剩余高温热水ORC异步发电机在企业中应用

朱立照

1.HSRT 发电机说明

1.1 机组铭牌

HSRT 发电机铭牌内容主要包括机组型号、发电量及设计等级等，机组铭牌位于机组涡轮机电机的下方支架处。

1.2 系统原理

发电机组运行采用有机朗肯循环(ORC)的热力学原理（见图1）。

图1 HSRT 发电机组循环示意图

1）热源进入蒸发器，加热工质R245fa，使其蒸发；

2）高压的热工质蒸汽驱动涡轮发电机运转产生电能；

3）从涡轮发电机出来的乏汽经冷凝器冷却和凝结成液态工质；

4）液态工质经工质泵，增压后送回蒸发器，重复循环。

1.3 机组组成

HSRT 发电机组主要由涡轮机、蒸发式冷凝器、储液罐、工质泵、过热器、蒸发器、预热器、PLC 柜、并网柜等组成。（见图2）

1.3.1 涡轮机

HSRT 涡轮发电机其基本原理是利用喷嘴和叶轮将高温高压气体转化为高速流体，然后再将高速流体的动能转化为旋转机械的轴功，最后由机械能转换成电能，涡轮采用特殊材质制成，耐腐蚀性好，具有足够的强度确保高速旋转。涡轮的设计及气动性能计算均采用国际上最先进的技术设计，使其具有优良的流体力学性能，油润滑冷却系统及压力、温度、速度监控系统均集成在涡轮发电机内。

图2 典型HSRT 系列发电机组

1.3.2 蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器的实质是水冷式冷凝器和冷却塔组合在一起的换热设备，它利用空气强制流过水膜表面，在水膜表面饱和水蒸汽和湿空气中水蒸汽分压差的推动下，依靠水膜蒸发将工质凝结时释放的热量带走。此外，由于蒸发式冷凝器是将水冷冷凝器和冷却塔的换热温差合二为一，消除了二者之间的损失，因此该系统与冷却塔的水冷式冷凝器相比：传热效果好，冷凝温度低，省掉了冷却水系统，系统简化。

1.3.3 储液罐

蒸发式冷凝器将涡轮机排气冷凝为液体，然后流入储液罐。储液罐的作用是储存低压饱和液态工质，使得工况波动时仍有液体供应，同时为工质泵提供一定的入口压头，防止“气穴”储液罐配有液位计。

1.3.4 工质泵

工质泵将储液罐中的液态工质输送至预热器。机组运行期间，工质泵连续工作，并随工况进行变频调节，使发电机组始终保持最大发电量状态运行。

1.3.5 预热器

预热器为管壳式换热器，壳程走液态工质，管程走热源介质，预热器作用是将液态工质加热，使其达到饱和状态时进入蒸发器。

预热器为压力容器，其设计、制造、检验、验收均符合《压力容器安全技术监察规程》的规定。

1.3.6 蒸发器

蒸发器为卧式壳管式换热器，采用传热性能优良的高效蒸发管，管束的长度方向由支撑板支撑，液蒸发器作用是将液态饱和工质加热使其变为气态饱和工质并进入过热器。

蒸发器为压力容器，其设计、制造、检验、验收均符合《压力容器安全技术监察规程》的规定。

1.3.7 过热器

过热器为壳管式换热器，内装有传热性能优良的高效换热管，其作用是将气态饱和工质进行加热，使其变成过热气态，避免进入涡轮发电机的工质中含有液滴。

1.3.8 气动调节阀

机组进气阀、排气阀、热气旁通阀、水路进口阀、水路出口阀、水路旁通阀均选用气动调节阀。

气动调节阀由气缸带动阀板动作，实现快速开停机、调节发电量等目的，其开启及关闭由微电脑控制系统控制。

气动阀使用干燥、洁净的高压气体作动力，不可含水、杂质等。湿空气进入气缸，会产生腐蚀，使得气缸漏气、活塞锈死、气动阀失效。

1.3.9 油泵

油泵由电动机驱动齿轮泵，为系统提供高压润滑油。油泵排出油压稳定、脉冲小。油泵出口配备旁通管路，可以调节供油压力。长期停机，要保证油加热开启，油位处于正常范围内，机组运转前，点动油泵检测油压差是否处于正常范围内。

1.3.10 储油罐

储油罐的作用是储存润滑油，为油泵提供一定入口压头，保证油路正常循环。

1.3.11 PLC 柜

低温余热发电机组采用微电脑控制系统，确保机组安全可靠运行。并使低温发电机组输出的电能，其频率、电压、输出功率和功率因数满足用户要求。

PZJ-DK 控制系统可以实时检测发电机转速、输出电能的频率、输出功率和功率因数，通过机组控制柜和并网柜一起协作控制相关设备，得到符合要求的高质量电能。

1.3.12 并网柜

低温余热发电机组所用并网柜主要用于控制发电机的并网、解列，给发电机励磁，发电机电压、电流、频率、功率、功率因数等参数的监视和保护。向PLC 柜反馈并网柜运行信号、并网柜故障信号、并网柜功率反馈信号，接受PLC 柜发出的并网柜启停控制信号。

2、异步发电机工作原理

电机运行时可逆的，异步电机既可以作电动机运行，又可以作发电机运行。

当异步电机定子绕组接到三相交流电源后，三相电流通过定子绕组在气隙中产生一个以同步转速旋转的磁场。转子导条切割旋转磁场，在导条中产生感应电势和感应电流，感应电流与磁场作用产生电磁转矩。当转子转速小于同步转速时，磁场相对于转子的旋转方向与磁场的旋转方向相同，电磁转矩方向与磁场旋转方向一致，电动机处于电动状态。

当转子转速大于同步转速时，磁场相对于转子的旋转方向与磁场的旋转方向相反，转子导条中的感应电势、感应电流方向均发生改变，电磁转矩的方向与转子转向相反，为制动转矩。要保持转动，就必须由原动机拖动，输入机械功率。电动机将轴上的机械能转变为电能， 通过电源线向电网输送能量。

2.1、异步发电机并网原理

异步发电机接入电网极为简单，只要将转子拖到接近同步转速，并且转向和定子磁场旋转方向一致即可并入电网。

电动机处于发电状态并网发电时，相对异步发电机的容量，电网容量可认为无穷大，因此定子绕组的电势和频率就自动跟随电网，异步发电机定子绕组的电势和频率就取决于电网的电压和频率。对比同步发电机，异步电机无需电压矫正装置，且不像同步发电机需要同电压同相位的并网投入装置，也不会因同期问题对电网造成大的冲击。

电机向电网输送有功功率，需要从电网吸收无功功率进行励磁，电机出线端短路时，电机失去励磁，短路电流将很快衰减，不会有一个持续的短路电流。

2.2、异步发电机使用注意事项

2.2.1、相序确认

异步发电机并网前只需保证发电机产生的相序与电网一致，即必须确认拖动发电机的旋转方向与电动机运行时的旋转方向一致，因此并网前，需要在以电动机形式启动以确认电机转向。

2.2.2、无功补偿

异步发电机并网运行时，需从电网吸收滞后的无功功率以产生旋转磁场。数台异步发电机同时运行时，势必会影响电网的功率因数，使电网无功不足。因此，如果工厂中存在数量较多的异步发电机时，需要给电网并联适当的电容以补偿无功。

3.投资与收益

3.1 节能项目的预期年净发电量为779.04万度，预计年总发电效益为 428.47 万元（电价按0.55 元/度）。预计分享期内总净发电量为 7790.4 万度。

3.2 投资估算

项目投入估算土建 设备及安装工程副产余热凝液：300t/h—568t/h，105℃—132℃。发电 工程投资含设备采购、工程设计、安装、调试等详细内容见技术协议附表2：发电工程建设成本。1543.7 万按最终设计方案土建及配套工程管理成本 详见技术协议附表1 258.57 万资金财务成本 1543.7 万年利息8% 475.46 万设备10年期运营管理成本包括设备更换、维护保养、工质补充等，详见技术协议附表3 317.6 万增值税 详见技术协议附表1 205.67 万项目投入合计 约150万项目投入合计 约2800 万

3.3 节能收益=( 高温热水ORC 发电机组发电总量- 机组内部自耗电量)x 电价

直接效益，设计使用寿命为25年，按照预期寿命20年计算投资方考虑到实际工况波动，全年平均发电量，按设计点净发电功率的90%计算，全年运行时间按照8000h 计算，预计平均年净发电总量：1082kW*90%*8000h=779.04 万度/年合计：4284.7 万元间接收益分享因该项目投资后，（1）节省了部分空冷器的投资费用，约为200 万元。（2）节省了空冷器的耗电功率300kW，则节省电量约为：300kW*8000h=240万度/年，约132 万元/年。合计：1520 万元10年期内净收益2854.7 万元后10年的效益5604.7 万元

3.4 以周期年为期限时，双方约定节能项目每周期年运行时间为8000 小时。保证各机组正常负荷的热源工况为输送至机组边界范围内热水参数，按正常负荷计算的净发电功率为1082kW（系统自用电功率为287kW），年平均净发电功率按照正常负荷的计算净发电功率的90% 计算（1082kW*90%=973.8kW）。

4、装置性能考核前状况

中盐安徽红四方股份有限公司二期项目西区223C 凝结水余热发电装置配备3 台向心式ORC 低温发电机组，机组于2019年3月7日相继投用发电，并于3月22日开始进行性能考核验收。对3 台发电装置发电性能进行验收，考核装置是否达到验收条件；通过收集和整理相关数据，掌握装置物料状态、设备运行等方面的情况。

4.1 考核内容、项目

主要考察3 台发电装置在设计工况下，发电性能以及自耗电情况；

对进出发电机组的物料参数进行了解，以便后续工艺处理分析。

4.2 性能考核时间，计量、检测方法说明

1、性能考核时间：

2019年3月22日10：00 至2019年3月26日14：20，连续4 天(100，3 小时)。

2、性能考核方案

根据现场实际情况，厂区提供的热源温度为109℃～113℃，平均热源温度约111℃；热源平均流量约310t/h。此工况只能满足两台机组同时在接近设计工况下运行。

3#机组在验收阶段不间断运行超过96小时（已累计运行超过289 小时），1#机组在验收阶段不间断运行超过48 小时（累计运行超过317 小时），2#机组在验收阶段不间断运行超过48 小时（累计运行超过262 小时）。

按照计划，1#机组和2#机组在验收运行期间切换一次，两台机组于3月24日下午14：20 完成切换。

3、计量方法和要求：

发电装置发电量由高低压配电柜中的电表计量后计算得出。

进入发电装置的热水流量由总管上的热水流量计测量。

进入发电装置的热水进水温参照发电设备进口温度。

设计参数技术参数 单位 总设计值 单台设计值热水流量 t/h 436 145.3 热水进口温度 ℃ 114.4 114.4 发电功率 kW 1369 456.0 净发电功率 kW 1082 360.0

4.3 验收条件工况

验收数据不低于以上表格中净发电功率的90%。

在装置考核期间，对发电机组的运行参数进行记录，参考表-1。

同时在考核期间，对机组的总发电量做了记录，由高、低压配电柜中电能表统计，记录数据如表-2。

表-1

表-2 电能累计表

4.4 数据分析

根据数据统计，每日运行情况汇总到以下列表：

表-3 每日运行统计表

通过表-1及运行记录可以看出：装置在平均水温111℃，流量315m3/h 范围内机组稳定运行且各参数均在合理范围之内。

测试时间段起始时间 2019年3月22日结束时间 2019年3月26日蒸汽凝结水流量（t/h） 306-340进口温度（℃） 108.5-114.7出口温度（℃） 79.8-83.8起始发电累计电量（kWh） 262600结束发电累计电量（kWh） 360000考核期间累计发电量（kWh） 97400起始自耗累计电量（kWh） 69621结束自耗累计电量（kWh） 87646考核期间累计耗电量（kWh） 18025考核期间累计净发电量（kWh） 79375平均发电功率 （两台）（kW） 971平均自耗电功率（两台）（kW） 180平均净发电功率（两台）（kW） 791单台平均发电功率（kW） 486单台平均自耗电功率（kW） 90单台平均净发电功率（kW） 396

4.5 性能考核汇总表

从表-2，表-3统计的机组发电量可计算得到，机组的发电性能如表-4

由表-4可以看出：在现场实际条件下，单台机组运行性能满足设计要求。由于热源流量不足，只能满足2 台机组正常运行，导致装置总发电量未达到设计总发电量。

表-4

5.结论

三台机组皆可安全稳定运行，发电稳定。单台机组发电量在现有运行工况下，达到设计要求。后续调整热源温度和流量完全满足三台机组运行，发电量达到设计要求，经济效益可观。