向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计

朱 弢，李 健，郑洪财

(南京天加热能技术有限公司，江苏 南京 210037)

0 引言

我国经济取得了举世瞩目的成就，但经济腾飞的同时也带来了高能耗和环境污染。面对能源、环保的双重压力，“十三五规划纲要”提出[1]“着力提升能源普遍服务水平，全面推进能源生产和消费革命，努力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系”的指导思想，要求在提高化石能源利用率的同时，推进绿色低碳再生能源的利用和分布式发电的发展。

我国是火力发电大国。火力发电主要使用以煤为代表的化石能源，能耗量高、污染较大。为解决此问题，目前国内外都在尝试利用地热能、太阳能、风能、生物质能等高效、清洁的新能源，替代传统化石能源进行分布式发电[2-3]。这一趋势已成为国际能源发展的新一轮调整目标之一。

有机工质朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)发电是一种利用低品位(300 ℃以下)可再生能源作分布式发电的技术，具有消耗燃料少、污染小、安全可靠、投资回报率高等优点。该技术在能源危机的国际形势下，越来越得到重视。但最新研究成果主要集中在美、以、意、日等发达国家。我国近年发展势头迅猛，有部分的研究成果输出和项目落地[4-6]。

本文介绍了使用向心透平所设计的中等功率(300 kW)有机工质朗肯循环发电设备。

1 系统设计

本文研究内容涵盖了有机工质朗肯循环的热源选择、目标定位、膨胀机、工质选择、总体结构设计和控制方案等。

1.1 目标热源

中国地热总量占世界总量7.9%[7]，主要为中低温热水。根据国土资源部地质调查局2015年调查结果，全国336个地级以上城市浅层地热能年可开采资源量折合7亿吨标准煤，水热型地热能年可开采资源量折合19亿吨标准煤[8]，具有庞大的低温地热资源开发潜力和市场价值。在工业余、废热方面，我国的炼钢、化工、水泥、燃气轮机等行业有大量的低品位(90～200 ℃)废烟气或蒸汽排放，将其合理回收并用于发电，既可提高能源的综合利用率，又能带来经济效益。综合考虑，本文以温度为90～150 ℃的地热、工业余热作为目标热源。

1.2 目标发电量

国家电网公司对分布式能源的接入电压等级推荐如下：8 kW 及以下可接入220 V；8～400 kW 可接入380 V；400～6 000 kW 可接入10 kV[9]。为方便用户自发自用、余电上网，在两种电压等级同时满足接入条件时优先采用低电压等级接入[10]。本文采用异步式发电机，以电压380 V、总发电功率300 kW作为设计目标，且允许短时间内超载10%。

1.3 膨胀机

膨胀机是有机工质朗肯循环发电设备的关键部件，常见的有容积式和速度式。容积式有涡旋、螺杆等形式，一般适用于小流量的中小型系统[11]；速度式有向心透平、轴流透平、混流透平等，依靠工质流体在流经喷嘴时所产生的高流速推动膨胀机动叶片旋转产生机械能[12]，更适用于300 kW的中等功率场合。与螺杆膨胀机相比，向心透平膨胀机具有系统简单、故障率低的优点，且等熵膨胀效率可达85%～90%。

考虑地热项目需要机组室外运行，发电机与透平机的机械连接需要设计为IP68的高防护等级。异步发电机转子与透平机通过齿轮传动。发电机定、转子，齿轮，轴承等机械部件全部位于同一壳体内。

1.4 有机工质选择

常用的有机工质有R245fa、R600、R600a、R134a、R123等。本文结合目标热源及工质的蒸发/冷凝压力、环境友好性、与润滑油的兼容性等特点，选择R245fa作为研究工质。R245fa的化学式为CF3CH2CHF2，蒸发温度为14.9 ℃，临界温度为154 ℃，临界压力为3.64 MPa，全球变暖潜能值为1 030[13]。

1.5 系统结构

蒸发器的设计需先选定换热器的类型，如管式换热器或板式换热器等。冷凝器的设计需先在水冷或空冷两种方式中选择。本设计中，考虑到设备体积小、结构紧凑的要求，所以选择换热面积小、传热系数好的水冷式冷凝器。工质泵采用多级离心泵，配有变频器，以适应变工况场合下的转速调整。本文的主要设备及其参数如表1所示。

表1 主要设备及其参数列表

2 控制系统

本设计以西门子S7-1200 PLC作为控制器，数字量扩展模块选用SM1223，模拟量扩展模块选用SM1231。控制硬件包括热源调节阀门、透平阀门、工质泵、油加热器、油泵等。主要传感器包括：蒸发器、冷凝器的温度、压力、液位传感器，工质泵的出口压力传感器，发电机转速传感器，多功能电力仪表。考虑到应尽量减小异步发电机以电动机形式启动时给电网带来的冲击，本文使用具有驱动和发电双向功能的软启动器来驱动异步发电机，并利用该软启动器对有机工质朗肯循环发电设备的发电质量进行实时监控，确保电压、电流、频率等数据在标准范围内。控制系统主要仪表及其参数如表2所示。

表2 主要仪表及其参数列表

2.1 控制逻辑

有机工质朗肯循环发电设备按其运行的主要阶段，划分为待机、预热、发电、关机四个步骤。控制逻辑流程如图1所示。

图1 控制逻辑流程图

设备通电后即进入待机状态，开始对润滑油进行加热和搅拌，同时等待开机启动命令。

当设备接收到启动命令后，首先判断润滑油是否已经加热至目标温度(60 ℃)，然后检查压缩空气、冷却水循环、急停报警等机组运行的必要条件是否满足。如果条件未满足，则提示操作者并继续等待直至满足；如果条件全部满足，则设备进入预热过程，同时打开热源阀门开始换热。此过程以在设备内建立具有一定压差的热力循环系统为目标，为后续的发电过程创造必要条件。工质泵在此阶段开始运行，并为工质的内部循环提供动力。

一旦热力系统压差达到设定目标值，机组会在润滑透平轴承一段时间后以电机形式启动发电机，待发电机到达额定转速后打开透平阀门，使高压有机工质蒸汽进入透平腔，拖动向心透平旋转，驱动发电机进入发电模式。

如果设备在运行过程中发生故障或人为停机，机组会立即切断热源阀门并同时停止并解列发电机。机组解列逻辑如图2所示。机组解列后，自动控制内部热力系统冷却、降压后再次重新进入待机状态，等待下一次启动命令。

图2 解列逻辑示意图

2.2 控制算法

2.2.1 热源阀门开度计算

有机工质朗肯循环发电设备的发电量大小主要取决于进入机组的热源热量，所以控制算法的重点是热源阀门开度的控制，使实际发电量与目标发电量相一致。当实际发电量小于目标发电量时，增大热源阀门开度；反之,则减小热源阀门开度。同时，应考虑蒸发器和冷凝器的压力保护，防止在提高实际发电量的过程中造成蒸发器或冷凝器的压力过高。压力容器的实际压力值也应代入PID计算，并在压力偏高时自动减小阀门开度，以缓解压力持续升高的趋势。为保证实际热源阀门开度与计算量的对应关系，需要在输出模拟量信号之前把计算得到的线性曲线转换为阀门特性曲线。

有机工质朗肯循环发电设备的PID控制示意图如图3所示。

图3 PID控制示意图

2.2.2 功率因数补偿

GB/T 33593-2017标准要求异步发电机类型分布式电源通过380 V电压等级并网时，并网点功率因数应在0.98(超前)～0.98(滞后)范围内可调节[14]。

设发电量范围为100～300 kW，功率因数为0.90。通过式(1)和式(2)计算，得到设备的视在功率范围为111.1～333.3 kV·A，无功功率范围为48.4～145.3 kVar。

有功功率为：

P=ScosΦ

(1)

无功功率为：

Q=SsinΦ

(2)

式中：S为视在功率；P为有功功率；Q为无功功率；∠Φ为功率因数角[15]。

由于工业余热和地热作为热源都存在波动，所以发电量也会发生变化，需要选择多组功率因数补偿装置作动态补偿。本设计通过计算，选择一个50 kV的功率补偿器作为最低发电功率时的静态功率补偿，再按发电量每增加70 kW投入一组30 kV的动态补偿，可保证ORC发电设备在总发电量范围为100～330 kW的功率因数，始终满足0.98(超前)～0.98(滞后)的要求。

3 测试

3.1 测试平台简介

本文的测试平台由热水(蒸汽)循环装置、冷却水循环装置、电力装置三部分构成，如图4所示。平台配合向心透平有机朗肯循环发电设备发电，验证控制逻辑和算法，测算实际发电量。热水循环装置包括变频热水泵、温度计、压力表、质量流量计等，热源来自工厂余热，作用是为设备的蒸发器提供目标流量下的热源。冷却水循环装置包括冷水泵、冷却风扇、温度计和涡街流量计等，向冷凝器提供目标温度、流量的冷却水。电力装置连接380 V电源，接入点和接入方式需提前到当地供电局申报并备案。该部分包括断路器、多功能双向计量电表等。

图4 测试平台示意图

3.2 测试情况

测试前，需对设备通电，在等待润滑油预热升温至目标温度的同时，检查压缩空气、冷却水、热源等启动条件。润滑油加热完毕后，设定冷却水的目标温度、流量并在设备的冷凝器中建立冷却水循环。随后开始测试。测试分为控制逻辑测试和算法验证两部分。

测试设备控制逻辑的目的是确认机组的启动、停止、保护等功能都及时、有效，且设备可以在发生紧急停止等异常状况时及时自动关闭，不会影响压力容器、电网，造成潜在危险。

测试的第二步是验证设备热源阀门的PID控制算法和优化PID参数。阀门控制的算法必须在热源发生波动而影响发电量时，及时作出适当的调整，以维持机组的长期稳定运行。如果调整速度过快或过慢，都有可能引起发电量超限等故障而导致关机。通过试验和参数优化，设备可以在热源波动的情况下，基本稳定实际发电量。热源阀门的PID调节效果如图5所示。当目标发电量设置为220 kW时，即使热源有较大幅度波动(10 ℃)，实际发电量仍然比较稳定。

图5 热源阀门的PID调节效果

4 结束语

本文设计了向心透平有机工质朗肯循环发电设备。该设备以低温工业余热和低温地热作为目标热源，可以利用低温热源发电，具备300 kW的总发电能力，净发电量约280 kW。其PID算法可根据实际热源变化情况自动调节热源进量，从而稳定实际发电量。试验所得数据证明，该设备可对80～150 ℃的中低温余热进行回收，电能转化效率约为10%，具有很高的市场价值。