周剛，楊佐衛(wèi)，李應(yīng)超

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

有機(jī)物朗肯循環(huán)（簡(jiǎn)稱“ORC”）是以烷烴或制冷劑等有機(jī)物替代水作為工質(zhì)的發(fā)電循環(huán)。ORC地?zé)岚l(fā)電、ORC 廢熱回收、燃?xì)廨啓C(jī)與ORC 模塊聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等主要應(yīng)用場(chǎng)景的市場(chǎng)潛力巨大，全世界裝機(jī)容量已超過4 GW，其熱力循環(huán)的技術(shù)可行性已經(jīng)過市場(chǎng)驗(yàn)證，但核心技術(shù)長(zhǎng)期被ORMAT、Turboden 等國(guó)外生產(chǎn)商壟斷[1]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)愿意長(zhǎng)期投入研發(fā)資源、由底層逐一突破關(guān)鍵核心技術(shù)的廠家較少，導(dǎo)致此技術(shù)尚未在國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化。目前已有的應(yīng)用包括采用最大單機(jī)功率400 kW 螺桿膨脹機(jī)的ORC 模塊以及國(guó)外引進(jìn)采用280 kW 徑流式膨脹機(jī)的ORC 模塊，單機(jī)功率過小，不適合兆瓦級(jí)大功率應(yīng)用場(chǎng)合[2]。

鑒于此，公司在火電市場(chǎng)下行預(yù)期條件下，開展有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)研究，2019 年以某16 MW ORC 地?zé)岚l(fā)電廠作為設(shè)計(jì)實(shí)例，從系統(tǒng)級(jí)到設(shè)備級(jí)完成了全電廠的設(shè)計(jì)開發(fā)并向目標(biāo)業(yè)主提資。

為了完成上述ORC 地?zé)岚l(fā)電廠的技術(shù)驗(yàn)證，同時(shí)形成面向煙氣廢熱回收發(fā)電的ORC 發(fā)電產(chǎn)品，在“鋁合金徑流透平-永磁同步發(fā)電機(jī)-電磁軸承全封閉一體化結(jié)構(gòu)”、有機(jī)工質(zhì)換熱器、全系統(tǒng)變工況性能評(píng)估、全系統(tǒng)協(xié)同控制策略等關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)完成后，于廠內(nèi)搭建315 kW 有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）試驗(yàn)樣機(jī)。

1 有機(jī)物朗肯循環(huán)基本原理與適用范圍

1.1 ORC 循環(huán)基本原理

ORC 循環(huán)（如試驗(yàn)樣機(jī)）由透平、發(fā)電機(jī)、蒸發(fā)器等主設(shè)備構(gòu)成，如圖1 所示，ORC 循環(huán)過程（溫熵圖）如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)樣機(jī)總體方案

圖2 ORC 循環(huán)過程溫熵圖

液態(tài)有機(jī)工質(zhì)（R245fa）通過工質(zhì)泵升壓后進(jìn)入預(yù)熱器，吸熱升溫后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱并蒸發(fā)的有機(jī)工質(zhì)從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入透平，推動(dòng)透平做功完成后進(jìn)入空冷島冷凝為液態(tài)，再回到工質(zhì)泵入口完成整個(gè)循環(huán)。

1.2 ORC 循環(huán)熱力模型[3-4]

與圖1 和圖2 對(duì)應(yīng)的ORC 循環(huán)熱力模型計(jì)算公式如下：

透平功率：

透平效率：

空冷島熱負(fù)荷：

工質(zhì)泵耗功：

工質(zhì)泵效率：

預(yù)熱器熱負(fù)荷：

蒸發(fā)器熱負(fù)荷：

熱源向ORC 循環(huán)提供的總熱負(fù)荷：

分配給預(yù)熱器和蒸發(fā)器的熱負(fù)荷：

由此可以求解工質(zhì)質(zhì)量，ms：

不考慮空冷島風(fēng)機(jī)及其他輔助設(shè)備耗功，則有ORC 循環(huán)凈功率：

ORC 循環(huán)效率：

式中，Wt為透平輸出功率，kJ/s；hx為工質(zhì)在循環(huán)各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際焓值，x=1～5，kJ/kg；hx,is為工質(zhì)在循環(huán)各節(jié)點(diǎn)的理想焓值，x=2、5，kJ/kg；ηt為透平總效率；ηp為工質(zhì)泵效率；ms為有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；mw為外部熱源質(zhì)量流量，kg/s；Qc為工質(zhì)側(cè)空冷島熱負(fù)荷，kJ/s；Qpre為工質(zhì)側(cè)預(yù)熱器熱負(fù)荷，kJ/s；Qeva為工質(zhì)側(cè)蒸發(fā)器熱負(fù)荷，kJ/s；Qw為熱源側(cè)總熱負(fù)荷，kJ/s；Qw1為熱源側(cè)預(yù)熱器熱負(fù)荷，kJ/s；Qw2為熱源側(cè)蒸發(fā)器熱負(fù)荷，kJ/s；hwin為熱源側(cè)進(jìn)口焓值，kJ/kg；hwp為熱源側(cè)蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg；hwout為熱源側(cè)預(yù)熱器出口焓值，kJ/kg；Wnet為ORC 系統(tǒng)凈輸出功率，kW；Twin為熱源進(jìn)口溫度，℃；Twout為熱源出口溫度，℃。

1.3 有機(jī)朗肯循環(huán)適用范圍

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）適用范圍如圖3 所示，熱源溫度低于225 ℃，直至20 MW 或更大功率，ORC發(fā)電具有統(tǒng)治性優(yōu)勢(shì)[5]；當(dāng)發(fā)電功率≤1 MW，熱源溫度直至300 ℃，ORC 發(fā)電仍然優(yōu)勢(shì)顯著。

圖3 有機(jī)朗肯循環(huán)適用范圍

1.4 與蒸汽朗肯循環(huán)的區(qū)別

與蒸汽朗肯循環(huán)（SRC）的區(qū)別見表1。

表1 與蒸汽朗肯循環(huán)的對(duì)比

2 樣機(jī)方案與試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 樣機(jī)方案

廠內(nèi)315 kW ORC 試驗(yàn)樣機(jī)由作為設(shè)計(jì)實(shí)例并向業(yè)主提資的16 MW ORC 地?zé)岚l(fā)電廠模化而來，三維布局如圖4 所示，冷端采用直接空冷，熱端采用蒸汽模擬煙氣作為熱源，其間采用中間閉式循環(huán)水系統(tǒng)傳遞熱量。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)三維布置圖

試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：功率等級(jí)315 kW（設(shè)計(jì)工況發(fā)電凈功率≥250 kW），工質(zhì)R245fa，熱源溫度設(shè)計(jì)點(diǎn)134 ℃、試驗(yàn)范圍100～150 ℃，凈發(fā)電效率≥8%（無回?zé)幔?/p>

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖5 所示，其分為3 個(gè)子系統(tǒng)，從左到右依次為：（蒸汽）熱源子系統(tǒng)、中間閉式循環(huán)水子系統(tǒng)、ORC 循環(huán)子系統(tǒng)；前2 個(gè)子系統(tǒng)之間通過中間換熱器模擬煙氣換熱器傳遞熱量，管側(cè)為帶壓熱水、殼側(cè)為蒸汽冷凝；后2 個(gè)子系統(tǒng)之間通過蒸發(fā)器和預(yù)熱器傳遞熱量，管側(cè)為帶壓熱水，殼體為有機(jī)工質(zhì)。試驗(yàn)用的熱源蒸汽來自公司現(xiàn)有的蒸汽鍋爐，通過管道將其引入系統(tǒng)，蒸汽冷卻后的凝結(jié)水直接排污。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

2.3 全電廠變工況性能評(píng)估

熱端變工況試驗(yàn)熱源溫度（熱水溫度）100～145 ℃，冷端變工況冷源溫度（環(huán)境溫度）0～35℃。熱源變工況功率曲線如圖6 所示，冷源變工況功率曲線如圖7 所示，發(fā)電機(jī)功率和凈發(fā)電功率呈線性變化，凈發(fā)電效率5.5%～8.8%、滿足≥8%的設(shè)計(jì)要求。

圖6 熱源變工況功率曲線

圖7 冷源變工況功率曲線

2.4 透平-發(fā)電機(jī)全封閉一體化結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)樣機(jī)采用“鋁合金徑流透平－永磁同步發(fā)電機(jī)－電磁軸承”全封閉一體化結(jié)構(gòu)，電機(jī)中置，葉輪懸于發(fā)電機(jī)兩端，采用電磁軸承支撐軸系。

由于徑流式透平葉輪與發(fā)電機(jī)置于同一殼體內(nèi)，電機(jī)使用有機(jī)工質(zhì)R245fa 冷卻，丟掉了軸端密封系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了零泄漏；同時(shí)采用電磁軸承實(shí)現(xiàn)了ORC 發(fā)電模塊的無油化；發(fā)電機(jī)采用三瓣式結(jié)構(gòu)，便于拆裝和檢修。

2.5 有機(jī)工質(zhì)換熱器

ORC 發(fā)電模塊的換熱器包括K 型釜式蒸發(fā)器、F 型預(yù)熱器、蒸發(fā)器與預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及接口如圖8、圖9 所示。

圖8 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及接口

圖9 預(yù)熱器結(jié)構(gòu)及接口

本項(xiàng)目為公司首次涉足有機(jī)工質(zhì)換熱器，均采用HTRI 軟件設(shè)計(jì)，蒸發(fā)器需保證有機(jī)工質(zhì)核態(tài)沸騰，同時(shí)還需與預(yù)熱器相匹配，設(shè)計(jì)難度大。

3 經(jīng)濟(jì)性

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)樣機(jī)已完成發(fā)電試驗(yàn)，某工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 某工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

ORC 產(chǎn)品效率統(tǒng)計(jì)[6]如圖10 所示，本試驗(yàn)樣機(jī)最高凈發(fā)電效率8.8%，位于圖中回歸線附近，在不帶回?zé)崞鱋RC 產(chǎn)品中位居前列、與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品性能相當(dāng)。

圖10 ORC 產(chǎn)品效率統(tǒng)計(jì)圖

4 結(jié)論

（1）突破了“鋁合金徑流透平-永磁同步發(fā)電機(jī)-電磁軸承全封閉一體化結(jié)構(gòu)”、K 型釜式蒸發(fā)器/F 型預(yù)熱器、全系統(tǒng)變工況性能評(píng)估、全系統(tǒng)協(xié)同控制策略等關(guān)鍵核心技術(shù)。

（2）試驗(yàn)樣機(jī)最高凈發(fā)電效率8.8%，在不帶回?zé)崞鱋RC 產(chǎn)品中位居前列、與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品性能相當(dāng)。

（3）公司已具備ORC 地?zé)岚l(fā)電廠、ORC 廢熱回收發(fā)電設(shè)備的自主設(shè)計(jì)能力。