胡中強

中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗研究院

0 前言

通常情況下，背壓式的汽輪機組屬于無冷源損失且熱效應(yīng)相對比較高、對于能量也能夠高效利用的一種熱電聯(lián)產(chǎn)模式，它可以較好地控制排汽并將其利用到供熱中，對于工業(yè)生產(chǎn)有非常廣泛的實際應(yīng)用。從整體上而言，因為背壓式的汽輪機組電負荷值可能會被熱負荷值所影響，其生產(chǎn)方式往往很難同時滿足熱負荷以及電負荷的共同要求，必須使用電網(wǎng)的性能來對電量差予以有效補償，全面提升電力系統(tǒng)備用容量。假如背壓式的汽輪機在運轉(zhuǎn)中發(fā)生偏離原有設(shè)計工況的問題，將對相對內(nèi)效率產(chǎn)生降低的影響，進而提升發(fā)電耗能，不過熱負荷降低或者是停止運轉(zhuǎn)時，汽輪機組設(shè)備的有效利用效率會顯著降低。在熱電廠支持的條件下，借助安裝后置低壓凝汽器在汽輪機組中的操作方式，能夠較好地令背壓式的汽輪機組排汽進入到低壓凝汽設(shè)備中，全面提升系統(tǒng)設(shè)備利用效率以及發(fā)電量。本文針對背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)展開分析。

1 背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

有機朗肯循環(huán)（即ORC）通常是融合低沸點工質(zhì)，其主要構(gòu)造包括蒸發(fā)器、泵、換熱器、汽輪機以及冷凝設(shè)備等，相對于蒸汽式的朗肯循環(huán)，其可以實現(xiàn)低于370℃熱源供給下的發(fā)電能力，熱經(jīng)濟效益相對比較高，而且相對來說大容量有機朗肯循環(huán)熱工轉(zhuǎn)換過程借助經(jīng)流汽輪機組實現(xiàn)，其熱效率相對偏高，而且一般情況下不會受到明顯的負荷波動影響，有機工質(zhì)借助干流體有效防止腐蝕汽輪機組葉片的作用，另外，該工質(zhì)膨脹也遠小于常規(guī)水蒸式，能夠在較大程度上縮減汽輪機組對于金屬的需求量。除此之外，有機朗肯循環(huán)還具備較為顯著的其他方面的優(yōu)勢特征，例如，在啟動以及停止運轉(zhuǎn)操作上相對比較便捷，而且對于負荷有較強的適應(yīng)性，維修起來成本不高。從目前的實際情況看，太陽能發(fā)電以及生物能發(fā)電等領(lǐng)域中均有較為廣泛的實際應(yīng)用，因為汽輪機組通過熱定電形式運轉(zhuǎn)，令其實際應(yīng)用期間很容易出現(xiàn)問題。由此，相關(guān)研究人員提出將背壓式的汽輪機組和有機朗肯循環(huán)耦合，借助熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)比較理想的機組熱效率，在控制了熱負荷之后可以盡快把多余排汽轉(zhuǎn)移給有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)循環(huán)性的發(fā)電，全面提升發(fā)電量基礎(chǔ)上，還能夠加強設(shè)備的利用效率。為能夠盡量提升系統(tǒng)熱效率，在本文中擇取有機工質(zhì)和優(yōu)化參數(shù)方式予以探究，旨在為相關(guān)從業(yè)人員奠定理論基礎(chǔ)。

通常而言，如果熱負荷偏低，背壓式的汽輪機組產(chǎn)生多余排氣量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)蒸發(fā)器予以有機工質(zhì)，實現(xiàn)有效冷凝，蒸汽與冷凝水借助疏水?dāng)U容器進入到低壓除氧設(shè)備中，進而取代汽輪機排汽，實現(xiàn)汽輪機組的內(nèi)部有效循環(huán)。借助背壓式汽輪機進汽量的提升，能夠提升汽輪機組相對內(nèi)效率，同時還能夠提高其發(fā)電量。除此之外，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)設(shè)備中，有機工質(zhì)借助排汽加熱形成較多蒸汽，并經(jīng)流汽輪機完成膨脹做功的過程，因為有機工質(zhì)干流體借助膨脹作用發(fā)生變化，如果直接進入冷凝設(shè)備，將會造成冷源損耗，進而縮減能源的有效利用率，所以，有機工質(zhì)必須要經(jīng)過回?zé)嵩O(shè)備，當(dāng)冷卻到40℃左右進入冷凝設(shè)備，使用泵加壓，借助預(yù)熱器、回?zé)崞骱驼舭l(fā)器完成加熱處理，全面提升循環(huán)熱效率，實現(xiàn)有效的有機朗肯循環(huán)。背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 背壓式汽輪機組與有機朗肯循環(huán)耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

2 有機朗肯循環(huán)熱力性能的相關(guān)研究

有機朗肯循環(huán)是否能夠形成比較高效的熱效率主要是受有機工質(zhì)熱物性的影響，擇取異丁烷（即R600a）、R123、R113以及R245fa作為研究對象，并借助Refprop8.0對熱力性質(zhì)予以分析，可以發(fā)現(xiàn)該四種有機工質(zhì)在臨界壓力值上比較接近，不過其中R113臨界溫度值最高。試驗期間，有機朗肯循環(huán)溫度處于150℃的情況下，觀察四種有機工質(zhì)熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量是否會被主汽壓力的變化所影響。就研究結(jié)果而言，主汽溫度以及循環(huán)冷端的參數(shù)設(shè)置基本處于固定的情況下，主汽壓力具備最佳值，能夠令有機朗肯循環(huán)熱效率和單位工質(zhì)凈發(fā)電量均滿足最大化需求，同時R113工質(zhì)在主汽壓力不斷提升的情況下，熱效率也會在較短時間中獲得較快提升，接近最大值；相對R113，R123以及R245fa均在實現(xiàn)最大值之后逐漸下降；R600a降低到150℃之后也會在較大概率上發(fā)生先增后減的問題。因為汽輪機進汽壓力一般會對有機朗肯循環(huán)熱效率產(chǎn)生影響，為了較好地提升熱效率，依照廣義既約梯度方法，針對主汽溫度100～250℃間主汽壓力予以有效優(yōu)化。典型有機朗肯循環(huán)熱力過程見圖2。

圖2 典型有機朗肯循環(huán)熱力過程

3 算例研究

針對背壓式汽輪機組和有機朗肯循環(huán)間耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量和形成的熱經(jīng)濟展開研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主汽壓力值在8.8 MPa、主汽溫度在530℃的情況下，熱耗能確保工況進氣量為240 t/h，汽輪機相對內(nèi)效率在80%以下，排汽壓力值以及溫度值分別在1.5 MPa以及320℃左右，在供氣量下降50%左右的情況下，背壓式的汽輪機組發(fā)電量將會降低到30%以下，相較之下，其內(nèi)效率可能會降低到75%以下，顯然這對汽輪機組電負荷以及熱經(jīng)濟性都會形成非常顯著的影響。針對在供熱量不同情況下的低熱度復(fù)合工況予以研究時，對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)電量上發(fā)生的變化予以有效觀察可以發(fā)現(xiàn)，有機朗肯循環(huán)提升后主汽溫度對熱效率提升產(chǎn)生了非常直接的影響。不過，因為受溫差所限制，其進汽溫度存在最高限度數(shù)值，水蒸氣位于有機朗肯循環(huán)換熱器中完成放熱過程中，盡管溫度在120℃左右，但蒸汽因超高溫逐漸冷凝成飽和蒸汽期間比焓值偏低，而且往往會擁有比較強的汽化潛能，可以認為，有機朗肯循環(huán)主汽溫度在受到冷凝作用期間會被其制約，擇取主汽溫度200℃，對四種有機工質(zhì)完成熱力參數(shù)上的有效優(yōu)化。

當(dāng)背壓式汽輪機組進汽量在250 t/h的情況下采取R113工質(zhì)，此時熱效率最高，與R600a相比，凈發(fā)電量提升10%左右，供氣量在80 t/h情況下，多余排汽均能夠較好驅(qū)動有機朗肯循環(huán)提升發(fā)電量。假如不考慮熱負荷，有機朗肯循環(huán)將會有效實現(xiàn)機組容量擴容，這種聯(lián)產(chǎn)對于電量需求較為穩(wěn)定的區(qū)域而言非常關(guān)鍵，有機朗肯循環(huán)借助背壓式汽輪機組完成排汽發(fā)電，令冷源發(fā)生一定程度上的流失，研究中通常保持進汽量不變，供熱量和有機朗肯循環(huán)的用氣量則呈現(xiàn)反比，供熱量下降，燃料利用系數(shù)自然也會呈現(xiàn)降低的趨勢。但是從熱力學(xué)角度入手進行研究，熱低峰值時提升系統(tǒng)發(fā)電量，可以提升系統(tǒng)變負荷性能，強化可靠性能，另外還能夠更好地適應(yīng)機組負荷變化。因此，可以依照實際運轉(zhuǎn)期間負荷特征和周邊用電情況等靈活應(yīng)用有機朗肯循環(huán)，滿足機組的擴容需求以及電負荷的調(diào)控目的。在機組運行中，企業(yè)也可以擇取有機朗肯循環(huán)在350℃以下條件中發(fā)電，背壓式汽輪機組供熱量最大，其余熱量也處于最高峰值，余熱予以有效利用，應(yīng)用到有機朗肯循環(huán)并聯(lián)運行中，企業(yè)依照自身生產(chǎn)需求擇取有機朗肯循環(huán)予以優(yōu)化即可。在供熱量固定的情況下，提升背壓式汽輪機組主蒸汽流量，可能會提升有機朗肯循環(huán)開發(fā)量，電負荷調(diào)控也可以借助主汽流量的調(diào)整完成；在發(fā)電量固定的情況下，背壓式汽輪機主汽量則主要伴隨供熱量提升而不斷提升，進而有效實現(xiàn)熱負荷的相關(guān)需求，有機朗肯循環(huán)借助調(diào)整汽量保持系統(tǒng)整體發(fā)電量的穩(wěn)定。除此之外，用電量以及供熱量均處在動態(tài)變化的情況下時，借助主蒸汽量的調(diào)節(jié)可以調(diào)控兩者變化。

4 結(jié)語

綜上所述，背壓式的汽輪機組和有機朗肯循環(huán)的耦合熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)如果處在低熱負荷的情況下，能夠較好地提升主蒸汽流量，并且保證多余排汽滿足有機朗肯循環(huán)供電，以此來強化汽輪機組設(shè)備的整體運轉(zhuǎn)效率以及發(fā)電量，能夠借助進氣量的調(diào)控滿足熱負荷以及電負荷調(diào)節(jié)。除此之外，有機朗肯循環(huán)主汽溫度往往會被汽輪機組的排汽冷凝溫度所影響，進而對熱效率產(chǎn)生影響，分別予以改善實現(xiàn)有機朗肯循環(huán)的優(yōu)化。盡管有機朗肯循環(huán)可能會令部分系統(tǒng)冷源流失，且燃料利用率也有可能會隨著熱負荷下降而逐漸降低，與原有工況相比，已經(jīng)能夠促成運轉(zhuǎn)效率的明顯提升，因此是具備較強應(yīng)用價值的。