利用微型燃氣輪機余熱的ORC發電系統

楊玲

摘要：微型燃氣輪機已被應用于分布式能源系統，其排氣余熱常用于供熱與制冷。本文開展了利用微型燃氣輪機排氣余熱的ORC發電系統的熱力性能分析，結果表明額定工況下R113可以提高系統發電功率達60 kW以上，相當于微型燃機額定功率的30%。

關鍵詞：微型燃氣輪機；余熱發電；有機朗肯循環；分布式能源系統

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

1 引言

近年來，微型燃氣輪機的研究及應用在國內外得到了快速發展[1-5]，其功率一般在30-300 kW，具有結構簡單緊湊、可靠性高、維護成本低以及污染物排放低等優點。微型燃氣輪機可靈活滿足用戶的能源需求變化，已在分布式能源系統中得到了推廣和應用。微型燃氣輪機系統采用回熱，有效利用排氣余熱加熱進入燃燒室的空氣，其排氣溫度一般可降低至270-300℃，排氣余熱一般可通過加熱水進行供熱或通過溴化鋰吸收式制冷系統滿足用戶的冷負荷需求。然而對于只有電負荷需求而無熱負荷或冷負荷需求的應用場合，排氣余熱只能用于發電。

由于微型燃氣輪機的排氣溫度及總熱量較低，不適宜采用蒸汽動力系統，而ORC在利用370 ℃以下低溫熱源發電方面具有更優的熱經濟性。ORC系統熱效率高，且受負荷變化的影響較??；有機工質采用干流體，膨脹后處于過熱區，不存在對氣輪機葉片的侵蝕；有機工質的體積流量及膨脹比小于水蒸汽，有利于降低氣輪機的尺寸和金屬消耗量；此外，ORC氣輪機還具有啟停方便、負荷適應性好、部分負荷熱效率高以及維護費用低等優勢[6-7]。趙巍等[1]提出了微型燃氣輪機與有機朗肯循環(ORC)組成聯合循環，并以進行了設計分析。工質的熱力學性質決定了ORC的熱力性能，因此為了提高ORC余熱發電系統的凈輸出功，本文分析了5工質的熱力性能。

2 利用微型燃氣輪機余熱的ORC系統

利用微型燃氣輪機排氣余熱的ORC發電系統如圖1所示。燃氣輪機排氣在換熱器中對有機工質進行加熱，有機工質蒸氣進入氣輪機膨脹做功，由于采用干工質，膨脹后處于過熱狀態，為了減少冷源損失，充分利用氣輪機排氣顯熱，有機工質先通過回熱器(IHE)對經泵加壓的工質進行預熱，然后再進入冷凝器。經回熱器預熱的有機工質進入換熱器吸收排氣余熱，完成循環。

圖1 利用微型燃氣輪機排氣余熱的ORC發電系統

換熱器中，排氣加熱有機工質，其能量平衡方程為

(1)

汽輪機的做功為

(2)

式中，為微型燃氣輪機的排氣量，為有機工質的流量，和分別為換熱器進口和出口排氣的比焓，為進入氣輪機有機工質的比焓，為有機工質等熵膨脹后的比焓，為氣輪機排氣的比焓，為氣輪機的相對內效率。

在回熱器（IHE）中，氣輪機的排氣對經泵加壓的液相工質進行加熱，其能量平衡方程為

(3)

有機工質在冷凝器中的放熱量為

(4)

工質泵的耗功為

(5)

利用微型燃氣輪機排氣余熱的ORC系統的凈輸出功為

(6)

式中，ηm為氣輪機的機械效率，ηg為發電機效率。

3熱力性能分析

以某200 kW微型燃氣輪機為例，優化不同工質的熱力性能，探討不同工質的熱力特性及規律。該200 kW微型燃氣輪機額定工況下排氣量為1.33 kg/s，排氣溫度為280℃，雖然天然氣含硫量較低，但是排氣溫度過低的話，依然可造成換熱器壁面酸性腐蝕，因此換熱器出口的排氣溫度設定為90℃，ORC的運行參數如表1所示。

表1ORC發電系統的計算參數設定值

參數 符號 設定值

氣輪機相對內效率/% ηT 85

泵效率/% ηp 65

發電機效率/% ηg 98

機械效率/% ηm 97

冷凝溫度/℃ t3 30

回熱器夾點溫差/℃ ΔtIHE 5

換熱器夾點溫差/℃ ΔtH 10

4 工質對比

由于燃機排氣溫度較高，因此以系統的凈輸出功最大為目標函數，對參數進行了優化，結果如表2所示。采用亞臨界循環時，主氣壓力均設定為3 MPa，R600a和R601a的質量流量較小，比R245fa等工質約低50%。R600a的液相比熱容較大，因此異丁烷與燃氣間的溫度匹配最差，造成的火用損失最大，其凈發電功率也最小。而R113的液相比定壓熱容較小，在換熱過程與燃氣的匹配最好，其主氣溫度最高，所以ORC采用R113為工質時凈發電功率最高，比采用R600a約提高38%。采用超臨界循環時，工質與燃氣間的溫度匹配有較大的改善，R600a、R601a和R245fa與燃氣換熱過程的夾點在換熱器入口處，而工質為R123和R113時，當換熱量Q與總換熱量的比值在0.3-0.4之間時才出現夾點，但是R123和R113與燃氣間的溫度匹配要優于其它3種工質。相對于亞臨界循環，采用超臨界循環可提高凈發電功率，臨界溫度越低的工質，提高幅度越大，所比較的5工質中，R600a的臨界溫度最低，其提高幅度可達15%，R245fa采用超臨界循環也可提高凈發電功率8%以上，但是運行壓力較高，甚至高于8 MPa。R113的臨界溫度最高，采用超臨界循環，其運行壓力最低，凈發電功率最大，但是相比亞臨界循環的提高幅度較小。

該200 kW微型燃氣輪機的排氣余熱經ORC系統回收并進行發電，可有效擴大機組容量22-31%，體現了較高的熱經濟性。無論采用超臨界循環還是亞臨界循環，R113的熱力性能均為最優。

表2ORC熱力參數的優化結果及凈發電功率

工質 循環形式 主氣溫度/℃ 主氣壓力/MPa 工質流量/kg·s-1 凈發電功率/kW

R600a 亞臨界 158.605 3 0.668 43.608

R245fa 亞臨界 175.991 3 1.127 49.448

R601a 亞臨界 185.246 3 0.599 54.827

R123 亞臨界 201.101 3 1.209 56.339

R113 亞臨界 210.629 3 1.334 60.155

R600a 超臨界 205.144 7.981 0.629 50.228

R245fa 超臨界 226.467 8.847 1.073 55.071

R601a 超臨界 217.161 5.079 0.589 56.298

R123 超臨界 242.739 6.516 1.174 59.787

R113 超臨界 242.282 4.782 1.319 61.035

4 結論

近年來微型燃氣輪機在能源領域得到了重視與發展。為了充分利用其排氣余熱，提高機組熱經濟性，減少環境熱污染，本文針對微型燃氣輪機余熱ORC發電系統，開展了系統參數優化及工質的篩選。以系統凈輸出功為目標函數，分別優化了R600a、R601a、R245fa、R123和R113等5種工質的熱力參數。采用亞臨界循環時，主氣壓力均為3 MPa，臨界溫度高的工質，其主氣溫度高，且凈輸出功大。采用超臨界循環，臨界溫度低的工質其凈輸出功的增幅較大，但是最佳主氣壓力較大。換熱過程中R113與燃氣溫度間的匹配最好，其凈輸出功高于其它4工質。通過ORC利用微型燃氣輪機的排氣余熱進行發電可提高機組容量20%以上。

參考文獻

[1]趙巍, 杜建一, 徐建中．微型燃氣輪機與有機朗肯循環裝置組成聯合循環的設計與分析[J]．中國電機工程學報, 2009, 29(29): 19-24．

[2]陶德安, 段立強, 徐智華. 微型燃氣輪機熱電聯供系統的熱力學分析[J]. 燃氣輪機技術, 2010, 23(4): 54-57

[3]豐鎮平, 劉曉勇, 張永海, 等. 微型燃氣輪機熱力系統的設計分析[J]．工程熱物理學報, 2002, 23(S): 17-20．

[4]劉莉, 黃錦濤, 豐鎮平. 100 kW微型燃氣輪機冷電聯產的經濟性分析[J]. 工程熱物理學報, 2004, 25(6): 909-912．

[5]和彬彬, 段立強, 楊勇平. 回注蒸汽型微型燃氣輪機系統研究[J]．中國電機工程學報, 2008, 28(14): 1-5.

[6]顧偉, 孫紹芹, 翁一武, 等．采用渦旋膨脹機的低品位熱能有機物朗肯循環發電系統實驗研究[J]．中國電機工程學報, 2011, 31(17)：20-25．

[7]劉強, 段遠源．背壓式汽輪機組與有機朗肯循環耦合的熱電聯產系統[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(23): 29-36.