胡中強(qiáng)

中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院

0 前言

通常情況下，背壓式的汽輪機(jī)組屬于無(wú)冷源損失且熱效應(yīng)相對(duì)比較高、對(duì)于能量也能夠高效利用的一種熱電聯(lián)產(chǎn)模式，它可以較好地控制排汽并將其利用到供熱中，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用。從整體上而言，因?yàn)楸硥菏降钠啓C(jī)組電負(fù)荷值可能會(huì)被熱負(fù)荷值所影響，其生產(chǎn)方式往往很難同時(shí)滿足熱負(fù)荷以及電負(fù)荷的共同要求，必須使用電網(wǎng)的性能來(lái)對(duì)電量差予以有效補(bǔ)償，全面提升電力系統(tǒng)備用容量。假如背壓式的汽輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生偏離原有設(shè)計(jì)工況的問(wèn)題，將對(duì)相對(duì)內(nèi)效率產(chǎn)生降低的影響，進(jìn)而提升發(fā)電耗能，不過(guò)熱負(fù)荷降低或者是停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，汽輪機(jī)組設(shè)備的有效利用效率會(huì)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(jī)組中的操作方式，能夠較好地令背壓式的汽輪機(jī)組排汽進(jìn)入到低壓凝汽設(shè)備中，全面提升系統(tǒng)設(shè)備利用效率以及發(fā)電量。本文針對(duì)背壓式汽輪機(jī)組與有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)展開(kāi)分析。

1 背壓式汽輪機(jī)組與有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

有機(jī)朗肯循環(huán)（即ORC）通常是融合低沸點(diǎn)工質(zhì)，其主要構(gòu)造包括蒸發(fā)器、泵、換熱器、汽輪機(jī)以及冷凝設(shè)備等，相對(duì)于蒸汽式的朗肯循環(huán)，其可以實(shí)現(xiàn)低于370℃熱源供給下的發(fā)電能力，熱經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)比較高，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)大容量有機(jī)朗肯循環(huán)熱工轉(zhuǎn)換過(guò)程借助經(jīng)流汽輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)，其熱效率相對(duì)偏高，而且一般情況下不會(huì)受到明顯的負(fù)荷波動(dòng)影響，有機(jī)工質(zhì)借助干流體有效防止腐蝕汽輪機(jī)組葉片的作用，另外，該工質(zhì)膨脹也遠(yuǎn)小于常規(guī)水蒸式，能夠在較大程度上縮減汽輪機(jī)組對(duì)于金屬的需求量。除此之外，有機(jī)朗肯循環(huán)還具備較為顯著的其他方面的優(yōu)勢(shì)特征，例如，在啟動(dòng)以及停止運(yùn)轉(zhuǎn)操作上相對(duì)比較便捷，而且對(duì)于負(fù)荷有較強(qiáng)的適應(yīng)性，維修起來(lái)成本不高。從目前的實(shí)際情況看，太陽(yáng)能發(fā)電以及生物能發(fā)電等領(lǐng)域中均有較為廣泛的實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)槠啓C(jī)組通過(guò)熱定電形式運(yùn)轉(zhuǎn)，令其實(shí)際應(yīng)用期間很容易出現(xiàn)問(wèn)題。由此，相關(guān)研究人員提出將背壓式的汽輪機(jī)組和有機(jī)朗肯循環(huán)耦合，借助熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較理想的機(jī)組熱效率，在控制了熱負(fù)荷之后可以盡快把多余排汽轉(zhuǎn)移給有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)現(xiàn)循環(huán)性的發(fā)電，全面提升發(fā)電量基礎(chǔ)上，還能夠加強(qiáng)設(shè)備的利用效率。為能夠盡量提升系統(tǒng)熱效率，在本文中擇取有機(jī)工質(zhì)和優(yōu)化參數(shù)方式予以探究，旨在為相關(guān)從業(yè)人員奠定理論基礎(chǔ)。

通常而言，如果熱負(fù)荷偏低，背壓式的汽輪機(jī)組產(chǎn)生多余排氣量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)蒸發(fā)器予以有機(jī)工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有效冷凝，蒸汽與冷凝水借助疏水?dāng)U容器進(jìn)入到低壓除氧設(shè)備中，進(jìn)而取代汽輪機(jī)排汽，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組的內(nèi)部有效循環(huán)。借助背壓式汽輪機(jī)進(jìn)汽量的提升，能夠提升汽輪機(jī)組相對(duì)內(nèi)效率，同時(shí)還能夠提高其發(fā)電量。除此之外，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)設(shè)備中，有機(jī)工質(zhì)借助排汽加熱形成較多蒸汽，并經(jīng)流汽輪機(jī)完成膨脹做功的過(guò)程，因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)干流體借助膨脹作用發(fā)生變化，如果直接進(jìn)入冷凝設(shè)備，將會(huì)造成冷源損耗，進(jìn)而縮減能源的有效利用率，所以，有機(jī)工質(zhì)必須要經(jīng)過(guò)回?zé)嵩O(shè)備，當(dāng)冷卻到40℃左右進(jìn)入冷凝設(shè)備，使用泵加壓，借助預(yù)熱器、回?zé)崞骱驼舭l(fā)器完成加熱處理，全面提升循環(huán)熱效率，實(shí)現(xiàn)有效的有機(jī)朗肯循環(huán)。背壓式汽輪機(jī)組與有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 背壓式汽輪機(jī)組與有機(jī)朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

2 有機(jī)朗肯循環(huán)熱力性能的相關(guān)研究

有機(jī)朗肯循環(huán)是否能夠形成比較高效的熱效率主要是受有機(jī)工質(zhì)熱物性的影響，擇取異丁烷（即R600a）、R123、R113以及R245fa作為研究對(duì)象，并借助Refprop8.0對(duì)熱力性質(zhì)予以分析，可以發(fā)現(xiàn)該四種有機(jī)工質(zhì)在臨界壓力值上比較接近，不過(guò)其中R113臨界溫度值最高。試驗(yàn)期間，有機(jī)朗肯循環(huán)溫度處于150℃的情況下，觀察四種有機(jī)工質(zhì)熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量是否會(huì)被主汽壓力的變化所影響。就研究結(jié)果而言，主汽溫度以及循環(huán)冷端的參數(shù)設(shè)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(jī)朗肯循環(huán)熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量均滿足最大化需求，同時(shí)R113工質(zhì)在主汽壓力不斷提升的情況下，熱效率也會(huì)在較短時(shí)間中獲得較快提升，接近最大值；相對(duì)R113，R123以及R245fa均在實(shí)現(xiàn)最大值之后逐漸下降；R600a降低到150℃之后也會(huì)在較大概率上發(fā)生先增后減的問(wèn)題。因?yàn)槠啓C(jī)進(jìn)汽壓力一般會(huì)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)熱效率產(chǎn)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(duì)主汽溫度100～250℃間主汽壓力予以有效優(yōu)化。典型有機(jī)朗肯循環(huán)熱力過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 典型有機(jī)朗肯循環(huán)熱力過(guò)程

3 算例研究

針對(duì)背壓式汽輪機(jī)組和有機(jī)朗肯循環(huán)間耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量和形成的熱經(jīng)濟(jì)展開(kāi)研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(jìn)氣量為240 t/h，汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)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(jī)組發(fā)電量將會(huì)降低到30%以下，相較之下，其內(nèi)效率可能會(huì)降低到75%以下，顯然這對(duì)汽輪機(jī)組電負(fù)荷以及熱經(jīng)濟(jì)性都會(huì)形成非常顯著的影響。針對(duì)在供熱量不同情況下的低熱度復(fù)合工況予以研究時(shí)，對(duì)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量上發(fā)生的變化予以有效觀察可以發(fā)現(xiàn)，有機(jī)朗肯循環(huán)提升后主汽溫度對(duì)熱效率提升產(chǎn)生了非常直接的影響。不過(guò)，因?yàn)槭軠夭钏拗?，其進(jìn)汽溫度存在最高限度數(shù)值，水蒸氣位于有機(jī)朗肯循環(huán)換熱器中完成放熱過(guò)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(huì)擁有比較強(qiáng)的汽化潛能，可以認(rèn)為，有機(jī)朗肯循環(huán)主汽溫度在受到冷凝作用期間會(huì)被其制約，擇取主汽溫度200℃，對(duì)四種有機(jī)工質(zhì)完成熱力參數(shù)上的有效優(yōu)化。

當(dāng)背壓式汽輪機(jī)組進(jìn)汽量在250 t/h的情況下采取R113工質(zhì)，此時(shí)熱效率最高，與R600a相比，凈發(fā)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(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)提升發(fā)電量。假如不考慮熱負(fù)荷，有機(jī)朗肯循環(huán)將會(huì)有效實(shí)現(xiàn)機(jī)組容量擴(kuò)容，這種聯(lián)產(chǎn)對(duì)于電量需求較為穩(wěn)定的區(qū)域而言非常關(guān)鍵，有機(jī)朗肯循環(huán)借助背壓式汽輪機(jī)組完成排汽發(fā)電，令冷源發(fā)生一定程度上的流失，研究中通常保持進(jìn)汽量不變，供熱量和有機(jī)朗肯循環(huán)的用氣量則呈現(xiàn)反比，供熱量下降，燃料利用系數(shù)自然也會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。但是從熱力學(xué)角度入手進(jìn)行研究，熱低峰值時(shí)提升系統(tǒng)發(fā)電量，可以提升系統(tǒng)變負(fù)荷性能，強(qiáng)化可靠性能，另外還能夠更好地適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化。因此，可以依照實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)期間負(fù)荷特征和周邊用電情況等靈活應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)，滿足機(jī)組的擴(kuò)容需求以及電負(fù)荷的調(diào)控目的。在機(jī)組運(yùn)行中，企業(yè)也可以擇取有機(jī)朗肯循環(huán)在350℃以下條件中發(fā)電，背壓式汽輪機(jī)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(yīng)用到有機(jī)朗肯循環(huán)并聯(lián)運(yùn)行中，企業(yè)依照自身生產(chǎn)需求擇取有機(jī)朗肯循環(huán)予以優(yōu)化即可。在供熱量固定的情況下，提升背壓式汽輪機(jī)組主蒸汽流量，可能會(huì)提升有機(jī)朗肯循環(huán)開(kāi)發(fā)量，電負(fù)荷調(diào)控也可以借助主汽流量的調(diào)整完成；在發(fā)電量固定的情況下，背壓式汽輪機(jī)主汽量則主要伴隨供熱量提升而不斷提升，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)熱負(fù)荷的相關(guān)需求，有機(jī)朗肯循環(huán)借助調(diào)整汽量保持系統(tǒng)整體發(fā)電量的穩(wěn)定。除此之外，用電量以及供熱量均處在動(dòng)態(tài)變化的情況下時(shí)，借助主蒸汽量的調(diào)節(jié)可以調(diào)控兩者變化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，背壓式的汽輪機(jī)組和有機(jī)朗肯循環(huán)的耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如果處在低熱負(fù)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(jī)朗肯循環(huán)供電，以此來(lái)強(qiáng)化汽輪機(jī)組設(shè)備的整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及發(fā)電量，能夠借助進(jìn)氣量的調(diào)控滿足熱負(fù)荷以及電負(fù)荷調(diào)節(jié)。除此之外，有機(jī)朗肯循環(huán)主汽溫度往往會(huì)被汽輪機(jī)組的排汽冷凝溫度所影響，進(jìn)而對(duì)熱效率產(chǎn)生影響，分別予以改善實(shí)現(xiàn)有機(jī)朗肯循環(huán)的優(yōu)化。盡管有機(jī)朗肯循環(huán)可能會(huì)令部分系統(tǒng)冷源流失，且燃料利用率也有可能會(huì)隨著熱負(fù)荷下降而逐漸降低，與原有工況相比，已經(jīng)能夠促成運(yùn)轉(zhuǎn)效率的明顯提升，因此是具備較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的。