苗宇欣

（丹東克隆集團有限責(zé)任公司，遼寧丹東 118000）

0.引言

隨著全球氣溫不斷升高，自然災(zāi)害愈發(fā)頻繁，降碳減排刻不容緩，我國力爭2030年實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，為加速實現(xiàn)這一目標(biāo)，國家大力倡導(dǎo)能源梯級利用、循環(huán)利用和能源資源綜合利用。對于企業(yè)來說，節(jié)能即意味著減少浪費、節(jié)約成本。近年來，隨著企業(yè)加工技術(shù)及工藝水平的不斷提升，生產(chǎn)效率及環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，整體能源利用率得到了極大的提升。高品位能量浪費情況已經(jīng)很少，但是仍然有很大部分的低品位余熱，如生產(chǎn)工藝末端廢氣、廢水、熱液等無法回收利用，且這部分余熱數(shù)量巨大。

對此，部分低溫?zé)崮艿睦眉夹g(shù)不僅能夠提升諸如石油、天然氣、煤炭等一次能源的利用效率，還可用于對太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕履茉撮_發(fā)[1]?，F(xiàn)階段ORC低溫發(fā)電技術(shù)已成為低溫能質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)流。本文以此項技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計一整套ORC低溫余熱發(fā)電試驗設(shè)備，并對設(shè)備試驗運行過程中各因素對能量轉(zhuǎn)化過程和轉(zhuǎn)化效率的影響進行分析，進一步優(yōu)化系統(tǒng)部件匹配，及各關(guān)鍵點工質(zhì)參數(shù)的選擇及控制，從而提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及能量轉(zhuǎn)化效率。

1 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)描述

ORC低溫余熱發(fā)電為典型的能質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。

ORC全稱為有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）。ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)基于理想朗肯循環(huán)[2]，利用有機工質(zhì)低沸點的物理性質(zhì)，將低溫余熱轉(zhuǎn)化為機械能，再經(jīng)由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。系統(tǒng)采用熱流體與有機工質(zhì)進行換熱，再將有機工質(zhì)引入螺桿膨脹機進行能量回收，含熱廢水（氣）在經(jīng)過一定的去雜質(zhì)處理后，進入蒸發(fā)器加熱有機工質(zhì)，使有機工質(zhì)溫度升高生成飽和或者過熱蒸氣，進入螺桿膨脹機做功驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。做功后的工質(zhì)從螺桿膨脹機排出進入冷凝器[3]，蒸氣冷凝后經(jīng)工質(zhì)循環(huán)泵加壓進入蒸發(fā)器完成循環(huán)。

工質(zhì)具體工作過程如圖1所示。

圖1 有機朗肯循環(huán)T-s圖

圖中，紅色線段和藍色線段分別為熱源和冷源的變化過程；過程“1s-2s-3s-4s-5s-6s”為理想有機朗肯循環(huán)；過程“1s-2s-3s-4s-5s-6s-1s”為考慮了不可逆因素引起熵增的理論有機朗肯循環(huán)[4]。與傳統(tǒng)的水蒸汽朗肯循環(huán)不同，有機朗肯循環(huán)采用低沸點的有機物作為工質(zhì)，工質(zhì)通過蒸發(fā)器與低溫?zé)崮軗Q熱（過程“2s-3s-4s-5s”）變?yōu)楦邷馗邏旱挠袡C工質(zhì)蒸氣；高溫高壓的工質(zhì)蒸氣進入螺桿動力機絕熱膨脹做功（過程“5s-6s”），動力機將膨脹功轉(zhuǎn)化為機械功，帶動發(fā)電機發(fā)電；膨脹完成后的低壓工質(zhì)蒸氣進入冷凝器，在冷凝器內(nèi)被冷源冷卻至液態(tài)（過程“6s-1s”）；液態(tài)工質(zhì)由工質(zhì)泵絕熱增壓（過程“1s-2s”），注入到蒸發(fā)器內(nèi)，完成一個典型的有機朗肯循環(huán)。

2.ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站設(shè)計

在公司現(xiàn)有螺桿動力機熱態(tài)試驗站的基礎(chǔ)上，建立ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)試驗站?，F(xiàn)有余熱鍋爐蒸汽作為低溫?zé)嵩?，采用蒸發(fā)式冷凝器作為膨脹做功后有機工質(zhì)的冷凝器。試驗系統(tǒng)采用集成化設(shè)計，進行遠程自動化控制調(diào)節(jié)，同時自動執(zhí)行運行參數(shù)的實時記錄，有故障自動報警。

2.1 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計運行參數(shù)

2.1.1 熱源條件及公用工程參數(shù)（見表1）

表1 熱源條件及公用工程參數(shù)

2.1.2 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)機組設(shè)計參數(shù)（見表2）

表2 ORC低溫余熱發(fā)電機組設(shè)計參數(shù)

2.2 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站主要設(shè)備及規(guī)格

ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站主要由一次換熱設(shè)備、螺桿動力機發(fā)電機組、工質(zhì)冷凝設(shè)備、工質(zhì)循環(huán)設(shè)備、運行控制系統(tǒng)及運行數(shù)據(jù)檢測儀表等組成。

2.2.1 有機工質(zhì)

工質(zhì)的合理選擇對雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工作狀況、循環(huán)效率和不可逆損失等都有重要影響[5]。本試驗系統(tǒng)采用天津大學(xué)自主研發(fā)的混合制冷劑，既滿足低溫余熱能量高效萃取需求，有具備不燃、不爆、無毒等特性，工質(zhì)價格相當(dāng)于ORC循環(huán)系統(tǒng)普遍選用的R245fa的50%～60%，且在低溫工況下循環(huán)效率更高。

2.2.2 熱源

實驗汽源由廠內(nèi)現(xiàn)有熱態(tài)試驗站蒸汽鍋爐提供如表3所示。

表3 余熱鍋爐參數(shù)

鍋爐受設(shè)備老化，燃料品質(zhì)影響，未能長期保持額定出力。試驗過程中，要求鍋爐降壓運行，蒸汽壓力0.2MPa（g）～0.4MPa（g），蒸汽量2t/h～4t/h。經(jīng)試驗系統(tǒng)緩沖罐進行汽水分離，控制進入試驗站系統(tǒng)的為壓力0.2MPa（g），流量相對穩(wěn)定連續(xù)飽和蒸汽。以便對進入系統(tǒng)總熱量進行核算。

2.2.3 一次換熱設(shè)備

一次換熱設(shè)備用于實現(xiàn)蒸汽熱源與有機工質(zhì)之間的熱交換，對熱源能量進行萃取，換熱產(chǎn)生高壓有機工質(zhì)蒸汽用于推動工質(zhì)做功。ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計為跨臨界低溫發(fā)電系統(tǒng)[6]，工質(zhì)經(jīng)蒸發(fā)后為微過熱狀態(tài)，項目采用兩級換熱形式，預(yù)熱器及蒸發(fā)器分別采用焊接板式換熱器，換熱效率高，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。換熱器參數(shù)如表4所示。

表4 換熱器參數(shù)

2.2.4 ORC發(fā)電機組

ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng) “熱能—機械能”能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備采用雙螺桿膨脹機，在T-s圖中對應(yīng)過程：5s-6s。有文獻[7]顯示，螺桿膨脹機在氣液兩相的膨脹中，絕熱效率可達70%以上。機組具有固定的內(nèi)容積比，其內(nèi)壓力比隨膨脹氣體性質(zhì)的不同而不同[8]，對工質(zhì)參數(shù)變化不敏感。試驗用設(shè)備主要部件為我公司自主設(shè)計制造，配套專用機械密封，有效防止工質(zhì)泄露。

配套螺桿機型號：ORC255/1.65-F，設(shè)計轉(zhuǎn)速3000r/min，輸出功率240kW。

發(fā)電機采用三相同步發(fā)電機，ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)實驗站所輸出的電能通過準(zhǔn)同期并網(wǎng)的方式被輸送到實驗系統(tǒng)所在地的電網(wǎng)。發(fā)電機型號：250kW-400V。

2.2.5 工質(zhì)冷凝設(shè)備

工質(zhì)冷凝設(shè)備保證ORC螺桿動力機做功后有機工質(zhì)乏汽能夠及時冷凝，為機組提供較低的排汽背壓，同時為工質(zhì)泵提供充足的工質(zhì)液體。試驗站采用蒸發(fā)式冷凝器作為系統(tǒng)工質(zhì)冷凝設(shè)備，換熱面積大，設(shè)備壓力損失低，同時節(jié)約水資源，尤其適用于溫度較低的北方地區(qū)。蒸發(fā)式冷凝器參數(shù)如表5所示。

表5 蒸發(fā)式冷凝器參數(shù)

2.2.6 工質(zhì)循環(huán)設(shè)備

冷凝后工質(zhì)進入系統(tǒng)儲液罐，容積約1.5m3，用于儲存工質(zhì)，同時為工質(zhì)泵提供必要的裝置汽蝕余量。由于ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)使用工質(zhì)多為制冷劑，具有沸點低、氣化潛熱小、蒸發(fā)溫度低等特點[6]，導(dǎo)致工質(zhì)泵極易出現(xiàn)氣蝕。同時，因多數(shù)有機工質(zhì)價格昂貴，對工質(zhì)泵密封要求很高，試驗系統(tǒng)選用無泄漏的磁力泵。工質(zhì)泵參數(shù)表如表6所示。

表6 工質(zhì)泵參數(shù)表

2.3 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站PID圖

ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站流程圖（PID）如圖2所示。

圖2 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站流程圖（PID）

3.試驗運行情況

3.1 運行參數(shù)對比偏離情況

通過ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站的運行，設(shè)備實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。但運行過程中發(fā)現(xiàn)機組參數(shù)與設(shè)計數(shù)據(jù)存在一定偏離，各典型工況下關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表7所示。

3.2 系統(tǒng)現(xiàn)有問題及分析

3.2.1 螺桿動力機工質(zhì)入口壓力偏低

試驗過程中，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，螺桿動力機入口工質(zhì)壓力與工質(zhì)泵出口處壓力分別相差0.06MPa，0.10MPa，0.29MPa，且隨著工質(zhì)壓力的提升，壓損逐漸增大。因螺桿動力機主要依靠工質(zhì)壓差做功，過大的壓力損失是必造成能量的浪費。

分析：工質(zhì)換熱器為板式結(jié)構(gòu)，設(shè)備自身壓損大，且隨工質(zhì)流量增加而增加，此處為主要損失。另一方面，對于工質(zhì)管路設(shè)計，有機工質(zhì)氣態(tài)經(jīng)濟流速15m/s～20m/s，管路直徑較小，實際“并網(wǎng)2”工況下流速已達35.6m/s，管路沿程損失增加。且換熱器工質(zhì)進口位置偏差過大，接口間彎頭，變徑等管件過多，局部沿程損失大。

3.2.2 預(yù)熱器內(nèi)工質(zhì)氣化，工質(zhì)易過熱

開機階段工質(zhì)流量較小或進口蒸汽溫度過高時，預(yù)熱器內(nèi)易出現(xiàn)工質(zhì)氣化，直接導(dǎo)致系統(tǒng)工況惡化，無法運行。

分析：預(yù)熱器、蒸發(fā)器選用焊接板式結(jié)構(gòu)，換熱面積大、換熱系數(shù)高。而試驗站熱源工質(zhì)為蒸汽，在換熱器內(nèi)為相變換熱，工質(zhì)吸收汽化潛熱能量巨大。而預(yù)熱器、蒸發(fā)器自身存儲工質(zhì)量較小，蒸汽量稍有增加即可導(dǎo)致，換熱器內(nèi)工質(zhì)全部氣化，而蒸汽管路配套為閘閥調(diào)節(jié)性差，無法準(zhǔn)確控制熱源流量。且工質(zhì)泵出口至預(yù)熱器間無單向閥，一旦氣化發(fā)生直接影響工質(zhì)泵運行，使工況進一步惡化。

3.2.3 工質(zhì)泵流量揚程無法達到設(shè)計要求

在工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速及功率的提升過程中，易發(fā)生汽蝕。使工質(zhì)流量及壓力無法達到設(shè)計參數(shù)。

分析：工質(zhì)儲液罐容積過小，僅為1.5m3，而設(shè)計工況下工質(zhì)泵額定流量71.5m3/h，有效液位時，儲液罐工質(zhì)抽空時間僅為約70s。工質(zhì)壓力及流量不足，易導(dǎo)致機組進汽壓力下降，致使工質(zhì)排汽壓力降低，乏汽冷凝壓力降低，工質(zhì)泵入口壓力低，因有機工質(zhì)具有低沸點特性，低壓下極易氣化，致使工質(zhì)泵發(fā)生汽蝕，無法正常運行。

3.2.4 工質(zhì)冷凝溫度高

后期運行過程中，工質(zhì)冷凝溫度逐漸升高，過冷度降低，致使工質(zhì)泵發(fā)生汽蝕。

分析：蒸發(fā)冷內(nèi)循環(huán)水量較少，且開機及低功率階段工質(zhì)冷凝壓力低、冷凝溫度低。冬季室外溫度<0℃，蒸發(fā)冷低溫運行，結(jié)冰導(dǎo)致進風(fēng)口面積減小，部分噴嘴凍結(jié)，冷卻效果變差無法滿足工質(zhì)冷卻要求。

4 系統(tǒng)優(yōu)化方案及預(yù)期效果

4.1 工質(zhì)參數(shù)控制點

由于雙螺桿膨脹機為容積型設(shè)備，為固定數(shù)值膨脹比。而系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)參數(shù)主要受冷熱源條件影響，因此要求機組有很好的自調(diào)節(jié)能力，能夠根據(jù)不同季節(jié)溫度變化調(diào)節(jié)運行參數(shù)。同時，要求工質(zhì)泵及冷凝設(shè)備有較大的設(shè)計余量。

參數(shù)控制點：

（1）熱源溫度及流量：控制熱源溫度及流量，使其熱量轉(zhuǎn)換與工質(zhì)流量相匹配，在保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行條件下實現(xiàn)能量充份回收。

（2）工質(zhì)泵流量及揚程：控制工質(zhì)泵流量，使其能夠充分進行熱量轉(zhuǎn)換，保持換熱后工質(zhì)為大流量、微過熱狀態(tài)，避免流量不足導(dǎo)致過熱。提升工質(zhì)泵出口工質(zhì)壓力，增加螺桿機進、排汽壓差，提升排汽壓力，減小冷凝設(shè)備負擔(dān)。

（3）控制冷凝溫度：注意環(huán)境溫度或冷源條件變化對工質(zhì)冷凝參數(shù)的影響，考慮換熱器5℃～7℃的換熱端差，冷凝液過冷度選擇合適區(qū)間，保留一定換熱余量，適當(dāng)提升冷凝壓力。既要保證工質(zhì)泵正常工作，又要使工質(zhì)蒸發(fā)器不能有過大負荷，以保證系統(tǒng)整體效率。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計及配置優(yōu)化

4.2.1 ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站運行試驗的問題優(yōu)化

（1）設(shè)備配置優(yōu)化。針對現(xiàn)階段熱源情況（蒸汽），優(yōu)化一次換熱設(shè)備配置?，F(xiàn)有板式換熱器雖然具有換熱系數(shù)高，整體外形尺寸小的特點，但同樣不利于系統(tǒng)集成，連接管路長管件多沿程損失大，管段間易儲存工質(zhì)，不利于工質(zhì)抽空。而換熱器內(nèi)工質(zhì)儲存少，高能熱源條件下，易發(fā)生工質(zhì)過熱，不利于蒸發(fā)過程控制。改進后采用“管殼式預(yù)熱器+滿液式蒸發(fā)器”模式，并添加換熱器內(nèi)液位顯示。設(shè)計合理的換熱器端差，余熱流體出口溫度To應(yīng)高于工質(zhì)出口溫度T1即工質(zhì)蒸發(fā)溫度，設(shè)定Δto≥5℃[9]。為保證工質(zhì)充分蒸發(fā)，同時換熱設(shè)備采用多流程設(shè)計，以減少設(shè)備換熱面積。

（2）冷凝設(shè)備運行優(yōu)化。對現(xiàn)有蒸發(fā)冷，增加噴淋水循環(huán)量，適當(dāng)降低噴淋水溫，同時注意冬季運行時機組防凍，避免噴嘴凍壞、冰堵及進風(fēng)百葉結(jié)冰影響空氣流通換熱。提升設(shè)備冷卻能力，確保凝結(jié)工質(zhì)有一定過冷度，避免在工質(zhì)泵處氣化發(fā)生汽蝕。

（3）增加工質(zhì)泵吸入口處儲液罐儲液容積，適當(dāng)提高工質(zhì)液位，提升裝置汽蝕余量，避免工質(zhì)泵運行中因工質(zhì)不足抽空。工質(zhì)泵作為關(guān)鍵設(shè)備，改進后采用一用一備形式。

（4）優(yōu)化系統(tǒng)集成設(shè)計。減少管路總體長度及使用管件數(shù)量，根據(jù)不同階段工質(zhì)特性及經(jīng)濟流速要求核算管徑，有效降低不必要的管路損失。同時，改善通流特性，避免低點流通四點，減少存液管段，減少抽液孔。系統(tǒng)低位設(shè)置觀察視鏡，判斷系統(tǒng)內(nèi)潤滑油泄漏情況，及時放油。增加機組并聯(lián)旁路，提升工質(zhì)循環(huán)穩(wěn)定性。

（5）閥門、儀表設(shè)置。增加儲液罐、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等關(guān)鍵設(shè)備的液位顯示，及時判斷系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)，便于對運行參數(shù)的調(diào)節(jié)及相關(guān)故障的處理；提升部分位置溫度測量準(zhǔn)確性，建議測量管道下側(cè)，應(yīng)用護套管形式，防止泄漏。工質(zhì)泵進口增加壓力變送器和溫度傳感器，可以有效的判斷液體的過冷度，泵出口加裝止回閥，防止預(yù)熱器過熱蒸汽反流，同時增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。熱源進口采用調(diào)節(jié)特性更佳的線性調(diào)節(jié)閥，提升對熱源的控制能力。

4.2.2 優(yōu)化后流程示意圖

優(yōu)化后ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站流程圖（PID）如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站流程圖（PID）

5 結(jié)論

通過廠內(nèi)ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站的運行，對我公司低溫?zé)犭娹D(zhuǎn)化設(shè)備的性能有了一個整體驗證。根據(jù)試驗結(jié)果，對ORC低溫發(fā)電機組工質(zhì)運行參數(shù)調(diào)整，保證機組維持在最佳運行參數(shù)范圍內(nèi)；根據(jù)熱源及工質(zhì)運行要求，合理匹配部件設(shè)備；優(yōu)化試驗站管線及系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)計算所得效率，ORC低溫發(fā)電機組在低品位能量回收領(lǐng)域存在巨大的潛力。

對現(xiàn)有ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)試驗站，針對上述問題進行優(yōu)化改造，也為ORC低溫發(fā)電機組早日走向市場提供設(shè)計依據(jù)和實驗基礎(chǔ)。