ORC低温发电系统试验站设计及优化

苗宇欣

（丹东克隆集团有限责任公司，辽宁丹东 118000）

0.引言

随着全球气温不断升高，自然灾害愈发频繁，降碳减排刻不容缓，我国力争2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和，为加速实现这一目标，国家大力倡导能源梯级利用、循环利用和能源资源综合利用。对于企业来说，节能即意味着减少浪费、节约成本。近年来，随着企业加工技术及工艺水平的不断提升，生产效率及环保标准要求的提高，整体能源利用率得到了极大的提升。高品位能量浪费情况已经很少，但是仍然有很大部分的低品位余热，如生产工艺末端废气、废水、热液等无法回收利用，且这部分余热数量巨大。

对此，部分低温热能的利用技术不仅能够提升诸如石油、天然气、煤炭等一次能源的利用效率，还可用于对太阳能、地热能等可再生新能源开发[1]。现阶段ORC低温发电技术已成为低温能质转化技术流。本文以此项技术为基础，设计一整套ORC低温余热发电试验设备，并对设备试验运行过程中各因素对能量转化过程和转化效率的影响进行分析，进一步优化系统部件匹配，及各关键点工质参数的选择及控制，从而提升系统整体稳定性及能量转化效率。

1 ORC低温发电系统描述

ORC低温余热发电为典型的能质转化过程。

ORC全称为有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）。ORC低温余热发电系统基于理想朗肯循环[2]，利用有机工质低沸点的物理性质，将低温余热转化为机械能，再经由发电机转化为电能。系统采用热流体与有机工质进行换热，再将有机工质引入螺杆膨胀机进行能量回收，含热废水（气）在经过一定的去杂质处理后，进入蒸发器加热有机工质，使有机工质温度升高生成饱和或者过热蒸气，进入螺杆膨胀机做功驱动发电机发电。做功后的工质从螺杆膨胀机排出进入冷凝器[3]，蒸气冷凝后经工质循环泵加压进入蒸发器完成循环。

工质具体工作过程如图1所示。

图1 有机朗肯循环T-s图

图中，红色线段和蓝色线段分别为热源和冷源的变化过程；过程“1s-2s-3s-4s-5s-6s”为理想有机朗肯循环；过程“1s-2s-3s-4s-5s-6s-1s”为考虑了不可逆因素引起熵增的理论有机朗肯循环[4]。与传统的水蒸汽朗肯循环不同，有机朗肯循环采用低沸点的有机物作为工质，工质通过蒸发器与低温热能换热（过程“2s-3s-4s-5s”）变为高温高压的有机工质蒸气；高温高压的工质蒸气进入螺杆动力机绝热膨胀做功（过程“5s-6s”），动力机将膨胀功转化为机械功，带动发电机发电；膨胀完成后的低压工质蒸气进入冷凝器，在冷凝器内被冷源冷却至液态（过程“6s-1s”）；液态工质由工质泵绝热增压（过程“1s-2s”），注入到蒸发器内，完成一个典型的有机朗肯循环。

2.ORC低温发电系统试验站设计

在公司现有螺杆动力机热态试验站的基础上，建立ORC低温余热发电系统试验站。现有余热锅炉蒸汽作为低温热源，采用蒸发式冷凝器作为膨胀做功后有机工质的冷凝器。试验系统采用集成化设计，进行远程自动化控制调节，同时自动执行运行参数的实时记录，有故障自动报警。

2.1 ORC低温发电系统设计运行参数

2.1.1 热源条件及公用工程参数（见表1）

表1 热源条件及公用工程参数

2.1.2 ORC低温发电系统机组设计参数（见表2）

表2 ORC低温余热发电机组设计参数

2.2 ORC低温发电系统试验站主要设备及规格

ORC低温发电系统试验站主要由一次换热设备、螺杆动力机发电机组、工质冷凝设备、工质循环设备、运行控制系统及运行数据检测仪表等组成。

2.2.1 有机工质

工质的合理选择对双循环发电系统的工作状况、循环效率和不可逆损失等都有重要影响[5]。本试验系统采用天津大学自主研发的混合制冷剂，既满足低温余热能量高效萃取需求，有具备不燃、不爆、无毒等特性，工质价格相当于ORC循环系统普遍选用的R245fa的50%～60%，且在低温工况下循环效率更高。

2.2.2 热源

实验汽源由厂内现有热态试验站蒸汽锅炉提供如表3所示。

表3 余热锅炉参数

锅炉受设备老化，燃料品质影响，未能长期保持额定出力。试验过程中，要求锅炉降压运行，蒸汽压力0.2MPa（g）～0.4MPa（g），蒸汽量2t/h～4t/h。经试验系统缓冲罐进行汽水分离，控制进入试验站系统的为压力0.2MPa（g），流量相对稳定连续饱和蒸汽。以便对进入系统总热量进行核算。

2.2.3 一次换热设备

一次换热设备用于实现蒸汽热源与有机工质之间的热交换，对热源能量进行萃取，换热产生高压有机工质蒸汽用于推动工质做功。ORC低温发电系统设计为跨临界低温发电系统[6]，工质经蒸发后为微过热状态，项目采用两级换热形式，预热器及蒸发器分别采用焊接板式换热器，换热效率高，体积小，结构紧凑。换热器参数如表4所示。

表4 换热器参数

2.2.4 ORC发电机组

ORC低温余热发电系统 “热能—机械能”能量转换的核心设备采用双螺杆膨胀机，在T-s图中对应过程：5s-6s。有文献[7]显示，螺杆膨胀机在气液两相的膨胀中，绝热效率可达70%以上。机组具有固定的内容积比，其内压力比随膨胀气体性质的不同而不同[8]，对工质参数变化不敏感。试验用设备主要部件为我公司自主设计制造，配套专用机械密封，有效防止工质泄露。

配套螺杆机型号：ORC255/1.65-F，设计转速3000r/min，输出功率240kW。

发电机采用三相同步发电机，ORC低温余热发电系统实验站所输出的电能通过准同期并网的方式被输送到实验系统所在地的电网。发电机型号：250kW-400V。

2.2.5 工质冷凝设备

工质冷凝设备保证ORC螺杆动力机做功后有机工质乏汽能够及时冷凝，为机组提供较低的排汽背压，同时为工质泵提供充足的工质液体。试验站采用蒸发式冷凝器作为系统工质冷凝设备，换热面积大，设备压力损失低，同时节约水资源，尤其适用于温度较低的北方地区。蒸发式冷凝器参数如表5所示。

表5 蒸发式冷凝器参数

2.2.6 工质循环设备

冷凝后工质进入系统储液罐，容积约1.5m3，用于储存工质，同时为工质泵提供必要的装置汽蚀余量。由于ORC低温发电系统使用工质多为制冷剂，具有沸点低、气化潜热小、蒸发温度低等特点[6]，导致工质泵极易出现气蚀。同时，因多数有机工质价格昂贵，对工质泵密封要求很高，试验系统选用无泄漏的磁力泵。工质泵参数表如表6所示。

表6 工质泵参数表

2.3 ORC低温发电系统试验站PID图

ORC低温发电系统试验站流程图（PID）如图2所示。

图2 ORC低温发电系统试验站流程图（PID）

3.试验运行情况

3.1 运行参数对比偏离情况

通过ORC低温发电系统试验站的运行，设备实现并网发电。但运行过程中发现机组参数与设计数据存在一定偏离，各典型工况下关键数据如表7所示。

3.2 系统现有问题及分析

3.2.1 螺杆动力机工质入口压力偏低

试验过程中，根据测量数据，螺杆动力机入口工质压力与工质泵出口处压力分别相差0.06MPa，0.10MPa，0.29MPa，且随着工质压力的提升，压损逐渐增大。因螺杆动力机主要依靠工质压差做功，过大的压力损失是必造成能量的浪费。

分析：工质换热器为板式结构，设备自身压损大，且随工质流量增加而增加，此处为主要损失。另一方面，对于工质管路设计，有机工质气态经济流速15m/s～20m/s，管路直径较小，实际“并网2”工况下流速已达35.6m/s，管路沿程损失增加。且换热器工质进口位置偏差过大，接口间弯头，变径等管件过多，局部沿程损失大。

3.2.2 预热器内工质气化，工质易过热

开机阶段工质流量较小或进口蒸汽温度过高时，预热器内易出现工质气化，直接导致系统工况恶化，无法运行。

分析：预热器、蒸发器选用焊接板式结构，换热面积大、换热系数高。而试验站热源工质为蒸汽，在换热器内为相变换热，工质吸收汽化潜热能量巨大。而预热器、蒸发器自身存储工质量较小，蒸汽量稍有增加即可导致，换热器内工质全部气化，而蒸汽管路配套为闸阀调节性差，无法准确控制热源流量。且工质泵出口至预热器间无单向阀，一旦气化发生直接影响工质泵运行，使工况进一步恶化。

3.2.3 工质泵流量扬程无法达到设计要求

在工质泵转速及功率的提升过程中，易发生汽蚀。使工质流量及压力无法达到设计参数。

分析：工质储液罐容积过小，仅为1.5m3，而设计工况下工质泵额定流量71.5m3/h，有效液位时，储液罐工质抽空时间仅为约70s。工质压力及流量不足，易导致机组进汽压力下降，致使工质排汽压力降低，乏汽冷凝压力降低，工质泵入口压力低，因有机工质具有低沸点特性，低压下极易气化，致使工质泵发生汽蚀，无法正常运行。

3.2.4 工质冷凝温度高

后期运行过程中，工质冷凝温度逐渐升高，过冷度降低，致使工质泵发生汽蚀。

分析：蒸发冷内循环水量较少，且开机及低功率阶段工质冷凝压力低、冷凝温度低。冬季室外温度<0℃，蒸发冷低温运行，结冰导致进风口面积减小，部分喷嘴冻结，冷却效果变差无法满足工质冷却要求。

4 系统优化方案及预期效果

4.1 工质参数控制点

由于双螺杆膨胀机为容积型设备，为固定数值膨胀比。而系统内工质参数主要受冷热源条件影响，因此要求机组有很好的自调节能力，能够根据不同季节温度变化调节运行参数。同时，要求工质泵及冷凝设备有较大的设计余量。

参数控制点：

（1）热源温度及流量：控制热源温度及流量，使其热量转换与工质流量相匹配，在保证系统平稳运行条件下实现能量充份回收。

（2）工质泵流量及扬程：控制工质泵流量，使其能够充分进行热量转换，保持换热后工质为大流量、微过热状态，避免流量不足导致过热。提升工质泵出口工质压力，增加螺杆机进、排汽压差，提升排汽压力，减小冷凝设备负担。

（3）控制冷凝温度：注意环境温度或冷源条件变化对工质冷凝参数的影响，考虑换热器5℃～7℃的换热端差，冷凝液过冷度选择合适区间，保留一定换热余量，适当提升冷凝压力。既要保证工质泵正常工作，又要使工质蒸发器不能有过大负荷，以保证系统整体效率。

4.2 系统设计及配置优化

4.2.1 ORC低温发电系统试验站运行试验的问题优化

（1）设备配置优化。针对现阶段热源情况（蒸汽），优化一次换热设备配置。现有板式换热器虽然具有换热系数高，整体外形尺寸小的特点，但同样不利于系统集成，连接管路长管件多沿程损失大，管段间易储存工质，不利于工质抽空。而换热器内工质储存少，高能热源条件下，易发生工质过热，不利于蒸发过程控制。改进后采用“管壳式预热器+满液式蒸发器”模式，并添加换热器内液位显示。设计合理的换热器端差，余热流体出口温度To应高于工质出口温度T1即工质蒸发温度，设定Δto≥5℃[9]。为保证工质充分蒸发，同时换热设备采用多流程设计，以减少设备换热面积。

（2）冷凝设备运行优化。对现有蒸发冷，增加喷淋水循环量，适当降低喷淋水温，同时注意冬季运行时机组防冻，避免喷嘴冻坏、冰堵及进风百叶结冰影响空气流通换热。提升设备冷却能力，确保凝结工质有一定过冷度，避免在工质泵处气化发生汽蚀。

（3）增加工质泵吸入口处储液罐储液容积，适当提高工质液位，提升装置汽蚀余量，避免工质泵运行中因工质不足抽空。工质泵作为关键设备，改进后采用一用一备形式。

（4）优化系统集成设计。减少管路总体长度及使用管件数量，根据不同阶段工质特性及经济流速要求核算管径，有效降低不必要的管路损失。同时，改善通流特性，避免低点流通四点，减少存液管段，减少抽液孔。系统低位设置观察视镜，判断系统内润滑油泄漏情况，及时放油。增加机组并联旁路，提升工质循环稳定性。

（5）阀门、仪表设置。增加储液罐、蒸发器、预热器等关键设备的液位显示，及时判断系统内工质状态，便于对运行参数的调节及相关故障的处理；提升部分位置温度测量准确性，建议测量管道下侧，应用护套管形式，防止泄漏。工质泵进口增加压力变送器和温度传感器，可以有效的判断液体的过冷度，泵出口加装止回阀，防止预热器过热蒸汽反流，同时增加系统稳定性。热源进口采用调节特性更佳的线性调节阀，提升对热源的控制能力。

4.2.2 优化后流程示意图

优化后ORC低温发电系统试验站流程图（PID）如图3所示。

图3 优化后ORC低温发电系统试验站流程图（PID）

5 结论

通过厂内ORC低温发电系统试验站的运行，对我公司低温热电转化设备的性能有了一个整体验证。根据试验结果，对ORC低温发电机组工质运行参数调整，保证机组维持在最佳运行参数范围内；根据热源及工质运行要求，合理匹配部件设备；优化试验站管线及系统设计。根据计算所得效率，ORC低温发电机组在低品位能量回收领域存在巨大的潜力。

对现有ORC低温发电系统试验站，针对上述问题进行优化改造，也为ORC低温发电机组早日走向市场提供设计依据和实验基础。