利用微型燃气轮机余热的ORC发电系统

杨玲

摘要：微型燃气轮机已被应用于分布式能源系统，其排气余热常用于供热与制冷。本文开展了利用微型燃气轮机排气余热的ORC发电系统的热力性能分析，结果表明额定工况下R113可以提高系统发电功率达60 kW以上，相当于微型燃机额定功率的30%。

关键词：微型燃气轮机；余热发电；有机朗肯循环；分布式能源系统

中图分类号：C35文献标识码： A

1 引言

近年来，微型燃气轮机的研究及应用在国内外得到了快速发展[1-5]，其功率一般在30-300 kW，具有结构简单紧凑、可靠性高、维护成本低以及污染物排放低等优点。微型燃气轮机可灵活满足用户的能源需求变化，已在分布式能源系统中得到了推广和应用。微型燃气轮机系统采用回热，有效利用排气余热加热进入燃烧室的空气，其排气温度一般可降低至270-300℃，排气余热一般可通过加热水进行供热或通过溴化锂吸收式制冷系统满足用户的冷负荷需求。然而对于只有电负荷需求而无热负荷或冷负荷需求的应用场合，排气余热只能用于发电。

由于微型燃气轮机的排气温度及总热量较低，不适宜采用蒸汽动力系统，而ORC在利用370 ℃以下低温热源发电方面具有更优的热经济性。ORC系统热效率高，且受负荷变化的影响较小；有机工质采用干流体，膨胀后处于过热区，不存在对气轮机叶片的侵蚀；有机工质的体积流量及膨胀比小于水蒸汽，有利于降低气轮机的尺寸和金属消耗量；此外，ORC气轮机还具有启停方便、负荷适应性好、部分负荷热效率高以及维护费用低等优势[6-7]。赵巍等[1]提出了微型燃气轮机与有机朗肯循环(ORC)组成联合循环，并以进行了设计分析。工质的热力学性质决定了ORC的热力性能，因此为了提高ORC余热发电系统的净输出功，本文分析了5工质的热力性能。

2 利用微型燃气轮机余热的ORC系统

利用微型燃气轮机排气余热的ORC发电系统如图1所示。燃气轮机排气在换热器中对有机工质进行加热，有机工质蒸气进入气轮机膨胀做功，由于采用干工质，膨胀后处于过热状态，为了减少冷源损失，充分利用气轮机排气显热，有机工质先通过回热器(IHE)对经泵加压的工质进行预热，然后再进入冷凝器。经回热器预热的有机工质进入换热器吸收排气余热，完成循环。

图1 利用微型燃气轮机排气余热的ORC发电系统

换热器中，排气加热有机工质，其能量平衡方程为

(1)

汽轮机的做功为

(2)

式中，为微型燃气轮机的排气量，为有机工质的流量，和分别为换热器进口和出口排气的比焓，为进入气轮机有机工质的比焓，为有机工质等熵膨胀后的比焓，为气轮机排气的比焓，为气轮机的相对内效率。

在回热器（IHE）中，气轮机的排气对经泵加压的液相工质进行加热，其能量平衡方程为

(3)

有机工质在冷凝器中的放热量为

(4)

工质泵的耗功为

(5)

利用微型燃气轮机排气余热的ORC系统的净输出功为

(6)

式中，ηm为气轮机的机械效率，ηg为发电机效率。

3热力性能分析

以某200 kW微型燃气轮机为例，优化不同工质的热力性能，探讨不同工质的热力特性及规律。该200 kW微型燃气轮机额定工况下排气量为1.33 kg/s，排气温度为280℃，虽然天然气含硫量较低，但是排气温度过低的话，依然可造成换热器壁面酸性腐蚀，因此换热器出口的排气温度设定为90℃，ORC的运行参数如表1所示。

表1ORC发电系统的计算参数设定值

参数 符号 设定值

气轮机相对内效率/% ηT 85

泵效率/% ηp 65

发电机效率/% ηg 98

机械效率/% ηm 97

冷凝温度/℃ t3 30

回热器夹点温差/℃ ΔtIHE 5

换热器夹点温差/℃ ΔtH 10

4 工质对比

由于燃机排气温度较高，因此以系统的净输出功最大为目标函数，对参数进行了优化，结果如表2所示。采用亚临界循环时，主气压力均设定为3 MPa，R600a和R601a的质量流量较小，比R245fa等工质约低50%。R600a的液相比热容较大，因此异丁烷与燃气间的温度匹配最差，造成的火用损失最大，其净发电功率也最小。而R113的液相比定压热容较小，在换热过程与燃气的匹配最好，其主气温度最高，所以ORC采用R113为工质时净发电功率最高，比采用R600a约提高38%。采用超临界循环时，工质与燃气间的温度匹配有较大的改善，R600a、R601a和R245fa与燃气换热过程的夹点在换热器入口处，而工质为R123和R113时，当换热量Q与总换热量的比值在0.3-0.4之间时才出现夹点，但是R123和R113与燃气间的温度匹配要优于其它3种工质。相对于亚临界循环，采用超临界循环可提高净发电功率，临界温度越低的工质，提高幅度越大，所比较的5工质中，R600a的临界温度最低，其提高幅度可达15%，R245fa采用超临界循环也可提高净发电功率8%以上，但是运行压力较高，甚至高于8 MPa。R113的临界温度最高，采用超临界循环，其运行压力最低，净发电功率最大，但是相比亚临界循环的提高幅度较小。

该200 kW微型燃气轮机的排气余热经ORC系统回收并进行发电，可有效扩大机组容量22-31%，体现了较高的热经济性。无论采用超临界循环还是亚临界循环，R113的热力性能均为最优。

表2ORC热力参数的优化结果及净发电功率

工质 循环形式 主气温度/℃ 主气压力/MPa 工质流量/kg·s-1 净发电功率/kW

R600a 亚临界 158.605 3 0.668 43.608

R245fa 亚临界 175.991 3 1.127 49.448

R601a 亚临界 185.246 3 0.599 54.827

R123 亚临界 201.101 3 1.209 56.339

R113 亚临界 210.629 3 1.334 60.155

R600a 超临界 205.144 7.981 0.629 50.228

R245fa 超临界 226.467 8.847 1.073 55.071

R601a 超临界 217.161 5.079 0.589 56.298

R123 超临界 242.739 6.516 1.174 59.787

R113 超临界 242.282 4.782 1.319 61.035

4 结论

近年来微型燃气轮机在能源领域得到了重视与发展。为了充分利用其排气余热，提高机组热经济性，减少环境热污染，本文针对微型燃气轮机余热ORC发电系统，开展了系统参数优化及工质的筛选。以系统净输出功为目标函数，分别优化了R600a、R601a、R245fa、R123和R113等5种工质的热力参数。采用亚临界循环时，主气压力均为3 MPa，临界温度高的工质，其主气温度高，且净输出功大。采用超临界循环，临界温度低的工质其净输出功的增幅较大，但是最佳主气压力较大。换热过程中R113与燃气温度间的匹配最好，其净输出功高于其它4工质。通过ORC利用微型燃气轮机的排气余热进行发电可提高机组容量20%以上。

参考文献

[1]赵巍, 杜建一, 徐建中．微型燃气轮机与有机朗肯循环装置组成联合循环的设计与分析[J]．中国电机工程学报, 2009, 29(29): 19-24．

[2]陶德安, 段立强, 徐智华. 微型燃气轮机热电联供系统的热力学分析[J]. 燃气轮机技术, 2010, 23(4): 54-57

[3]丰镇平, 刘晓勇, 张永海, 等. 微型燃气轮机热力系统的设计分析[J]．工程热物理学报, 2002, 23(S): 17-20．

[4]刘莉, 黄锦涛, 丰镇平. 100 kW微型燃气轮机冷电联产的经济性分析[J]. 工程热物理学报, 2004, 25(6): 909-912．

[5]和彬彬, 段立强, 杨勇平. 回注蒸汽型微型燃气轮机系统研究[J]．中国电机工程学报, 2008, 28(14): 1-5.

[6]顾伟, 孙绍芹, 翁一武, 等．采用涡旋膨胀机的低品位热能有机物朗肯循环发电系统实验研究[J]．中国电机工程学报, 2011, 31(17)：20-25．

[7]刘强, 段远源．背压式汽轮机组与有机朗肯循环耦合的热电联产系统[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(23): 29-36.