背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统

李逍晗

摘 要：本文通过提高背压式汽轮机组的蒸汽流量，让多余的排汽给与有机朗肯循环（ORC）耦合的热电联产系统发电，从而提高汽轮机组的工作效率，提高系统的发电量，同时该系统能够调节热负荷和电负荷。

关键词：背压式；汽轮机组；有机朗肯循环；热电联产系统

中图分类号：U664.12 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0090-01

背压式汽轮机组是一种无冷源损失，热效应高，能量利用率高的热电联产方式，能够将排汽全部用于供热，在工业生产中得到了广泛应用，但是，由于背压式汽轮机的电负荷受到热负荷的影响，在其生产方式上不能同时满足对于电负荷和热负荷的要求，需要用电网补偿电量差，提高了整个电力系统的备用容量，如果背压式汽轮机偏离设计工况，则会导致相对内效率降低，引起发电耗能增大，但在热负荷小或者处于停止运行状态，则会降低汽轮机组设备有效利用率。在热电厂的支持下，通过给汽轮机安装后置式的低压凝气，便能让背压式汽轮机排汽尽可能全部进入低压凝气设备中，提高系统设备的有效利用率和发电量。

1 背压式汽轮机组与ORC组成的联产系统

有机朗肯循环（ORC）主要采用了低沸点的工质，是由蒸发器，冷凝器，泵，回热器，汽轮机构成，相比蒸汽式朗肯循环，能够实现在370℃以下的热源中发电，其热经济效益比较高，而且大容量的有机朗肯循环的热工转换是通过径流式汽轮机来实现的，这种设备的热效率较高，而且受负荷波动变化影响较小，有机工质利用干流体，避免了对汽轮机叶片的腐蚀，而且这种工质膨胀要远小于水蒸式，也能从一定程度降低汽轮机的金属需求量[1]。此外，ORC在很多方面还具备了明显优势，比如启动和停止运行比较方便，负荷的适应性较好，后期维修费用低等。目前已经实现在太阳能，生物能发电方面的应用，由于汽轮机组以热定电的方式导致在实际应用过程中存在很多问题，之于此，我们提出了背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统，能够保证较高的机组热效率，降低热负荷后，能够将多余的排汽供给有机朗肯循环发电，提高发电量的同时，也提高了系统的设备有效利用率。为了尽可能提高系统的热效率，本文就选择有机工质及优化运行参数方面展开讨论，希望能给相关工作人员提供帮助。

在热负荷较低的情况下，背压式汽轮机多余的排汽量提供给系统的蒸发器，经过有机工质，进行冷凝过程，蒸汽和冷凝水通过疏水扩容器将进入低压除氧器中，从而代替汽轮机的排汽，完成汽轮机组循环。通过提高背压式汽轮机的进气量，可以在一定程度上提升汽轮机的相对内效率，还能提高系统的发电量。另外，在有机朗肯循环系统蒸发器中，有机工质经过排汽加热过程形成蒸气，在径流式汽轮机进行膨胀做功，由于有机工质中的干流体经过膨胀后，如果直接进入冷凝器，则会导致大量的冷源损耗，使得能源的利用率降低，因此有机工质需要先通过回热器，待其冷却至40度左右再通过冷凝器，用泵将有机工质加压，利用回热器和预热器以及蒸发器进行加热，以此提高循环热效率，完成有机朗肯循环。联产系统增加的发电量ΔW 是背压式汽轮机组增加的发电量ΔWs与ORC发电量Wo之和，其中ΔWs主要是受与蒸汽流量有关的热力因素影响，Wo是与有机工质及热力参数有关，因此本文着重对系统的热力分析及优化展开研究。

2 ORC的热力性能分析

ORC系统是否具备较高的热效率，主要受到有机工质的热物性影响，我们选择异丁烷（R600a）、R245fa、R123和 R113作为有机工质的研究对象，采用Refprop 8.0软件分析其热力性质，发现这四种有机工质的临界压力相似，但是R113的临界温度是最高的[2]。在实验过程中，我们将ORC的主气温度设置为150度，分别用上述四种有机工质进行，观察其热效率及单位工质净发电量受主气压力变化的影响，从结果来看，当主气温度和循环冷端参数设置一定时，主气压有最佳值能够使ORC的热效率以及单位工质的净发电量处于最大化，并且R113工质，随着主气压力的升高，热效率会在短时间内得到快速提升，直到达到最大值，而R123和R245fa是达到最大值后，出现下降趋势，R600a在低于150℃时也出现了这种先增后减的情况。由于汽轮机的进气压力是影响ORC热效率的主要原因，为了能够尽量提高热效率，我们根据广义既越梯度法对主气温度在100度至250度以下的主气压力进行优化。

3 算例分析

我们对背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统的发电量以及所产生的热经济性进行分析，发现主气压力为8.8MPa，主气温度为530度时，热耗保证工况的进气量为每小时240吨，汽轮机的相对内效率不足80%，排汽压力和温度分别为1.5MPa和320℃，当供气量降低一半时，背压式汽轮机的发电量会降低70%以上，相对内效率则降低25%左右，这对汽轮机组的电负荷和热经济性来说影响是比较大的，因此，我们针对不同供热量的低热复合工况进行研究，观察联产系统的发电量变化，并由此发现，提高ORC的主气温度直接影响了热效率的提升，但由于夹点温差的限制，进气温度会有最高限制值，水蒸气在ORC换热器中进行放热时，虽然温度处于120摄氏度高温，但是蒸汽从过热冷凝到饱和蒸汽的比焓较低，且有较大的汽化潜能，因此ORC的主气温度受到冷凝过程的制约，选取主气温度都为200度，并用这四种有机工质进行热力参数优化。

当背压式汽轮机的进气量为每小时250吨，采用R113工质时，产生的热效率最高，相比R600a提高了10%的净发电量，在供气量为每小时80吨时，多余的排汽能够驱动ORC增加发电量，如果不考虑热负荷，ORC能够实现有效扩容机组容量，而且这种联产方式对于稳定电量需求的区域来说是十分重要的，ORC充分利用背压式汽轮机进行排汽发电，导致冷源一定程度的损失，在研究中我们将汽轮机的进气量保持不变，供热量与ORC用气量是呈反比的，供热量越低，燃料的利用系数也会相应降低，但是，从热力学的角度来看，在热低峰时增加系统的发电量，能够提高系统的变负荷性能，提高其可靠性能，同时还能适应机组产生的负荷变化。因此，可以根据实际运行中的负荷特性，以及周边的用电量情况灵活选择ORC系统，满足机组扩容和调节电负荷的目的，企业也可以通过ORC在低于350摄氏度的条件下发电，当背压式汽轮机的供热量达到最大，余热量也处于最大，这些余热可以充分利用起来，用于ORC并联运行，企业可以根据实际生产需要选择ORC并进行运行优化。当供热量一定时，背压式汽轮机的主蒸汽流量提升，会引起ORC的开发量上升，电负荷的调节也可以通过改变主汽流量来实现，而在发电量一定时，背压式汽轮机的主气量随着供热量的上升而提高，从而实现热负荷需求，ORC主要是通過降低或者上升汽量来维持系统中的总发电量一定，另外，当用电量和供热量都处于动态变化时，可以改变主蒸汽量来调节二者的变化。

4 结语

背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统，处于低热负荷情况下，可以提高主蒸汽流量，多余的排汽可以实现对ORC供电，以提高汽轮机组的设备运行效率和发电量，可以通过调节进气量来满足热负荷和电负荷的调节，此外，ORC的主气温度受到汽轮机排汽的冷凝温度的限制，影响热效率的主要因素是ORC的主气压力，分别采用了4种有机工质的最佳运行压力，来实现ORC优化。ORC虽然会损失一部分系统冷源，而且燃料利用效率会随热负荷的降低而降低，但是相比原工况，在效率上会明显上升。

参考文献

[1]顾伟，孙绍芹，翁一武，等.采用涡旋膨胀机的低品位热能有机物朗肯循环发电系统实验研究[J].中国电机工程学报，2011，31（17）：20-25.

[2]赵巍，杜建一，徐建中.微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成联合循环的设计与分析[J].中国电机工程学报，2009，29（29）：19-24.