背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统分析及应用

胡中强

中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院

0 前言

通常情况下，背压式的汽轮机组属于无冷源损失且热效应相对比较高、对于能量也能够高效利用的一种热电联产模式，它可以较好地控制排汽并将其利用到供热中，对于工业生产有非常广泛的实际应用。从整体上而言，因为背压式的汽轮机组电负荷值可能会被热负荷值所影响，其生产方式往往很难同时满足热负荷以及电负荷的共同要求，必须使用电网的性能来对电量差予以有效补偿，全面提升电力系统备用容量。假如背压式的汽轮机在运转中发生偏离原有设计工况的问题，将对相对内效率产生降低的影响，进而提升发电耗能，不过热负荷降低或者是停止运转时，汽轮机组设备的有效利用效率会显著降低。在热电厂支持的条件下，借助安装后置低压凝汽器在汽轮机组中的操作方式，能够较好地令背压式的汽轮机组排汽进入到低压凝汽设备中，全面提升系统设备利用效率以及发电量。本文针对背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统展开分析。

1 背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统分析

有机朗肯循环（即ORC）通常是融合低沸点工质，其主要构造包括蒸发器、泵、换热器、汽轮机以及冷凝设备等，相对于蒸汽式的朗肯循环，其可以实现低于370℃热源供给下的发电能力，热经济效益相对比较高，而且相对来说大容量有机朗肯循环热工转换过程借助经流汽轮机组实现，其热效率相对偏高，而且一般情况下不会受到明显的负荷波动影响，有机工质借助干流体有效防止腐蚀汽轮机组叶片的作用，另外，该工质膨胀也远小于常规水蒸式，能够在较大程度上缩减汽轮机组对于金属的需求量。除此之外，有机朗肯循环还具备较为显著的其他方面的优势特征，例如，在启动以及停止运转操作上相对比较便捷，而且对于负荷有较强的适应性，维修起来成本不高。从目前的实际情况看，太阳能发电以及生物能发电等领域中均有较为广泛的实际应用，因为汽轮机组通过热定电形式运转，令其实际应用期间很容易出现问题。由此，相关研究人员提出将背压式的汽轮机组和有机朗肯循环耦合，借助热电联产系统实现比较理想的机组热效率，在控制了热负荷之后可以尽快把多余排汽转移给有机朗肯循环实现循环性的发电，全面提升发电量基础上，还能够加强设备的利用效率。为能够尽量提升系统热效率，在本文中择取有机工质和优化参数方式予以探究，旨在为相关从业人员奠定理论基础。

通常而言，如果热负荷偏低，背压式的汽轮机组产生多余排气量转移到系统蒸发器予以有机工质，实现有效冷凝，蒸汽与冷凝水借助疏水扩容器进入到低压除氧设备中，进而取代汽轮机排汽，实现汽轮机组的内部有效循环。借助背压式汽轮机进汽量的提升，能够提升汽轮机组相对内效率，同时还能够提高其发电量。除此之外，有机朗肯循环系统的蒸发设备中，有机工质借助排汽加热形成较多蒸汽，并经流汽轮机完成膨胀做功的过程，因为有机工质干流体借助膨胀作用发生变化，如果直接进入冷凝设备，将会造成冷源损耗，进而缩减能源的有效利用率，所以，有机工质必须要经过回热设备，当冷却到40℃左右进入冷凝设备，使用泵加压，借助预热器、回热器和蒸发器完成加热处理，全面提升循环热效率，实现有效的有机朗肯循环。背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统见图1。

图1 背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统

2 有机朗肯循环热力性能的相关研究

有机朗肯循环是否能够形成比较高效的热效率主要是受有机工质热物性的影响，择取异丁烷（即R600a）、R123、R113以及R245fa作为研究对象，并借助Refprop8.0对热力性质予以分析，可以发现该四种有机工质在临界压力值上比较接近，不过其中R113临界温度值最高。试验期间，有机朗肯循环温度处于150℃的情况下，观察四种有机工质热效率和单位工质净发电量是否会被主汽压力的变化所影响。就研究结果而言，主汽温度以及循环冷端的参数设置基本处于固定的情况下，主汽压力具备最佳值，能够令有机朗肯循环热效率和单位工质净发电量均满足最大化需求，同时R113工质在主汽压力不断提升的情况下，热效率也会在较短时间中获得较快提升，接近最大值；相对R113，R123以及R245fa均在实现最大值之后逐渐下降；R600a降低到150℃之后也会在较大概率上发生先增后减的问题。因为汽轮机进汽压力一般会对有机朗肯循环热效率产生影响，为了较好地提升热效率，依照广义既约梯度方法，针对主汽温度100～250℃间主汽压力予以有效优化。典型有机朗肯循环热力过程见图2。

图2 典型有机朗肯循环热力过程

3 算例研究

针对背压式汽轮机组和有机朗肯循环间耦合热电联产系统发电量和形成的热经济展开研究可以发现，当主汽压力值在8.8 MPa、主汽温度在530℃的情况下，热耗能确保工况进气量为240 t/h，汽轮机相对内效率在80%以下，排汽压力值以及温度值分别在1.5 MPa以及320℃左右，在供气量下降50%左右的情况下，背压式的汽轮机组发电量将会降低到30%以下，相较之下，其内效率可能会降低到75%以下，显然这对汽轮机组电负荷以及热经济性都会形成非常显著的影响。针对在供热量不同情况下的低热度复合工况予以研究时，对联产系统发电量上发生的变化予以有效观察可以发现，有机朗肯循环提升后主汽温度对热效率提升产生了非常直接的影响。不过，因为受温差所限制，其进汽温度存在最高限度数值，水蒸气位于有机朗肯循环换热器中完成放热过程中，尽管温度在120℃左右，但蒸汽因超高温逐渐冷凝成饱和蒸汽期间比焓值偏低，而且往往会拥有比较强的汽化潜能，可以认为，有机朗肯循环主汽温度在受到冷凝作用期间会被其制约，择取主汽温度200℃，对四种有机工质完成热力参数上的有效优化。

当背压式汽轮机组进汽量在250 t/h的情况下采取R113工质，此时热效率最高，与R600a相比，净发电量提升10%左右，供气量在80 t/h情况下，多余排汽均能够较好驱动有机朗肯循环提升发电量。假如不考虑热负荷，有机朗肯循环将会有效实现机组容量扩容，这种联产对于电量需求较为稳定的区域而言非常关键，有机朗肯循环借助背压式汽轮机组完成排汽发电，令冷源发生一定程度上的流失，研究中通常保持进汽量不变，供热量和有机朗肯循环的用气量则呈现反比，供热量下降，燃料利用系数自然也会呈现降低的趋势。但是从热力学角度入手进行研究，热低峰值时提升系统发电量，可以提升系统变负荷性能，强化可靠性能，另外还能够更好地适应机组负荷变化。因此，可以依照实际运转期间负荷特征和周边用电情况等灵活应用有机朗肯循环，满足机组的扩容需求以及电负荷的调控目的。在机组运行中，企业也可以择取有机朗肯循环在350℃以下条件中发电，背压式汽轮机组供热量最大，其余热量也处于最高峰值，余热予以有效利用，应用到有机朗肯循环并联运行中，企业依照自身生产需求择取有机朗肯循环予以优化即可。在供热量固定的情况下，提升背压式汽轮机组主蒸汽流量，可能会提升有机朗肯循环开发量，电负荷调控也可以借助主汽流量的调整完成；在发电量固定的情况下，背压式汽轮机主汽量则主要伴随供热量提升而不断提升，进而有效实现热负荷的相关需求，有机朗肯循环借助调整汽量保持系统整体发电量的稳定。除此之外，用电量以及供热量均处在动态变化的情况下时，借助主蒸汽量的调节可以调控两者变化。

4 结语

综上所述，背压式的汽轮机组和有机朗肯循环的耦合热电联产系统如果处在低热负荷的情况下，能够较好地提升主蒸汽流量，并且保证多余排汽满足有机朗肯循环供电，以此来强化汽轮机组设备的整体运转效率以及发电量，能够借助进气量的调控满足热负荷以及电负荷调节。除此之外，有机朗肯循环主汽温度往往会被汽轮机组的排汽冷凝温度所影响，进而对热效率产生影响，分别予以改善实现有机朗肯循环的优化。尽管有机朗肯循环可能会令部分系统冷源流失，且燃料利用率也有可能会随着热负荷下降而逐渐降低，与原有工况相比，已经能够促成运转效率的明显提升，因此是具备较强应用价值的。