.27

根據(jù)表2和表3中的系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)，計算系統(tǒng)性能：

(1)渦輪軸功：(487.13-460.42)×12.04=321.7 kW

(2)機組熱效率：313.8/3 110.40=10.1%

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

圖6和圖7分別為渦輪轉(zhuǎn)速與功率曲線、蒸汽流量與工質(zhì)蒸發(fā)壓力曲線，由數(shù)據(jù)曲線可以得出：

(1)試驗過程中系統(tǒng)出現(xiàn)了周期性震蕩，但整體上渦輪轉(zhuǎn)速與輸出功率平穩(wěn)上升，最終實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電功率313.8 kW，渦輪轉(zhuǎn)速10 535 rpm；

表3內(nèi)循環(huán)參數(shù)

參數(shù)蒸發(fā)器出口透平 進口透平 出口冷凝器 出口工質(zhì)泵出口溫度/℃115.87110.4266.0427.2128.64壓力/MPa1.651.300.220.221.80密度/kg·m-395.3370.1511.211 332.691 333.88比焓/kJ·kg-1486.13487.13460.42235.41237.76比熵/kJ·(kg·℃)-11.810 31.823 91.846 01.123 11.127 0工質(zhì)流量/kg·s-112.04輸出功率/kW313.8渦輪轉(zhuǎn)速/r·min-110 535

(2)從10 500 s開始，渦輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了周期約為260 s的周期性震蕩，振幅約為400 rpm；

(3)通過與熱源流量參數(shù)的對比，渦輪轉(zhuǎn)速的周期性震蕩與熱源流量的震蕩振幅相反，周期一致，由此可以得出，渦輪轉(zhuǎn)速的周期性震蕩與受熱源參數(shù)的影響較大；

(4)同時通過對數(shù)據(jù)變化趨勢進行具體分析，導致系統(tǒng)震蕩的另外一個原因是在某一蒸發(fā)壓力下的工質(zhì)輸送量與蒸發(fā)量未達到平衡而引起了液位的變化，即泵后的壓力-流量特性與蒸發(fā)器內(nèi)的工作狀態(tài)未達到完全平衡狀態(tài)。通過分析，工質(zhì)泵的變頻調(diào)節(jié)精度為0.1 Hz，可通過DCS系統(tǒng)遠程操作，精度較高，但泵后調(diào)節(jié)元件為一臺手動球閥，調(diào)節(jié)特性較差，由此可以判定泵后手動球閥調(diào)節(jié)精度較差也是引起系統(tǒng)震蕩的一個因素。

4 結(jié)論

本文在搭建了300 kW功率等級ORC發(fā)電機組試驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開展了CT300型ORC發(fā)電機組的額定工況試驗工作，結(jié)果表明：

(1)利用現(xiàn)有的汽輪機空負荷試驗系統(tǒng)進行適應性改造后，滿足ORC設備的運行試驗需求，這種開展試驗的方法成本較低，適用于工業(yè)化ORC機組的運行試驗，也更能貼近ORC機組的工業(yè)應用場景；

(2)試驗工作有序開展， 試驗過程穩(wěn)定有效，機組從0負荷至額定負荷運行時間較少，各子系統(tǒng)均運行正常，蒸汽流量控制達到試驗要求，冷卻水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，油系統(tǒng)及負載系統(tǒng)工作正常表明所搭建的試驗系統(tǒng)配置合理，滿足300 kW功率等級ORC機組的運行試驗需要；

(3)系統(tǒng)出現(xiàn)周期性震蕩的原因是由于熱源參數(shù)的波動以及工質(zhì)泵后手動球閥調(diào)節(jié)性能較差所共同造成的，維持熱源參數(shù)的穩(wěn)定、泵后更換調(diào)節(jié)性能更好的調(diào)節(jié)閥可以解決系統(tǒng)震蕩的問題；

(4)本文所開展的試驗系統(tǒng)搭建及ORC機組試驗工作是在國內(nèi)首次進行的較大功率ORC機組運行試驗，試驗中機組穩(wěn)定發(fā)電功率為313.8 kW，發(fā)電效率為10.1%，最大發(fā)電功率達到325 kW，實現(xiàn)了機組的設計目標，為后續(xù)機組的設計和優(yōu)化工作提供了數(shù)據(jù)支撐，也為ORC機組在國內(nèi)的推廣工作提供了可靠的試驗依據(jù)。