雙工質發(fā)電概述

由于熱熱回收后的中低溫熱能不易儲存，經常被丟棄，采用余熱發(fā)電技術對工業(yè)煙氣進行熱電回收。

有些工業(yè)煙氣余熱溫度較低（小于250℃），難以采用常規(guī)的發(fā)電技術進行余熱回收發(fā)電。低沸點循環(huán)發(fā)電技術是解決這一問題的一條途徑。

煙氣余熱ORC發(fā)電系統(tǒng)，其工藝裝配示意圖如圖1所示。

圖1 ORC發(fā)電系統(tǒng)工藝裝配示意圖

系統(tǒng)包括煙氣循環(huán)、雙工質和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，其工藝流程圖如圖2所示（工藝圖上包含了溫度計、壓力計等傳感器）：

圖2 煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)工藝流程圖

1）煙氣循環(huán)中。煙氣經蒸發(fā)器換熱，然后經風機回到煙氣混合器中。

2）低沸點ORC系統(tǒng)。低沸點有機工質通過蒸發(fā)器與煙氣進行換熱，吸收熱量后，由液體變成高溫高壓的氣體，經汽輪機絕熱膨脹，對外做功變成低溫低壓的氣體，再經冷凝器放熱變成飽和的液體，然后通過有機工質泵等熵壓縮到高壓并流到蒸發(fā)換器中進行換熱。

3）冷卻水循環(huán)。冷卻水經冷凝器吸熱后，通過循環(huán)水泵加壓，進入冷卻塔，經冷卻塔冷卻后，再回到冷凝器中。

在余熱發(fā)電過程中，工質對系統(tǒng)的性能起著關鍵作用。在選擇工質時，力求工質在熱源條件下吸熱多，并能把吸收的熱量有效地轉化成功。

理想的雙工質應該具備有如下的特征：

1)臨界溫度應該略高于循環(huán)中的最高溫度，以避免跨臨界循環(huán)可能帶來的諸多問題；

2)工質的壓力水平適宜。循環(huán)中蒸發(fā)溫度所對應的飽和壓力不應過高，冷凝溫度對應飽和壓力不宜過低，最好能保持正壓，以防止外界空氣的滲入而影響循環(huán)性能；

3)在T—S圖中飽和蒸氣線上ds/dT應接近零或大于零；

4)比熱容小，粘度低，傳熱系數高，熱穩(wěn)定性好；

5)毒性小、不易燃、不爆炸且與設備材料和潤滑油具有良好的兼容性；

6)不污染環(huán)境，ODP和GWP值較低；

7)價格便宜，且易于獲得。

對于ORC系統(tǒng)常用的工質有R123、R245fa、R245ca、異丁烷等。預選了8種有機工質（R123 R124 R142B R236EA R114 R245fa R123 R141B R600），并對每種工質系統(tǒng)進行設計計算。通過對工質的熱效率，不可逆性損失，單位工質的發(fā)電量，壓力水平以及安全性綜合考慮比較，本煙氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的工質選用R245ca。

因為煙氣灰塵較大，因此，蒸發(fā)器采用翅片管式換熱器，工質在管內蒸發(fā)，煙氣則通過管外壁換熱，管外的翅片可以大大增加換熱面積，這是當前國內外普遍采用的氣-液換熱器形式，其結構緊湊，耐磨性強，非常適合于煙氣余熱回收利用。

圖3 翅片管式高效蒸發(fā)器整體示意圖

管板起到固定管束的作用。工質通過下集箱進入換熱器，吸收空氣熱量蒸發(fā)后從上集箱離開換熱器，空氣則以垂直于管束方向通過換熱器管外。

翅片采用矩形翅片形式，這樣的形式的特點是翅片與管子之間能夠很好的焊接固定，可以有效減少間隙熱阻.

冷凝器的效率直接影響ORC系統(tǒng)的熱效率，因此國內外在ORC系統(tǒng)冷凝器的研究也越來越重視，但國內外使用的冷凝器基本還是采用管式或翅片管式。眾所周知，管式換熱器換熱效率低，占用體積龐大，這對緊湊型工廠很不適應，因此，本系統(tǒng)采用世界上換熱效果好、緊湊度高的一次表面換熱器。全焊式一次表面換熱器是一種當今國際上最先進的高效緊湊的換熱器型式，具有傳熱系數高，緊湊度高，能夠有效地適應溫度梯度造成的熱應力等特點。在本系統(tǒng)設計中，水與工質在冷凝器中以逆流方式換熱，使得傳熱溫差可以達到最大，這樣的流動形式可以顯著減小所需換

其中工質為R245ca，冷凝介質為水。全焊高效板式換熱器是一種當今國際上最先進的高效緊湊的換熱器型式。它采用了不同于傳統(tǒng)回熱器的設計思想，融合了管殼式、板翅式和板式等幾種換熱器的優(yōu)點，新穎性主要體現如下幾點：

1） 其所有的回熱面都由直接參與熱量交換的一次表面構成，能夠比板翅式和管殼式結構更有效地利用材料和空間，因此換熱效率高，回熱度在90%以上；

2） 介質流動通道的當量直徑小（也可以根據需要調整當量直徑大小，從而滿足工藝需要），而且冷、熱流體在換熱芯體內處于完全逆流動，因此傳熱系數高、傳熱溫差大；

3） 換熱芯體采用模塊設計，由多個換熱單元組成，易于生產、裝配和調節(jié)，具有很強的適應性和可靠性；

4） 換熱單元的內部可以不存在焊點和焊縫，板片及換熱單元能夠有效地適應溫度梯度造成的熱應力，大大增強了抵抗熱循環(huán)疲勞的能力。當然，為了增加冷熱通道的抗壓強度，板片間凸點可以焊接；

5） 制造費用和周期與板翅式相當。

一次表面換熱器通常采用模塊化設計，在需要時可以將幾個模塊串聯或并聯連接，這樣的設計可以使制作、運輸和安裝更為方便，并且可以更合理的利用場地空間。

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“注意，“Fed”并不確指電能的交換方向（輸出還是輸入），所以，雙饋既有雙饋發(fā)電機，亦有雙饋電動機。對于繞線轉子的異步電機，除了定子必然和電源相聯之外，轉子也可以和電源相聯，于是，當電機作為發(fā)電機時，稱之為雙饋異步發(fā)電機；反之作為電動機時，則稱為雙饋異步電動機，而只有一端和電源相聯的普通電機則屬于“單饋”。

還要指出，雙饋發(fā)電或雙饋電動均屬于和外部電源的電能交換，因此，雙饋（Double Fed）以及串級（Cascade Control）都應歸屬于外饋。

用于發(fā)電的地熱資源，目前主要有三種，即水熱資源、地壓資源和干熱巖資源。但目前只有水熱資源能用于商業(yè)發(fā)電，其余還處于試驗階段。實際應用的地熱水發(fā)電主要是閃蒸系統(tǒng)和雙工質循環(huán)系統(tǒng)。

要提高動力循環(huán)的發(fā)電效率，只有改善循環(huán)吸熱過程和放熱的換熱溫度匹配。采用水作工質的動力循環(huán)朗肯(Rankine)循環(huán)的蒸發(fā)和冷凝過程都是恒溫的等溫相變過程。這樣，工質和熱源及冷源的換熱就不能達到最佳的溫度匹配，引起較大的有效能損失。

非共沸混合物等壓相變過程是一變溫過程，如果以其作為動力循環(huán)的工質就可以與變溫的熱源和冷源達到滿意的溫度匹配，降低蒸發(fā)和冷凝過程的有效能損失，提高循環(huán)的發(fā)電效率 。

采用NH3? -H?0混合工質的地熱雙工質發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)流程如《氨水混合工質動力循環(huán)流程圖》所示。

該循環(huán)系統(tǒng)由發(fā)生器、換熱器、汽輪機、吸收器、節(jié)流閥以及泵組成。壓力為7. 5 xlOSPa，濃氨水溶液被冷卻水冷卻由狀態(tài)1經過泵加壓到狀態(tài)2，進人換熱器換熱升溫后，達到狀態(tài)點3，然后送人發(fā)生器，由地熱水加熱混合工質，低沸點工質氨開始蒸發(fā)，并從混合物中分離出來。從發(fā)生器出來工質蒸氣4進人汽輪機膨脹做功，汽輪機出口排氣5進人吸收器被來自6的稀溶液吸收，釋放的熱量由冷卻水帶走，并回到狀態(tài)1的濃氨水溶液。發(fā)生器出口7為稀氨水溶液，它首先通過換熱器放熱到狀態(tài)8，再經過節(jié)流閥減壓后進人吸收器，吸收來自汽輪機出口排氣，完成整個循環(huán)過程。