向心透平有機工質朗肯循環發電設備設計

朱 弢，李 健，鄭洪財

(南京天加熱能技術有限公司，江蘇 南京 210037)

0 引言

我國經濟取得了舉世矚目的成就，但經濟騰飛的同時也帶來了高能耗和環境污染。面對能源、環保的雙重壓力，“十三五規劃綱要”提出[1]“著力提升能源普遍服務水平，全面推進能源生產和消費革命，努力構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系”的指導思想，要求在提高化石能源利用率的同時，推進綠色低碳再生能源的利用和分布式發電的發展。

我國是火力發電大國。火力發電主要使用以煤為代表的化石能源，能耗量高、污染較大。為解決此問題，目前國內外都在嘗試利用地熱能、太陽能、風能、生物質能等高效、清潔的新能源，替代傳統化石能源進行分布式發電[2-3]。這一趨勢已成為國際能源發展的新一輪調整目標之一。

有機工質朗肯循環(organic Rankine cycle，ORC)發電是一種利用低品位(300 ℃以下)可再生能源作分布式發電的技術，具有消耗燃料少、污染小、安全可靠、投資回報率高等優點。該技術在能源危機的國際形勢下，越來越得到重視。但最新研究成果主要集中在美、以、意、日等發達國家。我國近年發展勢頭迅猛，有部分的研究成果輸出和項目落地[4-6]。

本文介紹了使用向心透平所設計的中等功率(300 kW)有機工質朗肯循環發電設備。

1 系統設計

本文研究內容涵蓋了有機工質朗肯循環的熱源選擇、目標定位、膨脹機、工質選擇、總體結構設計和控制方案等。

1.1 目標熱源

中國地熱總量占世界總量7.9%[7]，主要為中低溫熱水。根據國土資源部地質調查局2015年調查結果，全國336個地級以上城市淺層地熱能年可開采資源量折合7億噸標準煤，水熱型地熱能年可開采資源量折合19億噸標準煤[8]，具有龐大的低溫地熱資源開發潛力和市場價值。在工業余、廢熱方面，我國的煉鋼、化工、水泥、燃氣輪機等行業有大量的低品位(90～200 ℃)廢煙氣或蒸汽排放，將其合理回收并用于發電，既可提高能源的綜合利用率，又能帶來經濟效益。綜合考慮，本文以溫度為90～150 ℃的地熱、工業余熱作為目標熱源。

1.2 目標發電量

國家電網公司對分布式能源的接入電壓等級推薦如下：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]。為方便用戶自發自用、余電上網，在兩種電壓等級同時滿足接入條件時優先采用低電壓等級接入[10]。本文采用異步式發電機，以電壓380 V、總發電功率300 kW作為設計目標，且允許短時間內超載10%。

1.3 膨脹機

膨脹機是有機工質朗肯循環發電設備的關鍵部件，常見的有容積式和速度式。容積式有渦旋、螺桿等形式，一般適用于小流量的中小型系統[11]；速度式有向心透平、軸流透平、混流透平等，依靠工質流體在流經噴嘴時所產生的高流速推動膨脹機動葉片旋轉產生機械能[12]，更適用于300 kW的中等功率場合。與螺桿膨脹機相比，向心透平膨脹機具有系統簡單、故障率低的優點，且等熵膨脹效率可達85%～90%。

考慮地熱項目需要機組室外運行，發電機與透平機的機械連接需要設計為IP68的高防護等級。異步發電機轉子與透平機通過齒輪傳動。發電機定、轉子，齒輪，軸承等機械部件全部位于同一殼體內。

1.4 有機工質選擇

常用的有機工質有R245fa、R600、R600a、R134a、R123等。本文結合目標熱源及工質的蒸發/冷凝壓力、環境友好性、與潤滑油的兼容性等特點，選擇R245fa作為研究工質。R245fa的化學式為CF3CH2CHF2，蒸發溫度為14.9 ℃，臨界溫度為154 ℃，臨界壓力為3.64 MPa，全球變暖潛能值為1 030[13]。

1.5 系統結構

蒸發器的設計需先選定換熱器的類型，如管式換熱器或板式換熱器等。冷凝器的設計需先在水冷或空冷兩種方式中選擇。本設計中，考慮到設備體積小、結構緊湊的要求，所以選擇換熱面積小、傳熱系數好的水冷式冷凝器。工質泵采用多級離心泵，配有變頻器，以適應變工況場合下的轉速調整。本文的主要設備及其參數如表1所示。

表1 主要設備及其參數列表

2 控制系統

本設計以西門子S7-1200 PLC作為控制器，數字量擴展模塊選用SM1223，模擬量擴展模塊選用SM1231。控制硬件包括熱源調節閥門、透平閥門、工質泵、油加熱器、油泵等。主要傳感器包括：蒸發器、冷凝器的溫度、壓力、液位傳感器，工質泵的出口壓力傳感器，發電機轉速傳感器，多功能電力儀表。考慮到應盡量減小異步發電機以電動機形式啟動時給電網帶來的沖擊，本文使用具有驅動和發電雙向功能的軟啟動器來驅動異步發電機，并利用該軟啟動器對有機工質朗肯循環發電設備的發電質量進行實時監控，確保電壓、電流、頻率等數據在標準范圍內。控制系統主要儀表及其參數如表2所示。

表2 主要儀表及其參數列表

2.1 控制邏輯

有機工質朗肯循環發電設備按其運行的主要階段，劃分為待機、預熱、發電、關機四個步驟。控制邏輯流程如圖1所示。

圖1 控制邏輯流程圖

設備通電后即進入待機狀態，開始對潤滑油進行加熱和攪拌，同時等待開機啟動命令。

當設備接收到啟動命令后，首先判斷潤滑油是否已經加熱至目標溫度(60 ℃)，然后檢查壓縮空氣、冷卻水循環、急停報警等機組運行的必要條件是否滿足。如果條件未滿足，則提示操作者并繼續等待直至滿足；如果條件全部滿足，則設備進入預熱過程，同時打開熱源閥門開始換熱。此過程以在設備內建立具有一定壓差的熱力循環系統為目標，為后續的發電過程創造必要條件。工質泵在此階段開始運行，并為工質的內部循環提供動力。

一旦熱力系統壓差達到設定目標值，機組會在潤滑透平軸承一段時間后以電機形式啟動發電機，待發電機到達額定轉速后打開透平閥門，使高壓有機工質蒸汽進入透平腔，拖動向心透平旋轉，驅動發電機進入發電模式。

如果設備在運行過程中發生故障或人為停機，機組會立即切斷熱源閥門并同時停止并解列發電機。機組解列邏輯如圖2所示。機組解列后，自動控制內部熱力系統冷卻、降壓后再次重新進入待機狀態，等待下一次啟動命令。

圖2 解列邏輯示意圖

2.2 控制算法

2.2.1 熱源閥門開度計算

有機工質朗肯循環發電設備的發電量大小主要取決于進入機組的熱源熱量，所以控制算法的重點是熱源閥門開度的控制，使實際發電量與目標發電量相一致。當實際發電量小于目標發電量時，增大熱源閥門開度；反之,則減小熱源閥門開度。同時，應考慮蒸發器和冷凝器的壓力保護，防止在提高實際發電量的過程中造成蒸發器或冷凝器的壓力過高。壓力容器的實際壓力值也應代入PID計算，并在壓力偏高時自動減小閥門開度，以緩解壓力持續升高的趨勢。為保證實際熱源閥門開度與計算量的對應關系，需要在輸出模擬量信號之前把計算得到的線性曲線轉換為閥門特性曲線。

有機工質朗肯循環發電設備的PID控制示意圖如圖3所示。

圖3 PID控制示意圖

2.2.2 功率因數補償

GB/T 33593-2017標準要求異步發電機類型分布式電源通過380 V電壓等級并網時，并網點功率因數應在0.98(超前)～0.98(滯后)范圍內可調節[14]。

設發電量范圍為100～300 kW，功率因數為0.90。通過式(1)和式(2)計算，得到設備的視在功率范圍為111.1～333.3 kV·A，無功功率范圍為48.4～145.3 kVar。

有功功率為：

P=ScosΦ

(1)

無功功率為：

Q=SsinΦ

(2)

式中：S為視在功率；P為有功功率；Q為無功功率；∠Φ為功率因數角[15]。

由于工業余熱和地熱作為熱源都存在波動，所以發電量也會發生變化，需要選擇多組功率因數補償裝置作動態補償。本設計通過計算，選擇一個50 kV的功率補償器作為最低發電功率時的靜態功率補償，再按發電量每增加70 kW投入一組30 kV的動態補償，可保證ORC發電設備在總發電量范圍為100～330 kW的功率因數，始終滿足0.98(超前)～0.98(滯后)的要求。

3 測試

3.1 測試平臺簡介

本文的測試平臺由熱水(蒸汽)循環裝置、冷卻水循環裝置、電力裝置三部分構成，如圖4所示。平臺配合向心透平有機朗肯循環發電設備發電，驗證控制邏輯和算法，測算實際發電量。熱水循環裝置包括變頻熱水泵、溫度計、壓力表、質量流量計等，熱源來自工廠余熱，作用是為設備的蒸發器提供目標流量下的熱源。冷卻水循環裝置包括冷水泵、冷卻風扇、溫度計和渦街流量計等，向冷凝器提供目標溫度、流量的冷卻水。電力裝置連接380 V電源，接入點和接入方式需提前到當地供電局申報并備案。該部分包括斷路器、多功能雙向計量電表等。

圖4 測試平臺示意圖

3.2 測試情況

測試前，需對設備通電，在等待潤滑油預熱升溫至目標溫度的同時，檢查壓縮空氣、冷卻水、熱源等啟動條件。潤滑油加熱完畢后，設定冷卻水的目標溫度、流量并在設備的冷凝器中建立冷卻水循環。隨后開始測試。測試分為控制邏輯測試和算法驗證兩部分。

測試設備控制邏輯的目的是確認機組的啟動、停止、保護等功能都及時、有效，且設備可以在發生緊急停止等異常狀況時及時自動關閉，不會影響壓力容器、電網，造成潛在危險。

測試的第二步是驗證設備熱源閥門的PID控制算法和優化PID參數。閥門控制的算法必須在熱源發生波動而影響發電量時，及時作出適當的調整，以維持機組的長期穩定運行。如果調整速度過快或過慢，都有可能引起發電量超限等故障而導致關機。通過試驗和參數優化，設備可以在熱源波動的情況下，基本穩定實際發電量。熱源閥門的PID調節效果如圖5所示。當目標發電量設置為220 kW時，即使熱源有較大幅度波動(10 ℃)，實際發電量仍然比較穩定。

圖5 熱源閥門的PID調節效果

4 結束語

本文設計了向心透平有機工質朗肯循環發電設備。該設備以低溫工業余熱和低溫地熱作為目標熱源，可以利用低溫熱源發電，具備300 kW的總發電能力，凈發電量約280 kW。其PID算法可根據實際熱源變化情況自動調節熱源進量，從而穩定實際發電量。試驗所得數據證明，該設備可對80～150 ℃的中低溫余熱進行回收，電能轉化效率約為10%，具有很高的市場價值。