前言

灌注蒸汽开采是当前或未来矿藏高效安全开采的有效途径之一。

由于开采过程中蒸汽注入量大且持续，在尾端不可避免存在大量的低品位余热蒸汽。

余热蒸汽的直接排放将产生巨大的能源浪费及严重的环境热污染。

对于矿藏热采低温余热蒸汽，由于温度和压力较低，无法直接进入工业汽轮机推动汽轮机做功，因而可采用有机朗肯循环(ORC)系统利用余热源加热低沸点工质使其达到高温高压状态并送入汽轮机做功来获取电能，该系统具有结构简单、效率高、环境污染小等优点。

本研究首次采用5 kW小型工业背压式汽轮机为原动机，以对流热采油页岩低温余热回收利用为工业背景。

在太原理工大学采矿工艺研究所内设计并搭建了一整套全工业化产品的低温余热蒸汽ORC热力发电实验系统，采用R11为实验测试工质，进行了ORC实验系统热力性能测试实验，实验测试结果为ORC系统的工业化应用及系统进一步的热力性能优化提供技术参考和设计依据。

低温余热ORC热力发电实验系统

以低温余热蒸汽为热源的ORC热力发电实验系统原理及实验系统如图所示。

低温余热ORC发电系统原理图

低温余热蒸汽发电实验系统主要由电加热蒸汽锅炉、工质泵、蒸发器、汽轮机、发电机、冷凝器、储液罐及相应的测量、控制系统组成。蒸发器和冷凝器采用管壳式换热器，由于余热蒸汽潜热值较大，故设计蒸发器换热面积18 m2，冷凝器换热面积12 m2。

低温余热ORC发电实验系统

蒸发器采用立式结构，自上而下设计为过热段和蒸发段，过热段设计目的为实现工质的过热防止工质进入汽轮机发生液击而损坏叶片，同时为防止蒸发器进气压力瞬间过大，在蒸发器上加装安全阀，根据汽轮机额定压力，安全阀压力设定1.2 MPa。

系统主要测量参数为工质在各个热力过程的温度、压力、流量以及汽轮机转速和发电机电功率。主要温度、压力、流量测点如图所示。汽轮机转速利用汽轮机上的转速传感器测定，发电机电功率通过电流表和电压表读数计算得出。

5 kW汽轮机组

实验数据处理及分析

实验过程中在任意一个蒸发压力下，待系统稳定发电后，记录实验数据，根据实验数据换算出工质在各状态点比焓后进行数据处理。

2.1实验数据处理

2.1.1汽轮机相对内效率

由于汽轮机相对内效率与工质在汽轮机进出口处的状态，以及工质在汽轮机中运行工况有关，因此工质的过热或欠饱和以及在汽轮机中发生的工质泄漏或者热泄漏对汽轮机相对内效率均有影响，故定义汽轮机相对内效率为工质实际进出口焓降与理论焓降之比:

ηT=(h4－h5a)/(h4－h5)(1)式中:h4—工质在汽轮机进口比焓，kJ/kg，h5a和h5—工质在汽轮机出口的实际比焓和理论比焓，kJ/kg。

2.1.2系统热效率

由于实际热源来自于矿山开采排放余热，因此用于提供蒸汽热源的电功率耗损可忽略不计，系统热效率可以由式(2)近似得出:η=t≈nWt1)(2)

式中:Wt—汽轮机输出功率，kW;WP—泵耗功，kW;h1—工质在工质泵入口比焓，kJ/kg。

这里需要特别指出的是，泵耗功并非为泵的额定功率，其耗功值可根据热力学第一定律由工质泵进出口侧工质焓降近似求得，工质在热力过程的焓值可由温度、压力计算得出，其计算式为:WP=nWF(h1－h2)/ηP(3)

式中:h2—工质在工质泵出口比焓，kJ/kg;ηP—泵效率，%。

实验结果及分析

3.1蒸发器出口工质热力状态

对于ORC热力发电系统，工质在汽轮机进出口焓差是影响系统热效率和净输出功率的重要因素。在汽轮机背压保持不变的情况下，汽轮机入口工质热力状态决定汽轮机做功的效能，而汽轮机入口工质热力状态由蒸发器换热性能决定。

蒸发器出口温度随蒸发压力变化规律

由图可以看出，工质在蒸发器出口处温度分布大部分高于理论饱和温度，这说明工质在出口处均达到了过热状态。在110℃热源条件下，由于蒸发器端部存在换热温差，造成工质出口温度不可能达到热源温度，在0．85 MPa左右，工质最高温度可达到102℃。

之后继续提升压力后工质温度基本保持不变，此时工质状态为气液两相状态，这种热力状态的工质不仅将降低汽轮机做功效能，同时在高压力下工质蒸汽干度低于90%时有可能对高速运转的汽轮机叶片造成液击现象进而损坏汽轮机，因此对于110℃热源，进入汽轮机的工质蒸发压力控制在0．85 MPa以内为宜。

4.1汽轮机性能实验结果

实验过程中为测试汽轮机性能，对汽轮机在不同工况条件下运行时转速进行了测试。下图为不同蒸汽热源温度，汽轮机转速随工质蒸发压力变化情况，其中空转工况为热源温度130℃时，断开发电机测定的汽轮机转速。

汽轮机转速随蒸发压力变化规律

由图可以看出，在实验能够达到的蒸发压力范围内，空载和带发电机运行两种工况下汽轮机转速均随蒸发压力的提升呈现不断增加的趋势，说明进入汽轮机的工质温度越高、蒸发压力越大，工质获得焓值越大，则汽轮机做功能力越高。

对于热源110℃蒸汽条件下，当蒸发压力超过0．85 MPa后，汽轮机转速明显下降，同时汽轮机出现振动现象，这是因为工质以两相状态进入汽轮机而造成汽轮机转速降低。

在带动发电机运行后，汽轮机转速大幅下降，在较低压力时，汽轮机输出转速极低，如0．4 MPa时仅能达到200 r/min，实验达到的最高蒸发压力下，其转速最高可达到1 205 r/min(热源130℃)，这一转速与同步发电机的额定转速基本能够匹配。

造成汽轮机转速大幅度降低主要原因一方面是由于采用皮带传动和带负载运行造成汽轮机输出转速下降;另一方面在较低的工质蒸发压力和蒸发温度下，由于汽轮机炭精密封环热膨胀较小，导致汽轮机动静密封存在较大间隙而造成一定的泄漏，工质蒸发温度越低，这种泄漏现象越明显，当提升工质蒸发温度和蒸发压力，这一现象逐渐改善至消失。

因此，对于采用汽轮机为原动机的低温余热蒸汽ORC系统，在实际运行过程中，为保证汽轮机稳定运行以及防止工质泄漏，系统应以较高蒸发温度和蒸发压力进入汽轮机做功。

5.1系统输出功率实验结果

下图为不同热源温度下汽轮机输出功率随工质蒸发压力的变化规律。

由图可以看出，在不同热源温度条件下，当工质以过热状态进入到汽轮机做功时，输出功率均随着工质蒸发压力的不断上升呈现不断增加的趋势。

汽轮机相对内效率随蒸发压力变化规律

随热源温度的增加，系统输出功率得到了提升。

这是因为热源温度增加导致换热量增大，工质获得更多的热量使得工质在蒸发器出口体积流量增加并且焓值增大，从而导致输出功率的进一步增加。因此，在矿藏热采开发过程尾端ORC系统应用中，在条件允许的情况下尽可能提升尾端余热热源温度。

实验过程中发现，对于110℃热源温度，系统蒸发压力达到0．85 MPa左右后，净输出功率呈现明显下降的趋势，这是因为蒸发器的换热面积有限同时存在窄点温差导致在较大蒸发压力时进入汽轮机的工质并未达到过热状态，工质存在气液两相状态。

从而使得系统输出功率降低，而气液两相状态在汽轮机高速运行过程中是必须避免的现象，因此在ORC系统运行过程中，根据热源温度、换热器换热面积确定工质进入汽轮机的最高允许蒸发压力是保证ORC系统稳定运行的关键问题之一。

系统输出功率随蒸发压力变化规律

由实验数据分析可知，提升热源温度，工质进入汽轮机的允许蒸发压力可得到提升，随着热源温度提升，汽轮机输出功率也得到提升，在整个实测数据中，系统输出功率最高可达到1．12 kW。

6.1系统热效率实验结果

下图为系统热效率随工质蒸发压力和热源温度变化情况。

系统热效率随蒸发压力变化规律

由图可以看出，在某一热源温度条件下，一方面，系统热效率随工质蒸发压力的提升呈现不断增加的趋势，这主要是因为提升蒸发压力可有效提高汽轮机的做功能力，从而进一步提高系统净输出功率。

另一方面，系统热效率随蒸发压力的升高其增幅呈现不断下降的趋势，这是因为随着蒸发压力的升高，尽管汽轮机进出口焓差不断增加，但是进入汽轮机的工质流量下降，最终导致系统输出功率和热效率增幅的不断降低。

实验测定ORC系统热效率并不是很高，主要是因为实验系统存在以下局限性:

(1)汽轮机在低温低压工作条件下气密性较差，汽轮机相对内效率偏低;

(2)工质泵效率偏低;

(3)机械传动及发电机效率低。

改善汽轮机密封性以及提高各设备及传动机构效率是提升系统热效率的重要保证。

结论

(1)搭建的低温余热蒸汽ORC发电实验系统能够稳定运行，采用工质R11实验测得系统最大热效率达到4．92%，最大净输出功率达到1．12 kW，该实验系统为进一步研究不同工质下ORC系统热力性能试验及优化提供实验平台和测试方法;

(2)背压式汽轮机由于背压存在效率较低，以低压低温运行时，泄漏量较大导致更低的转速及做功能力，提升工质蒸发压力可进一步改善泄漏及提升汽轮机相对内效率;

(3)低温余热蒸汽作为热源的ORC系统，由于潜热值大，蒸发器换热能力强，在实验蒸发压力范围内，以过热态进入汽轮机做功的工质，系统热效率和输出功率随蒸发压力的提升呈现不断增加的趋势，在系统设计时应尽量提升系统蒸发压力;

(4)随热源温度升高，进入汽轮机做功工质流量增加，焓值和过热度增大，系统输出功率增加，而热效率未发生明显变化。

参考文献:

［1］杨新乐，赵阳升，冯增朝，等．对流热采油页岩过程低温余热ORC系统热力分析［J］．热能动力工程．2012，27(6):664-669.

［2］江龙，Ecichard A．Groll．有机朗肯循环的发电系统的实验研究［J］．制冷学报．2012，33(1):18－21.

［3］顾伟，孙绍芹，翁一武，等．采用涡旋膨胀机的低品位热能有机物朗肯循环发电系统实验研究［J］．中国电机工程学报.2011，31(17):20－25.

［4］王志奇，周乃君，罗亮，等．几种低沸点工质余热发电系统的热力性能比较［J］．中南大学学报(自然科学版)．2010，41(6):2424－2429.

［5］]邢作霞，郭立立，陈雷．高比例分布式电源接入配电网的实验平台构建[J].实验技术与管理，2017,34(6):90-92,101.