背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统分析及应用

更新时间:2023-05-24 22:37:16 阅读: 评论:0

SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
2018年第07期
气轮机应用专
上海节能
202011 期背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统分析及应用
胡中强
中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院
摘要:借助背压式汽轮机组蒸汽流量的提升使多余排汽能够给予有机朗肯循环(即常说的“ORC”)中耦合热点联产系统实现发电作用,继而有效提升汽轮机组运转效率,不断提升系统有效发电量,该系统可以较好地调控热负荷以及电负荷。ORC 热效率会随着主汽温度变化发生正向相关,但是主汽的温度值会被背压式汽轮机的排汽冷凝温度所限制。为了能在最大程度上获得热效率,通常会对运行压力予以适当优化,总体而言,热负荷下降,联产系统对于燃料的利用系数会有所下滑,但㶲效率会有所提升。关键词:背压式汽轮机;有机朗肯循环;热电联产系统;㶲效率DOI:10.ki.issn2095-705x.2020.11.005
Analysis and Application of Cogeneration System with Back Pressure Turbine Unit and Organic Rankine Cycle Coupling
HU Zhongqiang
East China Electric Power Testing Rearch Institute of Datang Group Scientific Technol-ogy Rearch Institute Co.,Ltd.in China
Abstract:In this article,the steam flow of the back-pressure turbine unit will be incread so that the excess ex-haust steam can be given to the organic Rankine cycle (or "ORC")coupled hot-spot cogeneration system to achieve power generation,and then effectively improve the operation of the turbine unit.Efficiency,continuously improve the effective power generation of the system,in addition,the system can also better regulate the thermal load and electrical load.The ORC thermal efficiency will be positively correlated with the change of the main steam temperature,but the main steam temperature value will be limited by the condensing temperature of the exhaust steam of the back-pressure steam turbine.In order to obtain the maximum thermal efficiency,the operat-ing pressure is usually properly optimized.In general,the thermal load decreas,and the fuel utilization factor of the cogeneration system will decline,but the efficiency will increa.
Key words:Back Pressure Steam Turbine;Organic Rankine Cycle;Combined Heat and Power Generation System;Exergy Efficiency
收稿日期:2020-08-11作者简介:胡中强(1984-),男,大学本科,主要从事发电厂调试、热力设备及系统节能、优化和故障诊断的研究工作
班彪
1265
上海节能No.112020
0前言
通常情况下,背压式的汽轮机组属于无冷源损失且热效应相对比较高、对于能量也能够高效利用的一种热电联产模式,它可以较好地控制排汽并将其利用到供热中,对于工业生产有非常广泛的实际应用。从整体上而言,因为背压式的汽轮机组电负荷值可能会被热负荷值所影响,其生产方式往往很难同时满足热负荷以及电负荷的共同要求,必须使用电网的性能来对电量差予以有效补偿,全面提升电力系统备用容量。假如背压式的汽轮机在运转中发生偏离原有设计工况的问题,将对相对内效率产生降低的影响,进而提升发电耗能,不过热负荷降低或者是停止运转时,汽轮机组设备的有效利用效率会显著降低。在热电厂支持的条件下,借助安装后置低压凝汽器在汽轮机组中的操作方式,能够较好地令背压式的汽轮机组排汽进入到低压凝汽设备中,全面提升系统设备利用效率以及发电量。本文针对背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统展开分析。
1背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统分析
有机朗肯循环(即ORC)通常是融合低沸点工质,其主要构造包括蒸发器、泵、换热器、汽轮机以及冷凝设备等,相对于蒸汽式的朗肯循环,其可以实现低于370℃热源供给下的发电能力,热经济效益相对比较高,而且相对来说大容量有机朗肯循环热工转换过程借助经流汽轮机组实现,其热效率相对偏高,而且一般情况下不会受到明显的负荷波动影响,有机工质借助干流体有效防止腐蚀汽轮机组叶片的作用,另外,该工质膨胀也远小于常规水蒸式,能够在较大程度上缩减汽轮机组对于金属的需求量。除此之外,有机朗肯循环还具备较为显著的其他方面的优势特征,例如,在启动以及停止运转操作上相对比较便捷,而且对于负荷有较强的适应性,维修起来成本不高。从目前的实际情况看,太阳能发电以及生物能发电等领域中均有较为广泛的实际应用,因为汽轮机组通过热定电形式运转,令其实际应用期间很容易出现问题。由此,相关研究人员提出将背压式的汽轮机组和有机朗肯循环耦合,借助热电联产系统实现比较理想的机组热效率,在控制了热负荷之后可以尽快把多余排汽转移给有机朗肯循环实现循环性的发电,全面提升发电量基础上,还能够加强设备的利用效率。为能够尽量提升系统热效率,在本文中择取有机工质和优化参数方式予以探究,旨在为相关从业人员奠定理论基础。
通常而言,如果热负荷偏低,背压式的汽轮机组产生多余排气量转移到系统蒸发器予以有机工质,实现有效冷凝,蒸汽与冷凝水借助疏水扩容器进入到低压除氧设备中,进而取代汽轮机排汽,实现汽轮机组的内部有效循环。借助背压式汽轮机进汽量的提升,能够提升汽轮机组相对内效率,同时还能够
提高其发电量。除此之外,有机朗肯循环系统的蒸发设备中,有机工质借助排汽加热形成较多蒸汽,并经流汽轮机完成膨胀做功的过程,因为有机工质干流体借助膨胀作用发生变化,如果直接进入冷凝设备,将会造成冷源损耗,进而缩减能源的有效利用率,所以,有机工质必须要经过回热设备,当冷却到40℃左右进入冷凝设备,使用泵加压,借助预热器、回热器和蒸发器完成加热处理,全面提升循环热效率,实现有效的有机朗肯循环。背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统见图
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图1背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统
2有机朗肯循环热力性能的相关研究
有机朗肯循环是否能够形成比较高效的热效率主要是受有机工质热物性的影响,择取异丁烷
1266燃气轮机应用专栏
GAS-FIRED TURBINE APPLICATION COLUMN
SHANGHAI ENERGY CONSERVATION
2018年第07期扑克牌型
气轮机应用专
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上海节能
202011 期(即R600a )、R123、R113以及R245fa 作为研究对象,并借助Refprop8.0对热力性质予以分析,可以发现该四种有机工质在临界压力值上比较接近,不过其中R113临界温度值最高。试验期间,有机朗肯循环温度处于150℃的情况下,观察四种有机工质热效率和单位工质净发电量是否会被主汽压力的变化所影响。就研究结果而言,主汽温度以及循环冷端的参数设置基本处于固定的情况下,主汽压力具备最佳值,能够令有机朗肯循环热效率和单位工质净发电量均满足最大化需求,同时R113工质在主汽压力不断提升的情况下,热效率也会在较短时间中获得较快提升,接近最大值;相对R113,R123以及R245fa 均在实现最大值之后逐渐下降;R600a 降低到150℃之后也会在较大概率上发生先增后减的问题。因为汽轮机进汽压力一般会对有机朗肯循环热效率产生影响,为了较好地提升热效率,依照广义既约梯度方法,针对主汽温度100~250℃间主汽压力予以有效优化。典型有机朗肯循环热力过程见图
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图2典型有机朗肯循环热力过程
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3算例研究
针对背压式汽轮机组和有机朗肯循环间耦合热电联产系统发电量和形成的热经济展开研究可以发现,当主汽压力值在8.8MPa、主汽温度在530℃的情况下,热耗能确保工况进气量为240t/h,汽轮机相对内效率在80%以下,排汽压力值以及温度值分别在1.5MPa 以及320℃左右,在供气
量下降50%左右的情况下,背压式的汽轮机组发电量将会降低到30%以下,相较之下,其内效率可能会降低到75%以下,显然这对汽轮机组电负荷以及热经济性都会形成非常显著的影响。针对在供热量不同情况下的低热度复合工况予以研究时,对联产系统发电量上发生的变化予以有效观察可以发现,有机朗肯循环提升后主汽温度对热效率提升产生了非常直接的影响。不过,因为受温差所限制,其进汽温度存在最高限度数值,水蒸气位于有机朗肯循环换热器中完成放热过程中,尽管温度在120℃左右,但蒸汽因超高温逐渐冷凝成饱和蒸汽期间比焓值偏低,而且往往会拥有比较强的汽化潜能,可以认为,有机朗肯循环主汽温度在受到冷凝作用期间会被其制约,择取主汽温度200℃,对四种有机工质完成热力参数上的有效优化。
当背压式汽轮机组进汽量在250t/h 的情况下采取R113工质,此时热效率最高,与R600a 相比,净发电量提升10%左右,供气量在80t/h 情况下,多余排汽均能够较好驱动有机朗肯循环提升发电量。假如不考虑热负荷,有机朗肯循环将会有效实现机组容量扩容,这种联产对于电量需求较为稳定的区域而言非常关键,有机朗肯循环借助背压式汽轮机组完成排汽发电,令冷源发生一定程度上的流失,研究中通常保持进汽量不变,供热量和有机朗肯循环的用气量则呈现反比,供热量下降,燃料利用系数自然也会呈现降低的趋势。但是从热力学角度入手进行研究,热低峰值时提升系统发电量,可以提升系统变负荷性能,强化可靠性能,另外还能够更好地适应机组负荷变化。因此,可以依照实际运转期间负荷特征和周边用电情况等灵活应用有机朗肯循环,满足机组的扩容需求以及电负荷的调控目的。在机组运行中,企业也可以择取有机朗肯循环在350℃以下条件中发电,背压式汽轮机组供热量最大,其余热量也处于最高峰值,余热予以有效利用,应用到有机朗肯循环并联运行中,企业依照自身生产需求择取有机朗肯循环予以优化即可。在供热量固定的情况下,提升背压式汽轮机组
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No.11
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主蒸汽流量,可能会提升有机朗肯循环开发量,电负荷调控也可以借助主汽流量的调整完成;在发电量固定的情况下,背压式汽轮机主汽量则主要伴随供热量提升而不断提升,进而有效实现热负荷的相关需求,有机朗肯循环借助调整汽量保持系统整体发电量的稳定。除此之外,用电量以及供热量均处在动态变化的情况下时,借助主蒸汽量的调节可以调控两者变化。
4结语
综上所述,背压式的汽轮机组和有机朗肯循环的耦合热电联产系统如果处在低热负荷的情况下,能够较好地提升主蒸汽流量,并且保证多余排汽满足有机朗肯循环供电,以此来强化汽轮机组设备的整体运转效率以及发电量,能够借助进气量的调控满足热负荷以及电负荷调节。除此之外,有机朗肯循环主汽温度往往会被汽轮机组的排汽冷凝温度所影响,进而对热效率产生影响,分别予以改善实现有机朗肯循环的优化。尽管有机朗肯循环可能会令部分系统冷源流失,且燃料利用率也有可能会
随着热负荷下降而逐渐降低,与原有工况相比,已经能够促成运转效率的明显提升,因此是具备较强
应用价值的。
参考文献
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此前,我国在民用液氢方面近乎空白,远落后于发达国家。在氢能产业快速发展后,民用氢能才逐渐进入公众视野。
据氢云链了解,全球目前已经有数十座液氢工厂,总液氢产能480t/d,全球近500座加氢站中液氢储氢型加氢站占比三分之一,其中北美占了全球液氢产能总量的85%以上。美国本土已有15座以上的液氢工厂,液氢产能达326t/d 以上,居于全球首位。欧洲4座液氢工厂液氢产能24t/d。亚洲有16座液氢工厂,总产能38.3t/d,其中日本产能占三分之二。
中国在用的液氢工厂仅有海南文昌、北京101所和西昌基地等寥寥数个,均服务航天领域,总产能约为4t/天,民用液氢市场在鸿达兴业工厂投产后才不是一片空白。中国液氢生产成本高达500元/kg,是美国的20倍以上(2.5美元/kg )。
随着国内氢能产业快速发展,国内液氢项目快速增加,仅在2020年,就有超过10个液氢项目和政策落地,液氢产业已经开始进入快速发展的阶段。
需要指出的是,国内在液氢方面仍存在经验不足的问题,外资品牌的进入,有利于加快液氢生产、运营经验在国内的传播,加快液氢产业的建设速度,有利于解决氢气低成本运输的问题。
(氢云链)
中国薪酬调查网
全国液氢产业正式进入快车道
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