雙工質(zhì)發(fā)電工質(zhì)的選擇

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

理想的雙工質(zhì)應(yīng)該具備有如下的特征：

1)臨界溫度應(yīng)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(zhì)的壓力水平適宜。循環(huán)中蒸發(fā)溫度所對應(yīng)的飽和壓力不應(yīng)過高，冷凝溫度對應(yīng)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(yīng)接近零或大于零；

4)比熱容小，粘度低，傳熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性好；

5)毒性小、不易燃、不爆炸且與設(shè)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(zhì)有R123、R245fa、R245ca、異丁烷等。預(yù)選了8種有機工質(zhì)（R123 R124 R142B R236EA R114 R245fa R123 R141B R600），并對每種工質(zhì)系統(tǒng)進行設(shè)計計算。通過對工質(zhì)的熱效率，不可逆性損失，單位工質(zhì)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(zhì)選用R245ca。

由于熱熱回收后的中低溫?zé)崮懿灰變Υ?，?jīng)常被丟棄，采用余熱發(fā)電技術(shù)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(shù)進行余熱回收發(fā)電。低沸點循環(huán)發(fā)電技術(shù)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(zhì)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(jīng)蒸發(fā)器換熱，然后經(jīng)風(fēng)機回到煙氣混合器中。

2）低沸點ORC系統(tǒng)。低沸點有機工質(zhì)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(jīng)汽輪機絕熱膨脹，對外做功變成低溫低壓的氣體，再經(jīng)冷凝器放熱變成飽和的液體，然后通過有機工質(zhì)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(jīng)冷凝器吸熱后，通過循環(huán)水泵加壓，進入冷卻塔，經(jīng)冷卻塔冷卻后，再回到冷凝器中。

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(zhì)在管內(nèi)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(dāng)前國內(nèi)外普遍采用的氣-液換熱器形式，其結(jié)構(gòu)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(zhì)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(nèi)外在ORC系統(tǒng)冷凝器的研究也越來越重視，但國內(nèi)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(yīng)，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(dāng)今國際上最先進的高效緊湊的換熱器型式，具有傳熱系數(shù)高，緊湊度高，能夠有效地適應(yīng)溫度梯度造成的熱應(yīng)力等特點。在本系統(tǒng)設(shè)計中，水與工質(zhì)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(zhì)為R245ca，冷凝介質(zhì)為水。全焊高效板式換熱器是一種當(dāng)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?zé)崞鞯脑O(shè)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(xiàn)如下幾點：

1） 其所有的回?zé)崦娑加芍苯訁⑴c熱量交換的一次表面構(gòu)成，能夠比板翅式和管殼式結(jié)構(gòu)更有效地利用材料和空間，因此換熱效率高，回?zé)岫仍?0%以上；

2） 介質(zhì)流動通道的當(dāng)量直徑小（也可以根據(jù)需要調(diào)整當(dāng)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(nèi)處于完全逆流動，因此傳熱系數(shù)高、傳熱溫差大；

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

4） 換熱單元的內(nèi)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(yīng)溫度梯度造成的熱應(yīng)力，大大增強了抵抗熱循環(huán)疲勞的能力。當(dāng)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(dāng)。

一次表面換熱器通常采用模塊化設(shè)計，在需要時可以將幾個模塊串聯(lián)或并聯(lián)連接，這樣的設(shè)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(zhuǎn)子的異步電機，除了定子必然和電源相聯(lián)之外，轉(zhuǎn)子也可以和電源相聯(lián)，于是，當(dāng)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(lián)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(yīng)歸屬于外饋。

用于發(fā)電的地?zé)豳Y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(yīng)用的地?zé)崴l(fā)電主要是閃蒸系統(tǒng)和雙工質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)的地?zé)犭p工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)流程如《氨水混合工質(zhì)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(jīng)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?zé)崴訜峄旌瞎べ|(zhì)，低沸點工質(zhì)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(zhì)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(jīng)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。