前言

工業(yè)生產(chǎn)過程以及冷卻和燃燒系統(tǒng)中產(chǎn)生的廢熱一直是一種未被充分利用的能源，直到現(xiàn)在依然如此。Orcan Energy公司的ePack余熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于從較小體積熱量中捕獲能量而言非常理想，例如由熱電聯(lián)產(chǎn)電廠產(chǎn)生的熱能。貝加萊控制技術(shù)可以顯著提升ePack系統(tǒng)效能，并允許其無人值守和非滿負(fù)荷運(yùn)行。

全球各地每秒鐘都有大量未利用能源以廢熱形式進(jìn)入大氣中。燃燒化石燃料的電站、鍋爐和機(jī)動(dòng)車僅能利用所釋放出總能量的三分之一左右。沼氣同樣如此，盡管采用了先進(jìn)技術(shù)，然而其效率仍只有40%左右。其余60%能量作為熱量被排出。到現(xiàn)在為止，這種熱能僅能得到有限程度的利用，例如用于區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)。由于缺乏消費(fèi)者，往往僅有10%的廢熱被用來加熱沼氣系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)建筑中的發(fā)酵罐。

ePack余熱發(fā)電系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為將固定式內(nèi)燃機(jī)中的熱能轉(zhuǎn)化為電能。通過使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組件和批量生產(chǎn)工藝，每千瓦時(shí)的發(fā)電成本可降至極具競(jìng)爭(zhēng)力的水平。

采用ORC技術(shù)的余熱發(fā)電系統(tǒng)

將尚未開發(fā)的熱能變成有利可圖的資源促使總部位于慕尼黑的Orcan Energy公司開發(fā)出了ePack余熱發(fā)電系統(tǒng)。“ePack使用ORC技術(shù)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。相比于傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)，這種方法可以有效利用低溫余熱，”Orcan Energy公司銷售經(jīng)理DetlefEissing解釋道。

然而，ORC技術(shù)本身并不新鮮。許多不同的德國(guó)工廠已經(jīng)利用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）實(shí)現(xiàn)余熱發(fā)電。不同于傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)，ORC過程不會(huì)使用水作為其傳熱介質(zhì)，而是使用如氨、丁烷和戊烷這些沸點(diǎn)明顯低于水的有機(jī)物作為傳熱介質(zhì)，系統(tǒng)工作溫度則介于80℃~500℃之間。

但ORC發(fā)電系統(tǒng)僅被用于少數(shù)高度專業(yè)化的應(yīng)用。“事實(shí)上，每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)都必須被定制以適應(yīng)特定的應(yīng)用要求。這意味著，每次都需要重新設(shè)計(jì)或開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)或部分系統(tǒng)，”Eissing說道，“雖然這可能幫助我們提升百分之幾的效率，但是卻極大地增加了系統(tǒng)成本，降低了在低溫余熱應(yīng)用中的成本效益。

利用廢氣和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液余熱發(fā)電的ePack余熱發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率為20千瓦

標(biāo)準(zhǔn)組件批量生產(chǎn)

在開發(fā)ePack的過程中，Orcan決定使用易于修改的現(xiàn)有技術(shù)和組件。這意味著，公司不必開發(fā)自己的蒸汽輪機(jī)，而是依賴大批量生產(chǎn)通常用于制冷的壓縮機(jī)。“這使我們能夠顯著降低ORC系統(tǒng)的投資成本。此外，這為我們及我們的客戶提供了組件可靠性保障，不會(huì)受到初次遇到的問題困擾，”Eissing強(qiáng)調(diào)說。

因此，Orcan在控制技術(shù)方面也同樣使用了經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的產(chǎn)品。ePack將貝加萊Power Panel 65觸摸屏用作控制和顯示。參與ePack開發(fā)的機(jī)械工程師Jens-Patrick Springer表示，“選擇貝加萊方案的一個(gè)關(guān)鍵因素是其高品質(zhì)的Power Panel，它具備最佳應(yīng)用處理能力。”

利用貝加萊技術(shù)節(jié)約成本

控制系統(tǒng)通過使用廣泛的X20系統(tǒng)I/O模塊實(shí)現(xiàn)與各ePack組件之間的通信。這使得它能夠測(cè)量溫度、壓力和熱容積，讀取錯(cuò)誤消息并調(diào)整發(fā)電機(jī)、冷凝器和給水泵速度。“我們看到的所有潛在方案都能夠測(cè)量溫度，”Springer說道，“它們之間的不同之處在于每次測(cè)量的成本不同。在這方面貝加萊的確非常突出。”

然而，在最初為了演示和開發(fā)而進(jìn)行的原型建模時(shí)，OrcanEnergy仍然在使用其他供應(yīng)商提供的控制技術(shù)，他們擔(dān)心更換控制系統(tǒng)可能會(huì)延遲ePack的首次展示。“所有疑慮很快就平息了，”Springer回憶道，“在具備了基本的編程技能之后，我們就立即著手工作。Automation Studio開發(fā)環(huán)境為我們提供了所需要的一切。在貝加萊工程師的培訓(xùn)和支持下，我們?cè)趲字軙r(shí)間內(nèi)就開發(fā)出了控制軟件的基本結(jié)構(gòu)。”

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Orcan Energy公司的專家使用Automation Studio能夠在短短數(shù)周時(shí)間內(nèi)開發(fā)出ePack系統(tǒng)的整個(gè)基本結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)透明性使其能夠快速適應(yīng)更高層的系統(tǒng)控制，控制系統(tǒng)的持續(xù)開發(fā)不會(huì)受到任何限制。

即使在非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)依然高效

此后，不斷完善的控制系統(tǒng)結(jié)合專門設(shè)計(jì)的Orcan電站技術(shù)確保ePack可以在無人干預(yù)的情況下適應(yīng)熱能波動(dòng)。“許多其它ORC電站無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行；它們需要人員進(jìn)行操作，而且對(duì)熱能波動(dòng)響應(yīng)較慢。因此，這些設(shè)備在非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低下。”Springer指出。

Eissing解釋了為什么即使供熱減少，ePack的效率依然可以維持在一個(gè)恒定范圍內(nèi)的原因。“如果預(yù)期供熱僅有50%，那么我們的設(shè)備就會(huì)自動(dòng)切換到非滿負(fù)荷模式。即使在這種模式下，ePack仍然能夠恢復(fù)幾乎一半的額定輸出。”

這對(duì)額定輸出450~500千瓦的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠和固定式燃機(jī)也非常有意義，它們非常適合應(yīng)用尺寸為2×2×1.2米（長(zhǎng)×高×寬）的緊湊型ePack，它可以提供300千瓦熱能和20千瓦電能輸出。

保障發(fā)電成本15年

由于投資成本相對(duì)較低，即使在非滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)依然高效，因此Orcan系統(tǒng)一般在幾年內(nèi)就能收回成本。“熱電聯(lián)產(chǎn)電廠在運(yùn)行約7,000~8,000小時(shí)之后，我們就已經(jīng)能夠?qū)l(fā)電成本降低至5美分/千瓦時(shí)，并持續(xù)保障15年，”Eissing自豪地說道。

這些數(shù)字已經(jīng)為他們贏得了來自不同行業(yè)的客戶。僅在2013年，Orcan就售出了15個(gè)ePack系統(tǒng)。“這一成功無疑要?dú)w功于我們的基本原則：以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供合適的設(shè)備，”Eissing解釋道。

但是，這對(duì)市場(chǎng)營(yíng)銷負(fù)責(zé)人來說還不是終點(diǎn)。就中期而言，Orcan公司相信其20千瓦ePack的年銷量可以達(dá)到1000臺(tái)，而且未來在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模之后，還將有更多用戶從中獲益。

貝加萊 - 正確的選擇

Springer指出，貝加萊在Orcan努力使ORC系統(tǒng)變得更經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用范圍更廣的過程中給予了全力支持。“作為一家創(chuàng)新型公司，貝加萊始終緊隨最新發(fā)展趨勢(shì)并迅速做出響應(yīng)。我們的用戶可以明顯受益于此。”

這位ORC專家對(duì)貝加萊推出的用于連接測(cè)量設(shè)備的M-Bus通信模塊（X20CS1012）和電能測(cè)量模塊（X20AP3131）非常欣喜。

在采用電能測(cè)量模塊之前，Orcan需要為集成不同的測(cè)量?jī)x器花費(fèi)額外的時(shí)間和成本。現(xiàn)在，電能測(cè)量模塊被安裝在DIN導(dǎo)軌上作為控制系統(tǒng)的一部分。“對(duì)于Orcan Energy來說，這意味著簡(jiǎn)化安裝，減少空間需求，降低總成本，”Springer說道，“這同時(shí)也使我們相信，與貝加萊一起攜手工作是我們做出的正確選擇，有助于公司實(shí)現(xiàn)改善熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和固定式內(nèi)燃機(jī)能量平衡這一目標(biāo)。”

摘自《自動(dòng)化博覽》2016年2月刊