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6. ORC系统的“肺”——换热器及工质泵
作为取热设备,换热器是ORC系统重要组成部分,也是ORC系统设备投资成本的主要一块,因此要慎重选择。换热器有两个最主要的性能指标,一是传热效率(通常反映在端差温度上),一是压力损失,换热器主要根据这两个参数来进行选型。ORC系统中通常使用两类换热器,管壳式(适合大功率热负荷场合)和板翅式或管板式(适合大功率热负荷场合)。
工质和热源换热有间接和直接两种方式,间接方式通过导热流体来取热,例如烟气余热回收发电。直接方式则直接将工质和热源换热,例如蒸汽、热水等。相比于冷凝器,蒸发器的要求更为严苛:必须要能承受高温,能承受结垢或腐蚀,蒸发器出口温度要高于烟气酸露点(通常要高于120~180℃)。对于直接与工艺过程进行换热的蒸发器,还必须把压降严格限制在工艺过程允许的范围内,同时,蒸发器的尺寸也必须满足现有空间的要求。
ORC系统另外一个重要的辅助设备就是工质泵,工质泵的作用是用来对冷凝后的液体进行提压,对于大多是ORC系统,工质泵还可以用来控制工质的质量流量,对于工质泵的选择通常要考虑以下几个因素:
1) 控制方式:容积泵的流量与转速几乎成正比关系,而离心泵的流量还和压头有关(蒸发压力与冷凝压力之差),通过使用变频技术,可以控制工质泵的转速,从而达到控制工质质量流量的目的。
2) 工质泵效率:工质泵的耗电量与液体的体积流量以及进出口压差成正比,泵的耗电率BWR (Back Work Raito)值可表示为泵的耗电量除以膨胀机的发电量。图15给出了常见ORC工质的BWR值,可以看出:工质的临界温度越高,泵的耗电率BWR值越低;BWR值随着蒸发温度的升高而增大,当系统在工质的临界点附近运行时,BWR值到达最大值。工质泵的效率还和电机的效率有关,因此,需要为泵配置合适的电机。根据厂家提供的数据,离心泵(通常用于大机组)的效率可以达到60%以上,而隔膜泵(通常用于小机组)的效率在40~50%左右。
3) 密封性能:ORC系统运行的密封性至关重要,由于注塞泵在运行过程中会产生回流,因此ORC系统多采用隔膜泵,当选用离心泵时,轴密封的选择非常重要。
4) 汽蚀余量NPSH:ORC系统在运行时必须避免在工质泵中产生汽蚀,否则有可能损坏工质泵,减小工质的流量,并有可能导致系统停机。通过采取以下几种措施,可以降低汽蚀发生的风险:增设前置泵以提高主泵的入口压力;降低工质泵或抬高冷凝器的重心位置;加入少量不凝气体以增加工质进入泵的压力;或将ORC工质冷却至过冷状态。
7. “下一代ORC”——未来ORC技术的发展方向
目前,绝大多数的商用ORC系统在设计上都相对简单:工质大多在临界状态以下运行;采用单一工质;蒸发压力固定;部分系统采用回热器。尽管第一代ORC系统已经发展相对成熟,但仍然有很大的改进空间。回顾蒸汽循环系统的发展历程,通过引入超临界以及超超临界循环技术,系统的发电效率从24%提高到了46%(700℃超超临界循环),那么,ORC系统的循环效率应该完全有可能提高到20%以上,而目前对于ORC系统而言,16%已经是很高的效率了。
“下一代ORC技术”的研究重点将主要包括ORC工质的优化选择(采用混合工质,甚至有可能使用完全新概念的ORC工质);对系统的流程设计进行创新改进;也有一些研究机构,把重点放在透平机械的优化设计上,希望通过提高透平效率来提高系统的运行效率。从系统控制的角度来看,目前的发展水平还是停留在对设计工况点进行控制,系统变工况运行的性能很差,有研究表明,通过改进系统的变工况运行控制,以适应热源条件的波动,系统的整体运行效率可提高10%。表7对未来ORC技术的发展方向进行了总结归纳:
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