背壓式汽輪機組耦合ORC 聯產系統研究

馬學峰

（中信建設有限責任公司，北京 100020）

0 引言

隨著社會經濟水平的不斷提高和科學技術的不斷發展，傳統的熱點聯產系統已經無法滿足熱電廠的發展需求，不僅運行效率低、設備可靠性差，而且功能單一，維修流程復雜，嚴重影響了背壓式汽輪機的作業效率。因此，為確保熱電聯產系統向多功能化、通用化、智能化方向發展，加大對背壓式汽輪機組耦合ORC（Organic Rankine Cycle，有機朗肯循環）的熱電聯產系統的設計與應用勢在必行。

背壓式汽輪機組作為一種熱電聯產方式，具有冷源損失率低、熱效應顯著和能量利用率高等特征，可以將排氣充分轉換為熱能，被廣泛地應用于工業生產領域，但是由于背壓式汽輪機組由于自身的局限性，無法將在滿足電負荷的同時，還能滿足熱負荷。為了解決這一問題，相關軟件開發人員要采用補償電量差的方式對電網進行不斷修改、優化和完善，從而最大限度地提高電力系統的運行性能。因此，如何科學設計與應用背壓式汽輪機組耦合ORC 的熱電聯產系統是相關軟件開發人員必須思考和解決的問題。

1 系統的整體結構設計

本系統整體結構設計如圖1 所示，當系統處于低熱負荷狀態后，需要針對背壓式汽輪機的使用需求，不斷加大背壓式汽輪內部的進汽體量，這樣不僅能保證背壓式汽輪機運行效率[1]，還能確保本系統發電量的最大化。本系統的工作原理：將多余的排氣輸送到系統內部的蒸發器，確保有機工質冷凝水達到飽和狀態，然后將飽和水流入疏水擴容器，以達到加熱補水的目的，同時還要將水泵與鍋爐有效結合起來，實現背壓式汽輪機內部水資源的循環利用。

在使用ORC 系統蒸發器的過程中，還要采用有機工質的方式將背壓式汽輪機內部的蒸汽水加熱到蒸汽的狀態[2]，然后充分利用背壓式汽輪機內部的蒸汽水膨脹做功，確保膨脹處理后的干流體呈現出過熱狀態，只有這樣才能盡可能減少冷源損失，從而全面提高能源利用率。所以，相關軟件開發人員通過充分利用干流體[3]，對有機工質進行膨脹處理后，再利用回熱器將有機工質溫度降低到40 ℃左右，最后將有機工質放入冷凝器對其進行冷凝處理。此外，還要做好對有機工質的加壓處理：先根據相關標準和要求，采用加熱的方式對回熱器進行加熱處理，然后在充分利用預熱器和蒸發器的基礎上，對背壓式汽輪機內部的排氣熱量進行有效吸收和利用[4]，實現ORC 操作的同時通過使用回熱器最大限度地提高有機工質的溫度，有效提升循環熱效率。

2 ORC 的熱力性能設計

2.1 模型建立

模型建立是實現ORC 熱力性能設計的首要環節。為保障ORC 的熱力性能設計效果，相關軟件開發人員要重視模型的有效建立。首先，充分利用有機工質，分別確定預熱器入口數值和蒸發出口的數值，然后嚴格按照表1 的ORC 計算參數設定值[5]，確保有機工質在背壓式汽輪機中的膨脹值，有效確定回熱器相關換熱量。最后，通過充分利用熱效率有效確定實際運用電量，同時還要盡可能確定熱效率與有機工質。

圖1 背壓式汽輪機組耦合ORC 的熱電聯產系統結構

表1 ORC 計算參數設定值

2.2 工質選擇

由于ORC 熱效率與有機工質熱物性之間存在很大的關系，有機工質的類型選擇多種多樣，如R600a、R245fa、R123 等（表2）。無論采用哪種有機工質，在臨界壓力方面存在很大的關聯性[6]。不過，隨著臨界溫度的不斷升高，不同類型有機工質在熱力性能方面會有很大差異。

表2 有機工質的物性參數

2.3 ORC 的熱力參數優化

ORC 熱效率和單位工質凈發電量隨主氣壓力的變化如圖2所示。從圖2 可以看出，當ORC主氣溫度達到150 ℃時，要充分利用表2 的有機工質物性參數，調整發電量相關的數據。當主氣溫度達到一定值時，在主氣壓力的作用下，有機工質相關熱效率會得以顯著提升，隨著主氣壓力的不斷變化，ORC 熱效率會不斷增長[7]。此外，隨著主氣壓力的不斷增長，R113的熱效率會不斷增加，一直增長到飽和壓力最大值。最后，R123運行壓力呈現不斷上升的趨勢，當有機工質熱效率上升到最大值后，后出現下降拐點，只有這樣才能最大限度提高ORC 的熱力參數優化效率和效果。

圖2 ORC 熱效率和單位工質凈發電量隨主氣壓力的變化

通常情況下，影響ORC 熱效率的主要因素是背壓式汽輪機相關進氣壓力的大小，為此，相關軟件開發人員要制定和構建目標函數，從而求出最大效率值，實現主氣溫度的優化。同時，在應用廣義既約梯度的基礎上，對主氣壓力進行科學控制，確保不同溫度能對應相應的熱效率。當R600a 的最佳運行壓力達到最高值時，R113運行壓力將會呈現出下降趨勢，下降到最低值時ORC 熱效率會因主氣溫度的不斷升高而呈現出上升趨勢。當主氣溫度達到相同值時，處于高臨界值的有機工質的熱效率會比較高。

2.4 ORC 利用熱量設計

ORC 利用的熱量與排氣量、蒸汽量之間存在很大的關系，當背壓式汽輪機所提供的熱量達到一定的數值后，需要進一步提高主蒸汽量，當ORC 相關蒸汽量逐漸增加時，有機工質會增加相應的發電量。但是，當主蒸汽量與用戶實際所使用的熱量相同時，ORC 所使用的熱量將會固定不變，不會呈現出隨疏水含量的變化而變化。只有這樣，才能最大限度地提高ORC 利用熱量設計效果，為進一步提高該熱電聯產系統的運行性能，促進該系統的創新、長遠發展提供有力的保障。

3 具體應用

為有效地驗證背壓式汽輪機組耦合ORC 的熱電聯產系統功能的有效性，軟件測試人員需要通過利用背壓式汽輪機對本系統的功能進行一一檢驗，以確保本系統功能完善、通用性強，只有這樣氣才能為用戶帶來了良好的使用體驗。首先，對本系統的發電量變化情況和熱經濟性進行有效檢驗。在這個過程中，需要將背壓式汽輪機的壓力控制在9.1 MPa 左右，同時，還要將主氣溫度設置為543 ℃，此時，通過將本系統應用于某工業生產領域中，發現工業供汽量上升為176.7 t/h，背壓式汽輪機產生的熱效率達到了80%。由此可見，在背壓式汽輪機的應用背景下，通過對本系統進行科學檢驗，有利于更好地降低冷源損失率，從而實現能源利用率的全面提高。同時，隨著有機工質供熱量的不斷降低，ORC 用汽量會呈現出不斷增長的趨勢，當冷源損失率達到最大值時，燃料利用系數將會降到最低，然而，隨著熱量的不斷變化，電能在不同能量品位之間存在很大的差異性，因此，ORC 系統會在低熱效率的情況下不斷提高系統的發電量，從而全面提升系統運行性能。總之，背壓式汽輪機在整個系統中占有舉足輕重的地位，具有冷源損失率低、熱性能良好、熱經濟性高、投資成本小等特點，使其在工業生產領域得到充分應用，并取得了良好的效果。因此，該系統具有非常高的應用價值和應用前景，不僅能保證用戶良好的使用體驗，提高系統的知名度和影響力，還能在工業生產領域中發揮出不可替代的作用，為全面提高ORC 熱力性能、促進工業生產行業的健康、可持續發展發揮重要作用。

4 結束語

近幾年來，隨著我國熱電廠行業的不斷發展和信息技術的不斷普及，背壓式汽輪機組耦合ORC 的熱電聯產系統應運而生，并在工業生產領域中取得了良好的應用效果，不僅可以最大限度提高主蒸汽流量，還可以實現多余蒸汽的徹底排出，為保證ORC 供電效率和效果、全面提升汽輪機設備運行性能打下堅實的基礎。為了方便后期系統的維護和升級，相關軟件開發人員需要再接再厲，用更加優化的代碼擴充更多的使用功能，從而為促進系統健康、可持續發展，提高其應用價值和應用前景提供的保障。