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5.ORC系统的“心脏”——膨胀机
ORC系统的性能主要由其动力设备——膨胀机决定。从工作原理来分,膨胀机主要有两种:速度型(通常称为透平)和容积型,常见的容积型膨胀机有涡旋式和螺杆式,容积型膨胀机通常用于流量较小、转速较低的场合,适合小功率发电站(500KW以下)。
图10给出了三种膨胀机在不同应用中适合的不同功率范围。
5.1 透平膨胀机
透平膨胀机分为轴流式和径流向心式两种:轴流透平单级焓降小,但经过多级之后总焓降大,工质的体积流量较大,适合大功率;径流透平的转速比轴流透平高,单级焓降大即膨胀比大,适合较小的功率。与轴流透平相比,在中小功率段,径流透平的等熵效率(定义为机组膨胀过程实际输出的功率与等熵过程输出功率的比值)更高,变工况运行的综合性能更好。图11给出了径流透平典型的最佳效率(设计点效率)曲线与比转速系数的关系。
考虑到ORC工质的特性(即分子量较大,焓降较小,音速低),轴流ORC透平膨胀机的设计与传统的蒸汽轮机设计完全不同,因此,不能简单地把蒸汽轮机套用到ORC系统中发电。另外,透平膨胀机不适合太小的功率,因为输出功率越小,叶轮尺寸就越小,透平的转速就越高,此时透平的设计上会受到马赫数的限制。这也是为什么市面上的微型透平越来越少的原因,不过,实验室级别的微型透平样机还是有不少的成功案例。
5.2 容积型膨胀机
容积型膨胀机主要有活塞式,涡旋式,螺杆式和叶片式这几种。在实验研究中,涡旋式膨胀机的效率是最高的(可达70%以上),而螺杆膨胀机则用于大一点的功率工况(可高达几百千瓦)。
相比于透平膨胀机技术的成熟,严格地讲,目前市面上的容积式膨胀机都还处于样机研制阶段,绝大多数螺杆膨胀机技术来源于螺杆压缩机(有的仅仅是把气体的进出口对调),很少针对ORC应用重新开发新的叶型。
容积型膨胀机在小功率段可以很好地弥补透平的不足:转速低,可靠性较好(来源于现成的压缩机),运行过程中允许一定的带液量,并且效率不低(通常可在60%以上)。在使用容积式膨胀机的ORC系统中,当系统的实际膨胀比与膨胀机的额定膨胀比不相等时,系统将存在较大效率损失:膨胀不彻底(见图13中的左图)会导致膨胀之后的气体压力高于设计压力;膨胀过度(见图13中的右图)会导致膨胀之后的气体压力低于设计压力,这两种情况都会大大降低系统的效率。在实际运行过程中,膨胀不彻底是经常会出现的状况,因此,与透平膨胀机相比,容积式膨胀机不太适合较大的膨胀比(即较大的焓降工况)。
另外,容积式膨胀机的使用难点之一是润滑,由于有油螺杆或微油螺杆机采用喷油润滑的方式,润滑油会进入膨胀腔体污染工质,目前的解决方案是在膨胀机出口加一个油气分离罐,用来分离进入膨胀机内的润滑油,启动时需要较长的时间将罐中的ORC工质蒸发出来。无油螺杆虽然不存在这个问题,但由于转子间的间隙较大,随着机组运行时间的增加,机组的漏气率会增大,从而导致效率下降。
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