【论文精选】天然气压力能与冷能联合发电系统的实验研究-煤气与热力杂志

作者：王奇斌，尚谨，庞燕梅夺命金字塔，马鸿敬
第一作者单位：马鞍山港华燃气有限公司
摘自《煤气与热力》2016年11月刊
1 天然气联合发电系统实验装置
基于压力能发电技术及有机朗肯循环发电技术的理论研究，设计压力能冷能联合发电系统，一方面高压天然气膨胀做功带动发电机发电；另一方面，冷能发电系统回收利用天然气膨胀产生的优质冷能，结合热空气或其他低品位热源，实现温差发电，两者的结合将大幅提升能源综合利用效率。为此，设计并搭建压力能冷能联合发电实验装置，其中压力能发电系统设计发电功率为20 kW，冷能发电系统设计发电功率为2 kW。
1.1 实验系统的设计
压力能与冷能联合发电实验装置见图1。上半部分为压力能发电系统，下半部分为冷能发电系统。压力能发电系统中，高压天然气经储气罐稳压后进入膨胀机1随身桃源空间，降温降压后输出机械能驱动发电机1发电，膨胀后的低压天然气经油分离器分离润滑油，后引入冷凝器中释放冷能，以冷却冷能发电系统的气态有机工质，升温后的天然气进入低压（或中压）管网或直接输送至用户。

图1 压力能与冷能联合发电实验装置
冷能发电系统中，低沸点有机工质经工质循环泵进入蒸发器，与低品位热源换热，升温达到饱和或具有一定过热度的高压蒸气，进入膨胀机2膨胀做功，输出机械能驱动发电机2发电，膨胀后的乏气进入冷凝器，与压力能发电系统产生的冷能换热后，冷凝为液态工质，然后由工质循环泵加压，进入蒸发器，实现循环运行。
两个子系统均设有旁通支路，便于机组检修。此外，当出现紧急事故、故障时，可以利用旁通支路快速卸载系统工质压力。
1.2 实验装置
实验装置考虑诸多因素对系统的整体运行状况的影响，高压气源是压力能发电系统的做功工质，气源稳定充足的供应直接影响着实验结果的稳定性，实验气源的选择及进排气设计是首先要解决的工作。有机工质的选择是冷能发电系统的关键，优质的有机工质才能发挥系统优势。膨胀机为压力能、冷能发电系统的核心组成部件，其性能参数直接决定了工质的能量转换效率及系统的发电量，膨胀机的合理选型至关重要。润滑油系统为膨胀机提供润滑及密封作用，是膨胀设备安全可靠运行的基本保障。
①压力能气源及进排气系统
充足且稳定的高压天然气气源是压力能发电系统的前提条件，是系统高效运行的关键。基于安全的考虑，根据实践经验，空气与天然气的物性基本呈线性关系，本实验中选用高压空气模拟天然气作为压力能发电介质。实验采用1台KD系列风冷螺杆空气压缩机为实验装置提供充足气源，空气压缩机性能参数见表1。该空气压缩机可设定不同的压力上下限参数，具有自动加卸载功能，维持动态平衡的供气状态，保证输出压力基本稳定。
表1 空气压缩机性能参数

为避免空气压缩机频繁加卸载，减少由于空气压缩机排气不连续引起的压力波动，保证稳定充足气源，在空气压缩机与膨胀机之间设置储气罐，用于减小压力波动。储气罐性能参数见表2。空气经膨胀机膨胀后，流经冷凝器后再排空。
表2 储气罐性能参数

②冷凝器、热源及蒸发器
a. 冷凝器
本实验冷凝器采用管壳式冷凝器，冷凝器性能参数见表3，有机工质走壳程，低温空气走管程。冷凝器一方面作为高压气体膨胀后的储气罐，起缓冲作用，使空气平稳排空，保障膨胀机出口压力稳定；另一方面有机工质与低温空气通过冷凝器换热，吸收冷能后充分凝结为液态，降低温差发电系统的冷凝温度和冷凝压力。冷凝器的最低位置与储液罐相连，以保证工质循环泵的正常工作。
表3 冷凝器性能参数

b. 热源及蒸发器
因实验期间环境温度较低，所以实验中利用电加热管加热空气，用热空气模拟低品位热源闭月羞花。蒸发器为风机盘管式。在风机盘管进风道上安装U形电加热管，三个为一组分布，左右两侧各两组，交叉分布，便于均匀加热空气，冷能发电循环工质在盘管中与热空气进行换热。运用电加热管加热的实验方法，其优点在于实验过程中可以根据需要的实验工况投入不同的加热管数量，从而控制热空气温度的相对稳定。
③膨胀机
膨胀机的类型、结构、性能以及转动部件的转速等均影响系统的发电量和发电效率，膨胀机的合理匹配对整个系统起决定性的作用。
本实验设计选用双螺杆膨胀机作为发电系统能量转化的核心部件。实验过程中选用CF90D4型螺杆压缩机进行改装，作为压力能发电系统的膨胀机，AW-172A型螺杆压缩机进行改装作为冷能发电系统的膨胀机。
④有机工质循环泵
实验中的冷能发电系统选用一种低沸点有机工质，该工质对一般常用的密封材料均有腐蚀性，当蒸发压力较高时，工质循环泵密封处有可能出现工质泄漏现象。而且随着系统长时间的运行磨损，泄漏现象越来越严重。实验选用耐腐蚀性的密封材料，以解决密封圈腐蚀泄漏的技术难点。工质循环泵性能参数见表4。
表4 工质循环泵性能参数

⑤同步发电机与并网设备
实验机组所用的两台发电设备均选用三相交流同步发电机，特点是使用安全可靠、维护简单方便裴涩琪复古舞，发电机性能参数见表5。
表5 发电机性能参数

发电机与螺杆机之间用三角皮带联结，由发电机与螺杆机转轮传动比的变化，改变发电机转速。发电机采用谐波励磁，在定子铁芯上除了主绕组外，另有一套谐波绕组，经过三相桥式硅整流器整流后通入磁场绕组进行励磁。由于三次谐波电压在电机负载时将相应增高，因此不需要其他任何复杂电压自动调节器即可达到自激恒压性能。
⑥润滑油系统
为保证膨胀机安全高效运行，压力能发电系统由油分离器、油泵及油过滤器等组成膨胀机的润滑油系统。机组运行后树界降临，油泵将润滑油打入膨胀机的腔体及轴承处，在润滑轴承、密封腔体的同时降低膨胀机噪声，之后膨胀机中的润滑油随着膨胀气体排出，油气混合物进入油分离器进行分离，分离出的润滑油经油过滤器过滤后再次进入油泵，实现循环过程，整个循环为闭式循环。为了简化实验装置，省略冷能发电系统的润滑油系统，采用在发电工质中添加适当比例的润滑油，以确保实验装置的安全高效运行。
润滑油系统中的油分离器将油气分离与储油集于一体，油分离效果可达到90%以上金贝辛格。根据实验中膨胀机改装前对应螺杆压缩机的需油量，选择油气分离器。考虑到工质膨胀过程将出现大幅降温，选用的润滑油必须满足：可低温运行，化学性能稳定，热稳定性好，蜡含量低，极低温工况不产生蜡质的堆积物，高介电强度，良好的绝缘性能。实验选用SUNISO 3GS润滑油，润滑油特性参数见表6。
表6 润滑油特性参数

1.3 实验测量仪器
①温度测量
选择精度较高的封装型PT1000铂电阻用于发电系统温度测量，封装型PT1000铂电阻技术参数见表7。
表7 封装型PT1000铂电阻技术参数

②压力测量
压力测量采用防爆显示型扩散硅压力变送器。该设备壳体采用隔离防爆设计，电路本安防爆设计及数字显示表头，实现现场显示，芯片具有过压保护，限流保护功能，抗冲击，防腐蚀味捷外卖，优点是高精度、高稳定、抗震动，信号隔离放大，抗干扰能力强，适合气体和液体的压力测量。压力变送器参数见表8。
表8 压力变送器参数

③流量测量
选用涡街流量计测量空气及有机工质的体积流量，涡街流量计参数见表9。流量计可以就地显示瞬时流量与累计流量，也可以输出标准电流信号，便于实时观测与记录保存数据。涡街流量计的安装应该满足仪表对安装点上下游直管段的要求，否则会影响仪表测量精度周诗璇。
表9涡街流量计参数

④转速测量
在发电机上安装霍尔式转速传感器，其参数见表10，霍尔式转速传感器是利用霍尔效应的原理制成的。传感器输出的信号传入电控柜的显示器，实时显示发电机的瞬时转速，根据发电机与膨胀机间的转轮传送比计算出膨胀机的转速。
表10 霍尔式转速传感器参数

⑤数据采集系统
实验中流量、压力及温度测量仪器输出4～20 mA标准电流信号，利用美国Agilent34970A数据采集器采集，并通过RS232接口与计算机实时通信。其中数据采集模块选用两个Agilent34901A多路复用器模块，适用于一般扫描的最通用多路转换器，能把高密度、多功能与60 通道/s的扫描速度结合在一起，适应多种多样的数据采集应用。此外，实验中将数据采集器的原始数据单位转换为目标设定单位的标度，在计算机上直接显示对应物理量的测量值。
2 系统实验研究
2.1 系统实验方法
实验分为两部分，第一部分为压力能发电系统的实验研究，第二部分为联合发电系统的实验研究。具体实验方法如下。
①实验前，油泵进口的球阀维持一定的开度，保证润滑油流量不变，设定并网逆变器上网电压，检查安全保护装置是否正常工作。
②实验开始时，设定膨胀机进口压力，开启油泵，润滑油系统正常运行后启动空气压缩机，同时运行数据采集系统进行相关数据采集。观察数据波动情况，以稳定运行10～15 min为准，记录并保存为一组数据。
③实验结束后，先停止运行空气压缩机再关闭油泵，打开膨胀支路气动阀，排放系统内的存留气体。设定的膨胀机进口压力从0.5 MPa增加到1.3 MPa，每间隔0.1 MPa测试一组数据，从而得到不同进口压力状态下，膨胀机进出口温度、出口压力、发电量等相关参数。进行重复实验，保证实验结果具有复现性，确保数据真实有效。由于空气压缩机采用风冷式压缩机，供气温度受环境温度的影响会有一定的波动，但对某一组实验数据而言，可以认为环境温度近似不变，供气温度在误差允许范围内视为稳定值。
④在压力能发电系统实验研究完成的基础上，向压力能冷能联合发电系统充入有机工质，对系统管段及主要设备采取绝热措施。联合发电系统实验方法与压力能发电系统基本相同，启动油泵后打开空气压缩机，同时启动风机盘管及电加热管，等压力能发电系统稳定运行后打开工质循环泵，然后进行实验数据采集。
2.2 系统的优化及性能分析
①压力能发电系统的优化
实验初期选用的膨胀机是由型号YS1060B的双螺杆压缩机改造的，螺杆压缩机的性能参数见表11。
表11 螺杆压缩机性能参数

该膨胀机原用于低温发电系统研究，在实验初期，膨胀机成功运转守宫砂原理，带动发电机发电，证明了压力能发电的可行性。但由于长时间的运行，膨胀机腔体间隙过大，膨胀效果下降，系统发电功率最大不超过5 kW，且波动较大，多数情况下发电功率不足2 kW。反复多次实验后，考虑更换膨胀机，改用CF90D4型螺杆膨胀机。
压力能发电系统实验初期出现的另一个主要问题是润滑油系统。润滑油进入膨胀腔体内，因黏度较大，可密封轴承、阴阳转子啮合线间的缝隙，减少了膨胀机气体泄漏量，进而提升膨胀机发电功率。但过量的润滑油侵占腔内容积，会对高压气体的充分膨胀造成一定的影响，进而影响系统发电功率。另外，润滑油系统中使用的油分离器是空气压缩机专用油分离器，在空气压缩机中，进入油分离器的是高压气体，而本实验是气体的膨胀过程，低压空气同油蒸气进入油分离器进行分离，而在低压工况下，油分离器性能下降，实验过程中可明显看出系统出口处空气夹带润滑油排出。为此，在进行压力能发电初期实验时，对油系统进行了简单测试。通过调节油泵进口处的阀门控制进入膨胀机的润滑油流量，经过数次实验得出适合的流量，使其既可以满足膨胀机润滑要求，同时减少了润滑油的损失。
高压空气由空气压缩机压缩输出，经储气罐稳压后进入膨胀机。实验过程中发现，膨胀机进口压力波动较大，不利于实验研究。因而对原有空气压缩机增设变频器，根据空气压缩机出口压力上下波动的趋势，通过变频即时控制电机转速，从而改变压缩机转速，响应空气压缩机出口压力的变化，降低甚至消除压力的波动，使其保持为稳定值（设定值），实现高品质空气的按需输出，进而保证了膨胀机进口压力的稳定。
经过初期实验调试，对实验系统进行优化改进，压力能发电系统实现了稳定运行，发电功率也有了一定的提升。
②实验数据处理
优化后的压力能发电系统采用CF90D4型螺杆膨胀机膨胀发电，20 kW的三相交流同步发电机组通过逆变器与工厂内电网连接，设定的上网电压为460 V，当发电系统输出电压升至460 V时古藤园，自动上网。上网过程中，上网电压基本稳定，发电机转速稳定在1 300 r/min左右，由传送比计算得出膨胀机转速为2 300 r/min左右。
实时记录发电系统的膨胀机进出口压力、进出口温度及进口体积流量等参数，处理数据时，去除波动较大的数据，选取较为稳定的数据进行处理，取平均值作为某一运行工况下的状态参数。运用REFPROP工质物性计算软件，根据膨胀过程进出口压力及温度，计算各个状态点的其他参数，进一步计算出发电系统的等熵效率、发电效率及?效率等。
③实验数据分析
实验均以膨胀机1为例进行。膨胀机空气口温度取决于空气进口压力。
a. 膨胀机出口压力、膨胀比随膨胀机进口压力的变化见图2，膨胀比及膨胀机出口压力随着膨胀机进口压力的升高而升高，膨胀比有一定的上升之后趋于稳定。膨胀机出口连接油分离器，受油分离器阻力影响，出口压力高于大气压力，实验测得的膨胀机出口压力也均高于大气压力。螺杆膨胀机属于容积型膨胀机，对于某一特定的膨胀机而言，其结构膨胀比为定值，当膨胀过程的膨胀比与结构膨胀比不一致时，系统会出现欠膨胀或过膨胀现象。实验所用膨胀机是由螺杆压缩机改装而成，自身结构膨胀比难以确定。图2中膨胀机计算出口压力指取实验中最大的膨胀比4.8时化学金排，计算各进口压力下的膨胀机出口压力，可以看出，计算出口压力均低于实际出口压力。根据实验数据推测出螺杆机的结构膨胀比约为5。

图2 膨胀机出口压力、膨胀比随膨胀机进口压力的变化
b. 膨胀机进出口温度及温差随膨胀机进口压力的变化见图3。可以看出，空气进口温度增幅较小，可视为不变。随着膨胀机进口压力的升高，空气出口温度逐渐降低，最低可降至-13 ℃；空气进出口温差随着膨胀机进口压力的升高而增大。随着进口压力的升高，膨胀机由过膨胀向完全膨胀过渡，膨胀机内空气膨胀越充分，等熵效率越高，焓降也越大，膨胀后空气的温降也越大。实验过程中，膨胀后空气温度低于露点，实验设备表面结露现象比较明显。膨胀机出口空气携带的优质冷能为后期压力能冷能联合发电系统的实验研究提供了可能性。

图3 膨胀机进出口温度及温差随膨胀机进口压力的变化
c. 空气冷量?随膨胀机进口压力的变化见图4，变化趋势验证了冷量?与膨胀比变化趋势的理论分析结果。冷量?随进口压力的升高而增大，冷量?关系到冷能发电系统的发电功率，在实际工程中，提升膨胀机进口压力，增加天然气膨胀降压后产生的冷能，可以增加系统发电功率郭淑娴。

图4 空气冷量?随膨胀机进口压力的变化
d. 系统单位质量发电量、发电效率随膨胀机进口压力的变化见图5。可以看出十香园，单位质量发电量随着进口压力的升高而增大，但增幅逐渐减小。当膨胀机进口压力为1.3 MPa时，单位质量发电量为35.73 kJ/kg。发电效率随着进口压力的升高不断变大盎司和磅，在1.2 MPa时出现峰值，发电效率最高为33.44%。

图5 系统单位质量发电量、发电效率随膨胀机进口压力的变化
e.系统发电功率及空气质量流量随膨胀机进口压力的变化见图6。系统发电功率随着膨胀机进口压力的升高而变大，空气质量流量随空气进口压力升高而变大。实验中进口压力为1.3 MPa时，系统发电功率达到14.2 kW。系统发电功率的大小由膨胀机进出口压力、进口温度及空气流量共同决定，本实验中相比于进口温度和出口压力的变化量而言，进口压力及空气流量的变化量较大，是影响发电功率的主要因素。空气进口压力升高，流量变大是因为高压空气由空气压缩机供给。压力越高，空气压缩机的转速越大，从而引起空气流量的增加，进而流经膨胀机的空气质量流量随之增加。

图6 系统发电功率及空气质量流量随膨胀机进口压力的变化
f. 膨胀机等熵效率、?效率及系统?效率随膨胀机进口压力的变化见图7。可以看出，随着膨胀机进口压力的升高，膨胀机等熵效率、?效率及系统?效率均呈现先增大后减小的趋势，在进口压力为1.2 MPa时出现最大值，分别为38.57%、32.73%、28.38%。影响膨胀机等熵效率的主要因素有膨胀机结构形式、工质物性及工况等，由于摩擦、泄漏、传热温差等不可逆因素，无法实现等熵膨胀。实验中，膨胀机转速为定值，进口压力增大，同时系统体积流量加大，接近膨胀机额定流量，气体膨胀充分，降低不可逆损失，从而等熵效率变大。当进口压力继续升高，流量超过额定流量，膨胀机泄漏影响变为主要因素，压力变大，泄漏量增加，造成不可逆程度变大，等熵效率下降。

图7膨胀机等熵效率、?效率及系统?效率随膨胀机进口压力的变化
系统?效率是指系统发电功率与膨胀机进出口空气焓?差值的比值，膨胀机?效率是指膨胀机输出轴功与膨胀机进出口空气焓?差值的比值。梅山七怪?效率表示可用能的利用程度，由于存在不可逆损失，实际膨胀是熵增过程，压力逐渐升高，等熵效率的变化影响?效率的变化。
g. 不同进口温度膨胀机等熵效率随膨胀机进口压力的变化见图8。当其他参数一定时，进口温度升高超级虫洞，膨胀机等熵效率降低。这是因为随着进口温度升高，膨胀机腔体内介质温差增大，冷热介质传热过程造成的不可逆内部损失增大，降低了膨胀机等熵效率。

图8 不同进口温度等熵效率随膨胀机进口压力的变化
h. 不同温度下单位质量发电量随膨胀机进口压力的变化见图9。当其他参数一定时，进口温度越高，单位质量发电量越多。单位质量发电量由多种因素决定，结合图8，可知，进口温度升高，使介质的热量?增大，系统的可用能增大，但温度升高降低了膨胀机的等熵效率，两者作用于系统发电量的影响是相反的。本实验中进口温度对系统的热量?的影响大于对膨胀机等熵效率的影响。

图9 不同温度下单位质量发电量随膨胀机进口压力的变化
3 实验分析、影响系统运行的原因及改进
3.1 联合发电系统实验分析
实验前对压力能冷能联合发电系统进行检漏，保证系统气密性达到要求，对系统管段及主要设备进行绝热，向冷能发电系统充入低沸点有机工质。准备工作完成后，开始压力能冷能联合发电系统的实验研究。
系统开机运行后，发现压力能发电系统可以正常运行，但冷能发电系统未能实现并网。因为压力能发电系统是开口系统，冷能发电系统对其没有太大影响，在联合发电系统实验中，压力能发电系统与其独立运行时的性能基本相同。
压力能冷能联合发电系统运行后，对实验数据进行处理，冷凝器和蒸发器实验数据处理结果分别见表12、13。由实验数据可以直观看出冷凝器和蒸发器的换热量偏低，蒸发压力与冷凝压力差值很小。
表12 冷凝器实验数据处理结果

表13 蒸发器实验数据处理结果

3.2 影响系统正常运行的原因
①压力能发电系统提供的冷能不足
一方面，因实验所用高压空气由空气压缩机提供，其出口温度高于常规天然气输送温度。另一方面，实验中螺杆膨胀机的等熵效率约35%，等熵效率偏低使膨胀过程中的空气温降远低于理论等熵膨胀过程。两方面因素综合影响，导致膨胀机出口空气温度最低为-13 ℃，而理论等熵膨胀过程的空气温度可降至-80 ℃。
此外，膨胀后空气需要经过油分离器后再进入冷凝器，这一过程中空气冷能损失严重，冷空气吸收外界环境热量，到达冷凝器时空气温度已经升至10 ℃左右。冷凝器中空气冷能不足，造成无法充分冷凝有机工质及降低冷凝压力。
②蒸发器换热性能差
实验蒸发器选用风机盘管式，因空气比热容小，要达到换热量要求需要增大空气流量或提高热空气进口温度顾菁菁。空气流量取决于风机功率，而实验用的风机功率偏低，空气流量无法调节。实验选用电加热管加热空气，理论上可以将热空气提升至要求的温度，但受现场条件限制学海中学，考虑设备安全问题，热空气温度最高加热到90 ℃左右。热空气能够提供的换热量不足，有机工质无法充分蒸发，螺杆膨胀机进口压力低，气态工质少，甚至不足以克服初始耗功量而驱动发电机发电。
③工质循环泵流量与蒸发器蒸发速率不匹配
设备开启后，工质循环泵定频运行，将液态有机工质送入蒸发器中。以风机盘管作为蒸发器，盘管换热效率低，有机工质与热空气换热后形成的蒸气量少，从而导致膨胀机输出功少，无法实现上网发电。而压力能发电系统提供的冷能不足，难以降低有机工质冷凝压力及冷凝温度顺职，有机工质未完全冷凝便以气态形式存入储液罐中。工质循环泵不断从储液罐中抽出工质，如此循环，造成了储液罐液态工质出现入不敷出的现象，等到储液罐液态工质被完全抽干后，工质循环泵体吸入有机工质蒸气。由于工质蒸气密度较低，工质循环泵叶轮产生的离心力非常小，叶轮中心产生的负压不足以将冷凝器继续冷凝下来的液态工质吸入，工质循环泵将空载运行。
3.3 实验的改进方向
①寻找合适的膨胀机，提高其等熵效率，降低膨胀后的空气出口温度。
②加强系统绝热措施，尤其是油分离器，避免额外的散热量损失。
③改进蒸发器或更换蒸发器形式，提高换热效率全能复制，或考虑更换热源载体，以热水代替热空气。
④根据压力能发电系统产生的冷能，选择与之匹配的冷凝器、蒸发器、工质循环泵等设备，设备间的匹配是系统正常运行的关键。
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