背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统齐笑言

背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统齐笑言

齐笑言1张帅2王赫3

(1国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院辽宁省沈阳市110006;2中国船舶重工集团公司第七〇三研究所黑龙江省哈尔滨市150078;3中国船舶重工集团公司第七〇三研究所黑龙江省哈尔滨市150078)

摘要：基于背压式汽轮机的宽负荷高效回热系统是利用背压式汽轮机的抽汽或者排汽增加一级附加高压加热器（附加高加），通过附加高加进一步提高锅炉给水温度，从而扩大给水回热程度，提高汽轮机循环热效率。

关键词：背压式汽轮机组；有机朗肯循环耦合；热电联产系统；

有学者开始尝试在联产系统中加入有机朗肯循环（ORC）系统，以ORC作为底层循环，回收利用联产系统产生的中低温余热发电，形成联合循环系统。这种联产系统可通过供给侧热、电间相互转换，以适应需求侧热、电负荷的动态变化，从而为解决供需两侧能源不平衡而导致的系统长期低效运行问题提供了有效的解决方案。

一、背压式汽轮机组与ORC组成的联产系统

背压式汽轮机组耦合ORC的热电联产系统低热负荷时，提高背压式汽轮机的进汽量，一是可以提高汽轮机的相对内效率，二是增加系统发电量。其系统流程：背压式汽轮机的多余排汽供给ORC系统的蒸发器，并被有机工质冷凝至饱和水，然后进入疏水扩容器，扩容回收的蒸汽和疏水进入低压除氧器(大气式除氧器)加热补水，以替代汽轮机的部分排汽，给水经高压除氧器、给水泵、高压加热器进入锅炉，完成背压式汽轮机组循环。在ORC系统蒸发器中，有机工质被背压式汽轮机的排汽加热至蒸气，然后进入径流式气轮机膨胀做功，有机工质采用干流体，膨胀后仍处于过热状态，如果直接进入冷凝器，会增大冷源损失，降低能源的利用效率，因此过热状态的有机工质先通过回热器(IHE)，冷却至40℃后再进入冷凝器，冷凝后的有机工质经泵加压后，首先通过回热器进行加热，然后再进入预热器和蒸发器吸收背压式汽轮机排气的热量，至此完成有机朗肯循环，回热器有利于提高工质进入预热器的温度，进而提高循环热效率。联产系统通过提高背压汽轮机的流量，提高了背压式汽轮机组的效率和发电量，同时，ORC利用多余排汽的热量进一步增加了系统发电量。背压式汽轮机组增加的发电量取决于其热力特性，主要与蒸汽流量相关，而ORC的发电量与工质的选择及其热力参数优化有着密切的联系。

二、耦合ORC的热电联产系统优化研究

1.耦合ORC的热电联产系统优化旨在提高系统能效、减少成本、降低温室气体排放。对于热电联产系统而言，需要以供给侧和需求侧平衡为出发点，对联产系统进行优化；而耦合ORC的热电联产系统不仅需要考虑热电联产系统的优化问题，而且需要考虑在满足需求侧负荷的情况下，针对耦合系统运行的特点，提出问题和优化方向，选择合适的优化方法对联产系统、ORC系统进行优化,确定具有长期经济性、节能性的设备类型和构成。热力系统优化的一般性问题主要包括：优化对象、优化目标和优化方法。其中优化对象是确定优化问题时间、空间的必要条件，明确优化问题的范围。针对耦合ORC热电联产系统优化问题的不同，研究主要分为系统结构优化、运行参数和运行策略优化。系统结构优化按照能量梯级利用的原则，耦合系统引入可再生能源和储能设备后，系统结构变得相对复杂，需采用相应的优化方法确定其最佳系统流程和设备等，针对耦合系统不同组合情况，利用选择的优化方法，计算系统性能，选择最佳结构方案。以ORC作为顶层循环，评估了应用不同类型膨胀机系统的成本、效率、工作温度、压力等，得出适用于小型ORC热电联产系统的膨胀机类型。运行参数优化主要是对系统进行热力学分析，针对系统中某些参数进行优化，确定其最佳值使系统达到最佳运行状态。建立了抽气回热式有机朗肯循环热力学分析模型，在ORC热效率、发电功率以及效率等多重优化目标下，优化了正葵烷、甲苯、环己烷等工质的热力学参数。针对燃气轮机与有机朗肯循环集成的联供系统，采用遗传算法对蒸汽透平的抽气流量、抽气压力和烟气温度等参数进行优化，使系统节能率高于37%。运行策略的优化需要以系统配置为基础，综合考虑需求侧负荷特征，使供需两侧热电比尽可能平衡。为了减少供给侧多余电和热，提出了内置热泵的CCHP-ORC系统，并在系统中加入热回收控制器，可根据需求侧负荷的变化，联合ORC系统，动态调节供给侧热电比。

2.优化目标。优化目标是优化问题的方向，是系统优化的评价标准，热电联产系统通常从能源、经济、环境等3个方面评价。从供给侧考虑，当联供系统以热力学参数为优化变量时，通常使用能源性指标，包括热效率、效率、一次能源消耗量和一次能源节约率等。从需求侧考虑时，通常会选择经济性质指标，包括：系统总费用、运行费用、费用年值等。环境性指标也是要重点考虑的优化目标，最常用的是CO2排放量或减排率。为使联产系统更全面发展，通常采用多目标优化，或者各目标按比例加权平均进行归一化，转化为单目标优化。以ORC作为底层循环的CHPORC系统，在多目标优化中，指标权重的确定具有主观性，所以权重不同，优化的结果也会不同。

3.优化方法。为了获得耦合系统的最佳配置，需要在优化目标的指导下，利用某种方法在约束条件下对优化变量进行求解，优化方法有很多，一般可分为数学方法和非数学方法。耦合ORC的热电联产系统需要考虑的问题较多，系统本身就具有复杂性，须采取必要的数学方法对系统进行优化设计，例如遗传算法、人工蜂群算法、神经网络、线性规划、进化算法等。利用遗传算法对太阳能为热源的ORC热电联产系统进行了参数优化。结果表明，该系统在最优条件下可以达到的最大效率为60.33%。采用非支配排序遗传算法-II（NSGA-II）对ORC系统、单级和双级回热ORC系统的热效率和投资成本进行了优化，在最优条件下，ORC系统较回热式ORC系统具有较低的投资成本和热效率。采用人工蜂群和神经网络算法对带有回热的ORC系统参数进行了优化。结果表明，当热效率和净功最大时，给水加热器存在最佳的供气压力。非数学方法即数学方法的物理模型，通过热力学分析、技术改造等方法对系统进行优化。以太阳能为热源构建了ORC、吸收式热泵及储能装置相结合的优化模型，对ORC系统进行了一次回热改造，并针对该优化模型对系统进行热力学分析。并分析得出喷射式制冷具有运行安装维护成本低、适应多种制冷剂等优点。

4.耦合ORC的热电联产系统评价研究。对耦合系统评价研究，是反应联产系统供需侧不平衡的问题，以及寻找耦合系统最佳结构、配置等问题的关键。联产系统常采用“以热定电”或“以电定热”模式运行。为了提升系统性能，也有学者提出了混合运行、储能运行、电热折衷运行等运行策略。针对耦合ORC热电联产系统，在合适的运行策略基础上，如何构建合理的评价体系和标准对其发展具有重要的意义。在供热量一定时，背压式汽轮机和ORC的发电量随背压汽轮机主蒸汽流量的提高(降低)而上升(下降)，电负荷的调节可通过改变背压式汽轮机组的主汽流量实现；当发电量一定，供热量上升(降低)时，则通过提高(降低)背压式汽轮机的主汽量，以满足热负荷需求，而ORC用汽量相应降低(上升)以维持系统总发电量不变；对于供热量、用电量同时变化时，通过改变背压式汽轮机组的主蒸汽量也可达到调节目的。虽然抽凝机组也可以同时实现电负荷和热负荷的调节，但是其供汽量的调节要考虑最小凝汽量以及低压缸的通流能力，供汽量的调节范围有限；而背压式汽轮机机组与之相比，供汽量的调节范围较大，且没有冷源损失，热经济性好，投资小，因此在热(汽)负荷较大，且变化较为频繁的工业领域应用更为广泛。针对背压式汽轮机组不能满足电负荷调节的问题，背压式汽轮机组耦合ORC的联产系统，该系统在保证机组热经济性的同时又能满足电负荷和热负荷的调节，由于ORC良好的变负荷性能，该联产系统的热负荷、电负荷的调节范围优于抽凝机组。

结束语：背压式汽轮机组耦合有机朗肯循环的热电联产系统。在低热负荷工况，增大背压式汽轮机组的主蒸汽流量，多余排汽供ORC发电，可提高背压式汽轮机组的效率和系统发电量；通过调节背压式汽轮机的进汽量可同时满足热负荷和电负荷的调节需求。ORC增大了系统冷源损失，随着热负荷的降低燃料利用系数降低，但是与原工况相比系统的火用效率会上升。

参考文献：

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