前言
ORC發(fā)電項目能不能掙錢？或者在什么條件下能掙錢？是許多企業(yè)關(guān)注的問題，然而目前在國內(nèi)還很難準確回答這個問題，因為可供參考的案例和數(shù)據(jù)非常有限，許多企業(yè)也是摸著石頭過河。今天小編帶來一個近年發(fā)生在美國的詳細案例，供大家參考。該機組僅運行46天就被迫關(guān)停，項目的回收期長達46年，該項目有哪些我們可以學習的經(jīng)驗和教訓(xùn)呢？請隨小編一起來看。
項目簡介
該項目是使用有機朗肯循環(huán)（ORC）機組回收利用柴油機的廢熱，提高系統(tǒng)整體效率，同時也驗證ORC機組在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可行性。系統(tǒng)中的柴油機由美國通用公司制造，型號為710-G4CT2，額定功率3.7MW。ORC發(fā)電機組由普惠公司制造，標準輸出功率280kW（型號Purecycle 280）。（ORC發(fā)電的原理，這里略去不講，若有讀者不清楚，可參考本公眾號第一篇科普文章。）
普惠280 ORC機組技術(shù)細節(jié)
工質(zhì)
R245fa,（編者注，R245fa是目前ORC發(fā)電機組中使用最廣泛的工質(zhì)），該有機工質(zhì)常被用于發(fā)泡劑或者制冷劑。系統(tǒng)工質(zhì)充灌量為1450kg左右，當系統(tǒng)中有工質(zhì)時，最好保證系統(tǒng)整體溫度高于15.5℃，免得系統(tǒng)壓力低于大氣壓，使得外界空氣進入系統(tǒng)內(nèi)部。
冷熱源
普惠280機組采用冗余設(shè)計理念，來適應(yīng)較寬泛的冷熱源條件。熱源溫度在90-145℃之間都可以被接受，流量范圍40-250m3/h, 冷源溫度要求低于30℃。
電力系統(tǒng)
毛輸出功率280kW, 最大凈輸出功率260kW, 當系統(tǒng)輸出功率小于80kW時，系統(tǒng)自動關(guān)停。發(fā)電機輸出三相交流電，額定電壓480V，頻率60HZ，功率因數(shù)大于0.95。
監(jiān)控系統(tǒng)
該ORC機組具有遠程監(jiān)控功能，可通過互聯(lián)網(wǎng)為運營商提供本地和遠程控制。 遠程控制系統(tǒng)提供操作員和設(shè)備之間的通信，用于故障排除和遠程軟件更新，記錄所有系統(tǒng)警報，歷史性能數(shù)據(jù)的存儲以及遠程啟動和關(guān)閉。
其他
該ORC機組設(shè)計用于-22°C至50°C的環(huán)境溫度，在33英尺的距離內(nèi)噪音低于78分貝， 機組的設(shè)計壽命為20年。
項目經(jīng)過
? ? 2008年科羅拉多電力公司（Cordova ElectricCooperative，CEC）申請到了項目支持資金（Alaska EnergyAuthority, AEA），2010年開始安裝機組，2010年夏天ORC機組的配套冷卻塔及廠房建造完成，2012年秋季安裝完成，之后經(jīng)歷了一個漫長的調(diào)試周期，直到2013年3月20日，第一次機組運行。然而只短短運行不到2個月的時間，所有數(shù)據(jù)表明，機組的運行效率根本無法盈利，因此停機。AEA為項目提供了部分資金支持，而大部分經(jīng)費則由科羅拉多電力公司自己買單。該項目整體的花費超過了100萬美元。
? ? ? 該ORC機組與一臺3.7MW的柴油機相連，利用柴油機的余熱（編者注：包括煙氣及缸套水余熱），該柴油機全年運行，而ORC機組只是在夏季運行（編者注：也許是系統(tǒng)功率，冬季散熱大，缸套水溫度較低），這樣ORC機組的經(jīng)濟性大打折扣。從多個柴油發(fā)動機與乙二醇回路互連也是個很差的方案（編者注：乙二醇是中間導(dǎo)熱介質(zhì)），因為單個管道故障可能導(dǎo)致所有發(fā)電機關(guān)閉。還有一個問題是柴油機的規(guī)格千變?nèi)f化，這就導(dǎo)致熱源的規(guī)格變化很大。
? ? ? 我們考慮兩種冷卻方式，第一種是引用外水來冷卻，包括來自附近的河流或者城市管道供水，然而該方案因鋪設(shè)管道過長及輸水泵功率較大而不經(jīng)濟，遂放棄。第二種是購買冷卻塔，這種方法相對更省錢，最終被采用。
? ? 這個機組在關(guān)閉前，只在2013年的春天運行了46天，總共運行的時間為381.9小時，發(fā)電量總共為51302 kWh，每小時的發(fā)電量為134kW. 在沒有ORC機組的時候，柴油機每加侖柴油的發(fā)電量為13.82 kWh，加上ORC機組后，該值被提升為14.32 kWh/gal。這樣看，發(fā)電的效率提高了3.6%，或者每小時可以節(jié)省10-12加侖的柴油。我們預(yù)期ORC發(fā)電機組的效率是5-7%，然而實測中能達到的最高效率也就5%左右。我們項目中熱源進口溫度的平均溫度為86.7℃，冷源為8.3℃，最大的輸出功率為160kW. 而普惠280機組的設(shè)計毛功率為280kW，也就是說我們的項目只產(chǎn)生了設(shè)計功率的57%。如果考慮到熱水，冷水及冷卻塔風機的功耗，我們經(jīng)濟性就更慘不忍睹了，我們測算項目回收期需要大概45年，而機組的設(shè)計壽命只有20年。
經(jīng)驗教訓(xùn)及建議
? ? ? 冷卻能力不足是本項目失敗的最大關(guān)鍵，由于有柴油機供給ORC機組的熱源低于90℃，因此整機的效率不高，這樣相同的發(fā)電量，冷卻側(cè)的負荷就需要更大。而為了保證ORC透平保持在較優(yōu)的壓比，冷卻側(cè)的水溫需要非常冷，這是使用冷卻塔無法實現(xiàn)的。該項目的冷卻塔尺寸過小，即使風扇以100％運轉(zhuǎn)，也不可能將冷卻側(cè)溫度降低到足夠遠。理想情況下，冷卻水供應(yīng)需要盡可能接近0℃，以便ORC機組獲得額定功率?；蛘咭部梢試L試增加熱源水溫度，然而柴油發(fā)動機是有設(shè)計溫度的，這意味著嘗試提高柴油機的余熱溫度以增加ORC熱源溫度是不合理的。
? ? 結(jié)冰是蒸發(fā)冷卻塔常遇到的另一個問題。當環(huán)境溫度降至冰點以下時，塔體會發(fā)生凍結(jié)，積聚的冰會對塔架造成撕裂損壞，同時阻斷機組運行。塔體結(jié)冰需要關(guān)閉ORC，通過熱水回流解決，并使冷卻塔上的風扇反轉(zhuǎn)以便將冰吹出塔。而結(jié)冰的問題無法通過遠程控制得到解決， 這導(dǎo)致當發(fā)電廠在晚上沒有工作人員時常出現(xiàn)問題。因此，ORC只能在白天有工人上班時運行。另一個問題是柴油發(fā)電機在蒸發(fā)器的返回管路上配備恒溫器，如果返回發(fā)動機的液體低于所需溫度，恒溫器會關(guān)閉，切斷熱液體的流動到ORC并導(dǎo)致關(guān)機，這給ORC機組的穩(wěn)定運行帶來麻煩。發(fā)動機的排熱和ORC所需的熱量耦合需要在控制軟件中做很好的設(shè)計，而這方面與制造商的溝通非常困難。普惠公司非常不愿意幫助我們與柴油機的軟件互連。而普惠公司也于2012年12月被出售給三菱重工，這進一步使得協(xié)調(diào)困難。普惠派來到協(xié)調(diào)的技術(shù)人員專業(yè)水平嚴重不合格，錯過了系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。
? ? ? 普惠280機組構(gòu)造良好，但它仍有幾個設(shè)計缺陷也需要修復(fù)，包括系統(tǒng)電氣控制面板，必須完全重建，以及泄漏問題。 ORC應(yīng)該還有高壓配件代替所使用的低壓配件，而且?guī)讉€PVC彎頭都是用硅墊圈代替PVC制成的，應(yīng)該是為了省錢。
? ? 普惠280機組需要在特定場所，溫度更高的熱源和更冷的冷源，熱源溫度達到110-120℃左右會更好。最困難的問題是冷卻。對于阿拉斯加來說，蒸發(fā)冷卻塔不是一個好的選擇，特別是在寒冷地區(qū)，全年氣溫常常低于冰點。來自冰川水流，海洋或城市水箱的水冷卻是更好選擇，但是位置決定了安裝這種類型的冷卻系統(tǒng)將降低經(jīng)濟性，對環(huán)境的潛在影響也會是一個問題。還必須考慮項目的人工成本，無論是項目的人員還是時間，本項目的投資都是巨大的。與ORC的制造商溝通并與其他項目經(jīng)理討論ORC機組的運行經(jīng)驗也很重要，如果制造商不向您提供有關(guān)成功安裝的其他地方的信息，也許就會出現(xiàn)問題。通常，制造商告訴您可以實現(xiàn)的結(jié)果，實際上是不可實現(xiàn)的，這時候經(jīng)驗分享變得很重要。建議與制造商簽訂書面合同，說明他們將在最初的幾年內(nèi)為失敗提供支持和更換零件。
結(jié)論
? ? ? CEC非常感謝有機會測試這項新技術(shù)，雖然他們?nèi)σ愿暗厥鬼椖咳〉贸晒?，但此時此技術(shù)在阿拉斯加尚不可行。雖然他們確實成功地提高了柴油發(fā)電機的燃油效率，但ORC機組花費了額外的資金，卻沒有產(chǎn)生制造商承諾的電力。如果可以獲得資金，可以使用城市水箱中的水冷卻系統(tǒng)重新啟動項目。這將為ORC冷凝器提供更好的冷卻并加熱水箱中的水，這是該鎮(zhèn)長期的需求。然而，鋪設(shè)管道并購買更大的泵以將流體輸送到儲罐投資較大，并且擔心導(dǎo)熱介質(zhì)泄漏到水箱。提高熱源溫度是另一種考慮，但是考慮該方案之前必須獲得許多柴油機排放許可。ORC技術(shù)與柴油發(fā)電機相結(jié)合可能在阿拉斯加有未來，但本項目的驗證結(jié)果尚不能證實這一點。
小編點評
ORC發(fā)電項目在國外成功與失敗的案例都有，我們多分享經(jīng)驗才能少走彎路。ORC發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性受許多參數(shù)的影響，任何未經(jīng)過評估告訴你7年內(nèi)能回收成本的承諾都是耍流氓（有些文獻甚至認為4年就可以回收成本）。經(jīng)濟上可行的ORC系統(tǒng)有一個邊界，這個邊界與熱源溫度，熱源負荷，熱源穩(wěn)定性，電價，運行時間等眾多參數(shù)直接相關(guān)，廣大學者們有必要基于實際的ORC機組項目，構(gòu)建靠譜的系統(tǒng)模型來描繪出這樣的邊界條件，供廣大的客戶參考，即用科學可靠的模型回答什么樣的ORC項目才能掙錢，而不是等項目建完了才突然發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟上不可行，后悔莫及。小編也嘗試分享更多實際案例，幫助投資者理性分析，答謝各位讀者的支持。
附錄
英文原文鏈接
http://acep.uaf.edu/media/130256/Case-Study-of-the-PureCycle-280-Organic-Rankine-Cycle-Machine-2014-Venables.pdf
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