剩余高溫熱水ORC異步發(fā)電機在企業(yè)中應用

朱立照

1.HSRT 發(fā)電機說明

1.1 機組銘牌

HSRT 發(fā)電機銘牌內容主要包括機組型號、發(fā)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(tǒng)原理

發(fā)電機組運行采用有機朗肯循環(huán)(ORC)的熱力學原理（見圖1）。

圖1 HSRT 發(fā)電機組循環(huán)示意圖

1）熱源進入蒸發(fā)器，加熱工質R245fa，使其蒸發(fā)；

2）高壓的熱工質蒸汽驅動渦輪發(fā)電機運轉產生電能；

3）從渦輪發(fā)電機出來的乏汽經冷凝器冷卻和凝結成液態(tài)工質；

4）液態(tài)工質經工質泵，增壓后送回蒸發(fā)器，重復循環(huán)。

1.3 機組組成

HSRT 發(fā)電機組主要由渦輪機、蒸發(fā)式冷凝器、儲液罐、工質泵、過熱器、蒸發(fā)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(fā)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(yōu)良的流體力學性能，油潤滑冷卻系統(tǒng)及壓力、溫度、速度監(jiān)控系統(tǒng)均集成在渦輪發(fā)電機內。

圖2 典型HSRT 系列發(fā)電機組

1.3.2 蒸發(fā)式冷凝器

蒸發(fā)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(fā)將工質凝結時釋放的熱量帶走。此外，由于蒸發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，系統(tǒng)簡化。

1.3.3 儲液罐

蒸發(fā)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(tài)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(tài)工質輸送至預熱器。機組運行期間，工質泵連續(xù)工作，并隨工況進行變頻調節(jié)，使發(fā)電機組始終保持最大發(fā)電量狀態(tài)運行。

1.3.5 預熱器

預熱器為管殼式換熱器，殼程走液態(tài)工質，管程走熱源介質，預熱器作用是將液態(tài)工質加熱，使其達到飽和狀態(tài)時進入蒸發(fā)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(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。

1.3.6 蒸發(fā)器

蒸發(fā)器為臥式殼管式換熱器，采用傳熱性能優(yōu)良的高效蒸發(fā)管，管束的長度方向由支撐板支撐，液蒸發(fā)器作用是將液態(tài)飽和工質加熱使其變?yōu)闅鈶B(tài)飽和工質并進入過熱器。

蒸發(fā)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(jiān)察規(guī)程》的規(guī)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(yōu)良的高效換熱管，其作用是將氣態(tài)飽和工質進行加熱，使其變成過熱氣態(tài)，避免進入渦輪發(fā)電機的工質中含有液滴。

1.3.8 氣動調節(jié)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(jié)閥。

氣動調節(jié)閥由氣缸帶動閥板動作，實現(xiàn)快速開停機、調節(jié)發(fā)電量等目的，其開啟及關閉由微電腦控制系統(tǒng)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(tǒng)提供高壓潤滑油。油泵排出油壓穩(wěn)定、脈沖小。油泵出口配備旁通管路，可以調節(jié)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(huán)。

1.3.11 PLC 柜

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

PZJ-DK 控制系統(tǒng)可以實時檢測發(fā)電機轉速、輸出電能的頻率、輸出功率和功率因數(shù)，通過機組控制柜和并網柜一起協(xié)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(fā)電機組所用并網柜主要用于控制發(fā)電機的并網、解列，給發(fā)電機勵磁，發(fā)電機電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)等參數(shù)的監(jiān)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(fā)出的并網柜啟停控制信號。

2、異步發(fā)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(fā)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(tài)。

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(fā)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?yōu)殡娔埽?通過電源線向電網輸送能量。

2.1、異步發(fā)電機并網原理

異步發(fā)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(fā)電狀態(tài)并網發(fā)電時，相對異步發(fā)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(fā)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(fā)電機，異步電機無需電壓矯正裝置，且不像同步發(fā)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(xù)的短路電流。

2.2、異步發(fā)電機使用注意事項

2.2.1、相序確認

異步發(fā)電機并網前只需保證發(fā)電機產生的相序與電網一致，即必須確認拖動發(fā)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(fā)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(shù)臺異步發(fā)電機同時運行時，勢必會影響電網的功率因數(shù)，使電網無功不足。因此，如果工廠中存在數(shù)量較多的異步發(fā)電機時，需要給電網并聯(lián)適當?shù)碾娙菀匝a償無功。

3.投資與收益

3.1 節(jié)能項目的預期年凈發(fā)電量為779.04萬度，預計年總發(fā)電效益為 428.47 萬元（電價按0.55 元/度）。預計分享期內總凈發(fā)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(fā)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(xié)議附表2：發(fā)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(xié)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(yǎng)、工質補充等，詳見技術協(xié)議附表3 317.6 萬增值稅 詳見技術協(xié)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(jié)能收益=( 高溫熱水ORC 發(fā)電機組發(fā)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(fā)電量，按設計點凈發(fā)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(fā)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(jié)省了部分空冷器的投資費用，約為200 萬元。（2）節(jié)省了空冷器的耗電功率300kW，則節(jié)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(jié)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(shù)，按正常負荷計算的凈發(fā)電功率為1082kW（系統(tǒng)自用電功率為287kW），年平均凈發(fā)電功率按照正常負荷的計算凈發(fā)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(qū)223C 凝結水余熱發(fā)電裝置配備3 臺向心式ORC 低溫發(fā)電機組，機組于2019年3月7日相繼投用發(fā)電，并于3月22日開始進行性能考核驗收。對3 臺發(fā)電裝置發(fā)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(shù)據，掌握裝置物料狀態(tài)、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(fā)電裝置在設計工況下，發(fā)電性能以及自耗電情況；

對進出發(fā)電機組的物料參數(shù)進行了解，以便后續(xù)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(xù)4 天(100，3 小時)。

2、性能考核方案

根據現(xiàn)場實際情況，廠區(qū)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(fā)電裝置發(fā)電量由高低壓配電柜中的電表計量后計算得出。

進入發(fā)電裝置的熱水流量由總管上的熱水流量計測量。

進入發(fā)電裝置的熱水進水溫參照發(fā)電設備進口溫度。

設計參數(shù)技術參數(shù) 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(fā)電功率 kW 1369 456.0 凈發(fā)電功率 kW 1082 360.0

4.3 驗收條件工況

驗收數(shù)據不低于以上表格中凈發(fā)電功率的90%。

在裝置考核期間，對發(fā)電機組的運行參數(shù)進行記錄，參考表-1。

同時在考核期間，對機組的總發(fā)電量做了記錄，由高、低壓配電柜中電能表統(tǒng)計，記錄數(shù)據如表-2。

表-1

表-2 電能累計表

4.4 數(shù)據分析

根據數(shù)據統(tǒng)計，每日運行情況匯總到以下列表：

表-3 每日運行統(tǒng)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(wěn)定運行且各參數(shù)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(fā)電累計電量（kWh） 262600結束發(fā)電累計電量（kWh） 360000考核期間累計發(fā)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(fā)電量（kWh） 79375平均發(fā)電功率 （兩臺）（kW） 971平均自耗電功率（兩臺）（kW） 180平均凈發(fā)電功率（兩臺）（kW） 791單臺平均發(fā)電功率（kW） 486單臺平均自耗電功率（kW） 90單臺平均凈發(fā)電功率（kW） 396

4.5 性能考核匯總表

從表-2，表-3統(tǒng)計的機組發(fā)電量可計算得到，機組的發(fā)電性能如表-4

由表-4可以看出：在現(xiàn)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(fā)電量未達到設計總發(fā)電量。

表-4

5.結論

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