周剛,楊佐衛,李應超
(東方電氣集團東方汽輪機有限公司,四川 德陽,618000)
有機物朗肯循環(簡稱“ORC”)是以烷烴或制冷劑等有機物替代水作為工質的發電循環。ORC地熱發電、ORC 廢熱回收、燃氣輪機與ORC 模塊聯合循環發電等主要應用場景的市場潛力巨大,全世界裝機容量已超過4 GW,其熱力循環的技術可行性已經過市場驗證,但核心技術長期被ORMAT、Turboden 等國外生產商壟斷[1]。與此同時,國內愿意長期投入研發資源、由底層逐一突破關鍵核心技術的廠家較少,導致此技術尚未在國內產業化。目前已有的應用包括采用最大單機功率400 kW 螺桿膨脹機的ORC 模塊以及國外引進采用280 kW 徑流式膨脹機的ORC 模塊,單機功率過小,不適合兆瓦級大功率應用場合[2]。
鑒于此,公司在火電市場下行預期條件下,開展有機朗肯循環(ORC)發電技術研究,2019 年以某16 MW ORC 地熱發電廠作為設計實例,從系統級到設備級完成了全電廠的設計開發并向目標業主提資。
為了完成上述ORC 地熱發電廠的技術驗證,同時形成面向煙氣廢熱回收發電的ORC 發電產品,在“鋁合金徑流透平-永磁同步發電機-電磁軸承全封閉一體化結構”、有機工質換熱器、全系統變工況性能評估、全系統協同控制策略等關鍵核心技術攻關完成后,于廠內搭建315 kW 有機朗肯循環(ORC)試驗樣機。
ORC 循環(如試驗樣機)由透平、發電機、蒸發器等主設備構成,如圖1 所示,ORC 循環過程(溫熵圖)如圖2 所示。
圖1 試驗樣機總體方案
圖2 ORC 循環過程溫熵圖
液態有機工質(R245fa)通過工質泵升壓后進入預熱器,吸熱升溫后進入蒸發器,在蒸發器內吸熱并蒸發的有機工質從液態變為氣態,氣態工質進入透平,推動透平做功完成后進入空冷島冷凝為液態,再回到工質泵入口完成整個循環。
與圖1 和圖2 對應的ORC 循環熱力模型計算公式如下:
透平功率:
透平效率:
空冷島熱負荷:
工質泵耗功:
工質泵效率:
預熱器熱負荷:
蒸發器熱負荷:
熱源向ORC 循環提供的總熱負荷:
分配給預熱器和蒸發器的熱負荷:
由此可以求解工質質量,ms:
不考慮空冷島風機及其他輔助設備耗功,則有ORC 循環凈功率:
ORC 循環效率:
式中,Wt為透平輸出功率,kJ/s;hx為工質在循環各節點的實際焓值,x=1~5,kJ/kg;hx,is為工質在循環各節點的理想焓值,x=2、5,kJ/kg;ηt為透平總效率;ηp為工質泵效率;ms為有機工質質量流量,kg/s;mw為外部熱源質量流量,kg/s;Qc為工質側空冷島熱負荷,kJ/s;Qpre為工質側預熱器熱負荷,kJ/s;Qeva為工質側蒸發器熱負荷,kJ/s;Qw為熱源側總熱負荷,kJ/s;Qw1為熱源側預熱器熱負荷,kJ/s;Qw2為熱源側蒸發器熱負荷,kJ/s;hwin為熱源側進口焓值,kJ/kg;hwp為熱源側蒸發器出口焓值,kJ/kg;hwout為熱源側預熱器出口焓值,kJ/kg;Wnet為ORC 系統凈輸出功率,kW;Twin為熱源進口溫度,℃;Twout為熱源出口溫度,℃。
有機朗肯循環(ORC)適用范圍如圖3 所示,熱源溫度低于225 ℃,直至20 MW 或更大功率,ORC發電具有統治性優勢[5];當發電功率≤1 MW,熱源溫度直至300 ℃,ORC 發電仍然優勢顯著。
圖3 有機朗肯循環適用范圍
與蒸汽朗肯循環(SRC)的區別見表1。
表1 與蒸汽朗肯循環的對比
廠內315 kW ORC 試驗樣機由作為設計實例并向業主提資的16 MW ORC 地熱發電廠?;鴣?,三維布局如圖4 所示,冷端采用直接空冷,熱端采用蒸汽模擬煙氣作為熱源,其間采用中間閉式循環水系統傳遞熱量。
圖4 試驗樣機三維布置圖
試驗樣機設計參數:功率等級315 kW(設計工況發電凈功率≥250 kW),工質R245fa,熱源溫度設計點134 ℃、試驗范圍100~150 ℃,凈發電效率≥8%(無回熱)。
試驗系統布置如圖5 所示,其分為3 個子系統,從左到右依次為:(蒸汽)熱源子系統、中間閉式循環水子系統、ORC 循環子系統;前2 個子系統之間通過中間換熱器模擬煙氣換熱器傳遞熱量,管側為帶壓熱水、殼側為蒸汽冷凝;后2 個子系統之間通過蒸發器和預熱器傳遞熱量,管側為帶壓熱水,殼體為有機工質。試驗用的熱源蒸汽來自公司現有的蒸汽鍋爐,通過管道將其引入系統,蒸汽冷卻后的凝結水直接排污。
圖5 試驗系統布置圖
熱端變工況試驗熱源溫度(熱水溫度)100~145 ℃,冷端變工況冷源溫度(環境溫度)0~35℃。熱源變工況功率曲線如圖6 所示,冷源變工況功率曲線如圖7 所示,發電機功率和凈發電功率呈線性變化,凈發電效率5.5%~8.8%、滿足≥8%的設計要求。
圖6 熱源變工況功率曲線
圖7 冷源變工況功率曲線
本試驗樣機采用“鋁合金徑流透平-永磁同步發電機-電磁軸承”全封閉一體化結構,電機中置,葉輪懸于發電機兩端,采用電磁軸承支撐軸系。
由于徑流式透平葉輪與發電機置于同一殼體內,電機使用有機工質R245fa 冷卻,丟掉了軸端密封系統,實現了零泄漏;同時采用電磁軸承實現了ORC 發電模塊的無油化;發電機采用三瓣式結構,便于拆裝和檢修。
ORC 發電模塊的換熱器包括K 型釜式蒸發器、F 型預熱器、蒸發器與預熱器結構及接口如圖8、圖9 所示。
圖8 蒸發器結構及接口
圖9 預熱器結構及接口
本項目為公司首次涉足有機工質換熱器,均采用HTRI 軟件設計,蒸發器需保證有機工質核態沸騰,同時還需與預熱器相匹配,設計難度大。
本試驗樣機已完成發電試驗,某工況試驗數據記錄見表2。
表2 某工況試驗數據
ORC 產品效率統計[6]如圖10 所示,本試驗樣機最高凈發電效率8.8%,位于圖中回歸線附近,在不帶回熱器ORC 產品中位居前列、與國際先進產品性能相當。
圖10 ORC 產品效率統計圖
(1)突破了“鋁合金徑流透平-永磁同步發電機-電磁軸承全封閉一體化結構”、K 型釜式蒸發器/F 型預熱器、全系統變工況性能評估、全系統協同控制策略等關鍵核心技術。
(2)試驗樣機最高凈發電效率8.8%,在不帶回熱器ORC 產品中位居前列、與國際先進產品性能相當。
(3)公司已具備ORC 地熱發電廠、ORC 廢熱回收發電設備的自主設計能力。