ORC发电实例分析-普惠280机组

前言
ORC发电项目能不能挣钱？或者在什么条件下能挣钱？是许多企业关注的问题，然而目前在国内还很难准确回答这个问题，因为可供参考的案例和数据非常有限，许多企业也是摸着石头过河。今天小编带来一个近年发生在美国的详细案例，供大家参考。该机组仅运行46天就被迫关停，项目的回收期长达46年，该项目有哪些我们可以学习的经验和教训呢？请随小编一起来看。

项目简介
该项目是使用有机朗肯循环（ORC）机组回收利用柴油机的废热，提高系统整体效率，同时也验证ORC机组在寒冷地区应用的可行性。系统中的柴油机由美国通用公司制造，型号为710-G4CT2，额定功率3.7MW。ORC发电机组由普惠公司制造，标准输出功率280kW（型号Purecycle 280）。（ORC发电的原理，这里略去不讲，若有读者不清楚，可参考本公众号第一篇科普文章。）

工质
R245fa,（编者注，R245fa是目前ORC发电机组中使用最广泛的工质），该有机工质常被用于发泡剂或者制冷剂。系统工质充灌量为1450kg左右，当系统中有工质时，最好保证系统整体温度高于15.5℃，免得系统压力低于大气压，使得外界空气进入系统内部。
冷热源
普惠280机组采用冗余设计理念，来适应较宽泛的冷热源条件。热源温度在90-145℃之间都可以被接受，流量范围40-250m³/h, 冷源温度要求低于30℃。
电力系统
毛输出功率280kW, 最大净输出功率260kW, 当系统输出功率小于80kW时，系统自动关停。发电机输出三相交流电，额定电压480V，频率60HZ，功率因数大于0.95。
监控系统
该ORC机组具有远程监控功能，可通过互联网为运营商提供本地和远程控制。远程控制系统提供操作员和设备之间的通信，用于故障排除和远程软件更新，记录所有系统警报，历史性能数据的存储以及远程启动和关闭。
其他
该ORC机组设计用于-22°C至50°C的环境温度，在33英尺的距离内噪音低于78分贝，机组的设计寿命为20年。

2008年科罗拉多电力公司（Cordova ElectricCooperative，CEC）申请到了项目支持资金（Alaska EnergyAuthority, AEA），2010年开始安装机组，2010年夏天ORC机组的配套冷却塔及厂房建造完成，2012年秋季安装完成，之后经历了一个漫长的调试周期，直到2013年3月20日，第一次机组运行。然而只短短运行不到2个月的时间，所有数据表明，机组的运行效率根本无法盈利，因此停机。AEA为项目提供了部分资金支持，而大部分经费则由科罗拉多电力公司自己买单。该项目整体的花费超过了100万美元。
该ORC机组与一台3.7MW的柴油机相连，利用柴油机的余热（编者注：包括烟气及缸套水余热），该柴油机全年运行，而ORC机组只是在夏季运行（编者注：也许是系统功率，冬季散热大，缸套水温度较低），这样ORC机组的经济性大打折扣。从多个柴油发动机与乙二醇回路互连也是个很差的方案（编者注：乙二醇是中间导热介质），因为单个管道故障可能导致所有发电机关闭。还有一个问题是柴油机的规格千变万化，这就导致热源的规格变化很大。

我们考虑两种冷却方式，第一种是引用外水来冷却，包括来自附近的河流或者城市管道供水，然而该方案因铺设管道过长及输水泵功率较大而不经济，遂放弃。第二种是购买冷却塔，这种方法相对更省钱，最终被采用。

这个机组在关闭前，只在2013年的春天运行了46天，总共运行的时间为381.9小时，发电量总共为51302 kWh，每小时的发电量为134kW. 在没有ORC机组的时候，柴油机每加仑柴油的发电量为13.82 kWh，加上ORC机组后，该值被提升为14.32 kWh/gal。这样看，发电的效率提高了3.6%，或者每小时可以节省10-12加仑的柴油。我们预期ORC发电机组的效率是5-7%，然而实测中能达到的最高效率也就5%左右。我们项目中热源进口温度的平均温度为86.7℃，冷源为8.3℃，最大的输出功率为160kW. 而普惠280机组的设计毛功率为280kW，也就是说我们的项目只产生了设计功率的57%。如果考虑到热水，冷水及冷却塔风机的功耗，我们经济性就更惨不忍睹了，我们测算项目回收期需要大概45年，而机组的设计寿命只有20年。

冷却能力不足是本项目失败的最大关键，由于有柴油机供给ORC机组的热源低于90℃，因此整机的效率不高，这样相同的发电量，冷却侧的负荷就需要更大。而为了保证ORC透平保持在较优的压比，冷却侧的水温需要非常冷，这是使用冷却塔无法实现的。该项目的冷却塔尺寸过小，即使风扇以100％运转，也不可能将冷却侧温度降低到足够远。理想情况下，冷却水供应需要尽可能接近0℃，以便ORC机组获得额定功率。或者也可以尝试增加热源水温度，然而柴油发动机是有设计温度的，这意味着尝试提高柴油机的余热温度以增加ORC热源温度是不合理的。
结冰是蒸发冷却塔常遇到的另一个问题。当环境温度降至冰点以下时，塔体会发生冻结，积聚的冰会对塔架造成撕裂损坏，同时阻断机组运行。塔体结冰需要关闭ORC，通过热水回流解决，并使冷却塔上的风扇反转以便将冰吹出塔。而结冰的问题无法通过远程控制得到解决，这导致当发电厂在晚上没有工作人员时常出现问题。因此，ORC只能在白天有工人上班时运行。另一个问题是柴油发电机在蒸发器的返回管路上配备恒温器，如果返回发动机的液体低于所需温度，恒温器会关闭，切断热液体的流动到ORC并导致关机，这给ORC机组的稳定运行带来麻烦。发动机的排热和ORC所需的热量耦合需要在控制软件中做很好的设计，而这方面与制造商的沟通非常困难。普惠公司非常不愿意帮助我们与柴油机的软件互连。而普惠公司也于2012年12月被出售给三菱重工，这进一步使得协调困难。普惠派来到协调的技术人员专业水平严重不合格，错过了系统的关键问题。
普惠280机组构造良好，但它仍有几个设计缺陷也需要修复，包括系统电气控制面板，必须完全重建，以及泄漏问题。 ORC应该还有高压配件代替所使用的低压配件，而且几个PVC弯头都是用硅垫圈代替PVC制成的，应该是为了省钱。
普惠280机组需要在特定场所，温度更高的热源和更冷的冷源，热源温度达到110-120℃左右会更好。最困难的问题是冷却。对于阿拉斯加来说，蒸发冷却塔不是一个好的选择，特别是在寒冷地区，全年气温常常低于冰点。来自冰川水流，海洋或城市水箱的水冷却是更好选择，但是位置决定了安装这种类型的冷却系统将降低经济性，对环境的潜在影响也会是一个问题。还必须考虑项目的人工成本，无论是项目的人员还是时间，本项目的投资都是巨大的。与ORC的制造商沟通并与其他项目经理讨论ORC机组的运行经验也很重要，如果制造商不向您提供有关成功安装的其他地方的信息，也许就会出现问题。通常，制造商告诉您可以实现的结果，实际上是不可实现的，这时候经验分享变得很重要。建议与制造商签订书面合同，说明他们将在最初的几年内为失败提供支持和更换零件。

CEC非常感谢有机会测试这项新技术，虽然他们全力以赴地使项目取得成功，但此时此技术在阿拉斯加尚不可行。虽然他们确实成功地提高了柴油发电机的燃油效率，但ORC机组花费了额外的资金，却没有产生制造商承诺的电力。如果可以获得资金，可以使用城市水箱中的水冷却系统重新启动项目。这将为ORC冷凝器提供更好的冷却并加热水箱中的水，这是该镇长期的需求。然而，铺设管道并购买更大的泵以将流体输送到储罐投资较大，并且担心导热介质泄漏到水箱。提高热源温度是另一种考虑，但是考虑该方案之前必须获得许多柴油机排放许可。ORC技术与柴油发电机相结合可能在阿拉斯加有未来，但本项目的验证结果尚不能证实这一点。

ORC发电项目在国外成功与失败的案例都有，我们多分享经验才能少走弯路。ORC发电系统的经济性受许多参数的影响，任何未经过评估告诉你7年内能回收成本的承诺都是耍流氓（有些文献甚至认为4年就可以回收成本）。经济上可行的ORC系统有一个边界，这个边界与热源温度，热源负荷，热源稳定性，电价，运行时间等众多参数直接相关，广大学者们有必要基于实际的ORC机组项目，构建靠谱的系统模型来描绘出这样的边界条件，供广大的客户参考，即用科学可靠的模型回答什么样的ORC项目才能挣钱，而不是等项目建完了才突然发现经济上不可行，后悔莫及。小编也尝试分享更多实际案例，帮助投资者理性分析，答谢各位读者的支持。

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