剩余高溫熱水ORC異步發電機在企業中應用

朱立照

1.HSRT 發電機說明

1.1 機組銘牌

HSRT 發電機銘牌內容主要包括機組型號、發電量及設計等級等，機組銘牌位于機組渦輪機電機的下方支架處。

1.2 系統原理

發電機組運行采用有機朗肯循環(ORC)的熱力學原理（見圖1）。

圖1 HSRT 發電機組循環示意圖

1）熱源進入蒸發器，加熱工質R245fa，使其蒸發；

2）高壓的熱工質蒸汽驅動渦輪發電機運轉產生電能；

3）從渦輪發電機出來的乏汽經冷凝器冷卻和凝結成液態工質；

4）液態工質經工質泵，增壓后送回蒸發器，重復循環。

1.3 機組組成

HSRT 發電機組主要由渦輪機、蒸發式冷凝器、儲液罐、工質泵、過熱器、蒸發器、預熱器、PLC 柜、并網柜等組成。（見圖2）

1.3.1 渦輪機

HSRT 渦輪發電機其基本原理是利用噴嘴和葉輪將高溫高壓氣體轉化為高速流體，然后再將高速流體的動能轉化為旋轉機械的軸功，最后由機械能轉換成電能，渦輪采用特殊材質制成，耐腐蝕性好，具有足夠的強度確保高速旋轉。渦輪的設計及氣動性能計算均采用國際上最先進的技術設計，使其具有優良的流體力學性能，油潤滑冷卻系統及壓力、溫度、速度監控系統均集成在渦輪發電機內。

圖2 典型HSRT 系列發電機組

1.3.2 蒸發式冷凝器

蒸發式冷凝器的實質是水冷式冷凝器和冷卻塔組合在一起的換熱設備，它利用空氣強制流過水膜表面，在水膜表面飽和水蒸汽和濕空氣中水蒸汽分壓差的推動下，依靠水膜蒸發將工質凝結時釋放的熱量帶走。此外，由于蒸發式冷凝器是將水冷冷凝器和冷卻塔的換熱溫差合二為一，消除了二者之間的損失，因此該系統與冷卻塔的水冷式冷凝器相比：傳熱效果好，冷凝溫度低，省掉了冷卻水系統，系統簡化。

1.3.3 儲液罐

蒸發式冷凝器將渦輪機排氣冷凝為液體，然后流入儲液罐。儲液罐的作用是儲存低壓飽和液態工質，使得工況波動時仍有液體供應，同時為工質泵提供一定的入口壓頭，防止“氣穴”儲液罐配有液位計。

1.3.4 工質泵

工質泵將儲液罐中的液態工質輸送至預熱器。機組運行期間，工質泵連續工作，并隨工況進行變頻調節，使發電機組始終保持最大發電量狀態運行。

1.3.5 預熱器

預熱器為管殼式換熱器，殼程走液態工質，管程走熱源介質，預熱器作用是將液態工質加熱，使其達到飽和狀態時進入蒸發器。

預熱器為壓力容器，其設計、制造、檢驗、驗收均符合《壓力容器安全技術監察規程》的規定。

1.3.6 蒸發器

蒸發器為臥式殼管式換熱器，采用傳熱性能優良的高效蒸發管，管束的長度方向由支撐板支撐，液蒸發器作用是將液態飽和工質加熱使其變為氣態飽和工質并進入過熱器。

蒸發器為壓力容器，其設計、制造、檢驗、驗收均符合《壓力容器安全技術監察規程》的規定。

1.3.7 過熱器

過熱器為殼管式換熱器，內裝有傳熱性能優良的高效換熱管，其作用是將氣態飽和工質進行加熱，使其變成過熱氣態，避免進入渦輪發電機的工質中含有液滴。

1.3.8 氣動調節閥

機組進氣閥、排氣閥、熱氣旁通閥、水路進口閥、水路出口閥、水路旁通閥均選用氣動調節閥。

氣動調節閥由氣缸帶動閥板動作，實現快速開停機、調節發電量等目的，其開啟及關閉由微電腦控制系統控制。

氣動閥使用干燥、潔凈的高壓氣體作動力，不可含水、雜質等。濕空氣進入氣缸，會產生腐蝕，使得氣缸漏氣、活塞銹死、氣動閥失效。

1.3.9 油泵

油泵由電動機驅動齒輪泵，為系統提供高壓潤滑油。油泵排出油壓穩定、脈沖小。油泵出口配備旁通管路，可以調節供油壓力。長期停機，要保證油加熱開啟，油位處于正常范圍內，機組運轉前，點動油泵檢測油壓差是否處于正常范圍內。

1.3.10 儲油罐

儲油罐的作用是儲存潤滑油，為油泵提供一定入口壓頭，保證油路正常循環。

1.3.11 PLC 柜

低溫余熱發電機組采用微電腦控制系統，確保機組安全可靠運行。并使低溫發電機組輸出的電能，其頻率、電壓、輸出功率和功率因數滿足用戶要求。

PZJ-DK 控制系統可以實時檢測發電機轉速、輸出電能的頻率、輸出功率和功率因數，通過機組控制柜和并網柜一起協作控制相關設備，得到符合要求的高質量電能。

1.3.12 并網柜

低溫余熱發電機組所用并網柜主要用于控制發電機的并網、解列，給發電機勵磁，發電機電壓、電流、頻率、功率、功率因數等參數的監視和保護。向PLC 柜反饋并網柜運行信號、并網柜故障信號、并網柜功率反饋信號，接受PLC 柜發出的并網柜啟停控制信號。

2、異步發電機工作原理

電機運行時可逆的，異步電機既可以作電動機運行，又可以作發電機運行。

當異步電機定子繞組接到三相交流電源后，三相電流通過定子繞組在氣隙中產生一個以同步轉速旋轉的磁場。轉子導條切割旋轉磁場，在導條中產生感應電勢和感應電流，感應電流與磁場作用產生電磁轉矩。當轉子轉速小于同步轉速時，磁場相對于轉子的旋轉方向與磁場的旋轉方向相同，電磁轉矩方向與磁場旋轉方向一致，電動機處于電動狀態。

當轉子轉速大于同步轉速時，磁場相對于轉子的旋轉方向與磁場的旋轉方向相反，轉子導條中的感應電勢、感應電流方向均發生改變，電磁轉矩的方向與轉子轉向相反，為制動轉矩。要保持轉動，就必須由原動機拖動，輸入機械功率。電動機將軸上的機械能轉變為電能， 通過電源線向電網輸送能量。

2.1、異步發電機并網原理

異步發電機接入電網極為簡單，只要將轉子拖到接近同步轉速，并且轉向和定子磁場旋轉方向一致即可并入電網。

電動機處于發電狀態并網發電時，相對異步發電機的容量，電網容量可認為無窮大，因此定子繞組的電勢和頻率就自動跟隨電網，異步發電機定子繞組的電勢和頻率就取決于電網的電壓和頻率。對比同步發電機，異步電機無需電壓矯正裝置，且不像同步發電機需要同電壓同相位的并網投入裝置，也不會因同期問題對電網造成大的沖擊。

電機向電網輸送有功功率，需要從電網吸收無功功率進行勵磁，電機出線端短路時，電機失去勵磁，短路電流將很快衰減，不會有一個持續的短路電流。

2.2、異步發電機使用注意事項

2.2.1、相序確認

異步發電機并網前只需保證發電機產生的相序與電網一致，即必須確認拖動發電機的旋轉方向與電動機運行時的旋轉方向一致，因此并網前，需要在以電動機形式啟動以確認電機轉向。

2.2.2、無功補償

異步發電機并網運行時，需從電網吸收滯后的無功功率以產生旋轉磁場。數臺異步發電機同時運行時，勢必會影響電網的功率因數，使電網無功不足。因此，如果工廠中存在數量較多的異步發電機時，需要給電網并聯適當的電容以補償無功。

3.投資與收益

3.1 節能項目的預期年凈發電量為779.04萬度，預計年總發電效益為 428.47 萬元（電價按0.55 元/度）。預計分享期內總凈發電量為 7790.4 萬度。

3.2 投資估算

項目投入估算土建 設備及安裝工程副產余熱凝液：300t/h—568t/h，105℃—132℃。發電 工程投資含設備采購、工程設計、安裝、調試等詳細內容見技術協議附表2：發電工程建設成本。1543.7 萬按最終設計方案土建及配套工程管理成本 詳見技術協議附表1 258.57 萬資金財務成本 1543.7 萬年利息8% 475.46 萬設備10年期運營管理成本包括設備更換、維護保養、工質補充等，詳見技術協議附表3 317.6 萬增值稅 詳見技術協議附表1 205.67 萬項目投入合計 約150萬項目投入合計 約2800 萬

3.3 節能收益=( 高溫熱水ORC 發電機組發電總量- 機組內部自耗電量)x 電價

直接效益，設計使用壽命為25年，按照預期壽命20年計算投資方考慮到實際工況波動，全年平均發電量，按設計點凈發電功率的90%計算，全年運行時間按照8000h 計算，預計平均年凈發電總量：1082kW*90%*8000h=779.04 萬度/年合計：4284.7 萬元間接收益分享因該項目投資后，（1）節省了部分空冷器的投資費用，約為200 萬元。（2）節省了空冷器的耗電功率300kW，則節省電量約為：300kW*8000h=240萬度/年，約132 萬元/年。合計：1520 萬元10年期內凈收益2854.7 萬元后10年的效益5604.7 萬元

3.4 以周期年為期限時，雙方約定節能項目每周期年運行時間為8000 小時。保證各機組正常負荷的熱源工況為輸送至機組邊界范圍內熱水參數，按正常負荷計算的凈發電功率為1082kW（系統自用電功率為287kW），年平均凈發電功率按照正常負荷的計算凈發電功率的90% 計算（1082kW*90%=973.8kW）。

4、裝置性能考核前狀況

中鹽安徽紅四方股份有限公司二期項目西區223C 凝結水余熱發電裝置配備3 臺向心式ORC 低溫發電機組，機組于2019年3月7日相繼投用發電，并于3月22日開始進行性能考核驗收。對3 臺發電裝置發電性能進行驗收，考核裝置是否達到驗收條件；通過收集和整理相關數據，掌握裝置物料狀態、設備運行等方面的情況。

4.1 考核內容、項目

主要考察3 臺發電裝置在設計工況下，發電性能以及自耗電情況；

對進出發電機組的物料參數進行了解，以便后續工藝處理分析。

4.2 性能考核時間，計量、檢測方法說明

1、性能考核時間：

2019年3月22日10：00 至2019年3月26日14：20，連續4 天(100，3 小時)。

2、性能考核方案

根據現場實際情況，廠區提供的熱源溫度為109℃～113℃，平均熱源溫度約111℃；熱源平均流量約310t/h。此工況只能滿足兩臺機組同時在接近設計工況下運行。

3#機組在驗收階段不間斷運行超過96小時（已累計運行超過289 小時），1#機組在驗收階段不間斷運行超過48 小時（累計運行超過317 小時），2#機組在驗收階段不間斷運行超過48 小時（累計運行超過262 小時）。

按照計劃，1#機組和2#機組在驗收運行期間切換一次，兩臺機組于3月24日下午14：20 完成切換。

3、計量方法和要求：

發電裝置發電量由高低壓配電柜中的電表計量后計算得出。

進入發電裝置的熱水流量由總管上的熱水流量計測量。

進入發電裝置的熱水進水溫參照發電設備進口溫度。

設計參數技術參數 單位 總設計值 單臺設計值熱水流量 t/h 436 145.3 熱水進口溫度 ℃ 114.4 114.4 發電功率 kW 1369 456.0 凈發電功率 kW 1082 360.0

4.3 驗收條件工況

驗收數據不低于以上表格中凈發電功率的90%。

在裝置考核期間，對發電機組的運行參數進行記錄，參考表-1。

同時在考核期間，對機組的總發電量做了記錄，由高、低壓配電柜中電能表統計，記錄數據如表-2。

表-1

表-2 電能累計表

4.4 數據分析

根據數據統計，每日運行情況匯總到以下列表：

表-3 每日運行統計表

通過表-1及運行記錄可以看出：裝置在平均水溫111℃，流量315m3/h 范圍內機組穩定運行且各參數均在合理范圍之內。

測試時間段起始時間 2019年3月22日結束時間 2019年3月26日蒸汽凝結水流量（t/h） 306-340進口溫度（℃） 108.5-114.7出口溫度（℃） 79.8-83.8起始發電累計電量（kWh） 262600結束發電累計電量（kWh） 360000考核期間累計發電量（kWh） 97400起始自耗累計電量（kWh） 69621結束自耗累計電量（kWh） 87646考核期間累計耗電量（kWh） 18025考核期間累計凈發電量（kWh） 79375平均發電功率 （兩臺）（kW） 971平均自耗電功率（兩臺）（kW） 180平均凈發電功率（兩臺）（kW） 791單臺平均發電功率（kW） 486單臺平均自耗電功率（kW） 90單臺平均凈發電功率（kW） 396

4.5 性能考核匯總表

從表-2，表-3統計的機組發電量可計算得到，機組的發電性能如表-4

由表-4可以看出：在現場實際條件下，單臺機組運行性能滿足設計要求。由于熱源流量不足，只能滿足2 臺機組正常運行，導致裝置總發電量未達到設計總發電量。

表-4

5.結論

三臺機組皆可安全穩定運行，發電穩定。單臺機組發電量在現有運行工況下，達到設計要求。后續調整熱源溫度和流量完全滿足三臺機組運行，發電量達到設計要求，經濟效益可觀。