中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電技術發(fā)展與應用     

  1、引言

        步入21世紀，人類對能源的依賴程度持續(xù)加大，化石能源消耗量的激增和由此帶來的環(huán)境污染，已引起*的重視。近幾十年來，各種可再生能源發(fā)電技術得到越來越多的關注，其中，應用相對較早、發(fā)展較為成熟的地熱能發(fā)電技術，呈現(xiàn)向中低溫地熱源取熱發(fā)電的趨勢。

世界上只有不足1/4的地熱源屬于高溫地熱源，以我國為例，已探明的高溫地熱田僅約150處，多集中分布在地中海－喜馬拉雅地熱帶一線和環(huán)太平洋地熱帶一線（中國臺灣地區(qū)），而剩余廣大的國土面積蘊含的地熱源多屬于中低溫地熱源 。我國某些擁有中低溫地熱資源的邊遠地區(qū)，迫切需要電能來促進當?shù)鼐用竦慕?jīng)濟活動，提高居民生活質(zhì)量，但由于各種原因?qū)е码娋W(wǎng)近期難以普及，而中低溫地熱發(fā)電電站可以有效解決此類局部地區(qū)的供電情況，對社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展做出一定貢獻。

           ２、地熱雙循環(huán)發(fā)電技術

                    圖1 區(qū)別示意圖

      地熱雙循環(huán)發(fā)電技術，又名中間介質(zhì)地熱發(fā)電法，與其他地熱發(fā)電技術大的區(qū)別在于使用兩種流體作為發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)。如圖1所示，其他地熱發(fā)電技術通常是地熱水蒸汽（或汽水混合物）直接或閃蒸進入發(fā)電系統(tǒng)做功轉(zhuǎn)換為電能。對于中低溫地熱資源，產(chǎn)生蒸汽的參數(shù)低，其做功能力不足等特點限制了地熱發(fā)電的應用。而地熱雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，地熱流體攜熱進入熱交換器，將熱傳遞給另一種工質(zhì)（通常為低沸點工質(zhì)），該種工質(zhì)得熱蒸發(fā)進入汽輪機做功。兩者相比，后者更適合中低溫地熱源發(fā)電，且有避免地下水污染等優(yōu)勢。

      現(xiàn)今使用的地熱雙循環(huán)發(fā)電技術，按照所應用的循環(huán)不同主要分為兩類：

      1）  有機朗肯循環(huán)

                        圖2 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖

      有機朗肯循環(huán)，示意圖如圖2所示，通常使用低沸點有機工質(zhì)，如氯乙烷、正戊烷和異戊烷等，利用中低溫地熱流體與低沸點有機工質(zhì)換熱，使后者蒸發(fā)，產(chǎn)生具有較高壓力的蒸汽推動汽輪機做功發(fā)電。在T—S圖上對比了水蒸汽循環(huán)和有機工質(zhì)朗肯循環(huán)各自的特點，并歸納出后者在低溫熱源發(fā)電上相較前者的若干優(yōu)勢。

      2）  卡林納循環(huán)

                                                        圖3 卡林納循環(huán)系統(tǒng)示意圖

      卡林納循環(huán)，使用氨水混合物作為工質(zhì)，其基本過程類似于有機朗肯循環(huán)，如圖3所示，但有兩點重要的區(qū)別：1）在熱源吸熱時，非共沸的氨水混合物與變熱源溫度有良好的匹配性，減少了熱量傳遞過程的不可逆性；2）在冷源放熱時，通過改變混合工質(zhì)成分濃度的方法，減少了混合工質(zhì)在“冷端”的不利性，實現(xiàn)較低壓力下混合工質(zhì)的*冷凝。為了在“冷端”實現(xiàn)變混合工質(zhì)成分濃度的目的，卡林納循環(huán)利用吸收式制冷技術和回熱技術，在設備成本投入上高于有機朗肯循環(huán)。

      對比以上兩種循環(huán)，卡林納循環(huán)在熱源的匹配性上較有機朗肯循環(huán)更好，如圖4所示，因此在熱源側(cè)不可逆損失較少。文獻選取了卡林納循環(huán)的一種形式建立了模型，并在相同邊界條件下對比有機朗肯循環(huán)進行了計算，結(jié)果顯示前者整體效率高于后者15%，而Canoga Park卡林納試驗電站的運行數(shù)據(jù)顯示前者較后者凈效率至少可以提高3%。

3. 研究進展

 3.1 國內(nèi)研究進展

      我國開展地熱雙循環(huán)發(fā)電研究在時間上大致分為三個階段。

      *階段為70年代初至80年代中期。此階段中，在全國各地陸續(xù)建成地熱雙循環(huán)發(fā)電實驗性機組多臺，對地熱雙循環(huán)發(fā)電做出了初步嘗試，但由于地熱資源（水溫偏低）的限制或是技術上的不完善，這些電站陸續(xù)停產(chǎn)或是拆除。

      第二階段為80年代中期至90年代中期。此階段，沒有進行自主技術的地熱雙循環(huán)實驗性電站的建立。1993年西藏地區(qū)所建成的雙循環(huán)地熱電站（聯(lián)合國開發(fā)計劃署援助項目），使用機組為以色列ORMAT公司產(chǎn)品，裝機容量為1MW，井口溫度為110°C 。此外，中國臺灣土場地區(qū)在1983年建成雙循環(huán)地熱電站一座，井口溫度為173°C，裝機容量0.3MW。

      1983年，卡林納循環(huán)公開，地熱雙循環(huán)發(fā)電技術有了突破。全國有地熱研究基礎的高校和研究機構(gòu)，陸續(xù)對卡林納循環(huán)進行了初步研究，對其在1991年建造的實驗電站運行參數(shù)進行了分析。呂燦仁等對卡林納循環(huán)進行了熱力學分析，通過“P”準則分析了卡林納循環(huán)相較朗肯循環(huán)效率較高的原因，強調(diào)其工質(zhì)與熱源匹配性上的優(yōu)勢；薄涵亮等提出了卡林納循環(huán)所應用到的氨水混合物熱力性質(zhì)的高精度計算方法，在此基礎上通過分析和計算得出結(jié)論：特定工況下，卡林納循環(huán)存在優(yōu)透平背壓和優(yōu)氨水混合物配比。

      第三階段為90年代中期至今。自93年至03年10年間，我國沒有新建地熱電站，地熱研究普遍集中于高溫地熱資源，中低溫地熱發(fā)電技術研究處于摸索階段。楊嘉祥等人進行了可適用于地熱源的低溫余熱發(fā)電小型設備實物化，劉齊壽、鄭丹星和金紅光等研究人員陸續(xù)提出一些以氨水混合物為工質(zhì)、基于卡林納循環(huán)的復合循環(huán)，并對這些循環(huán)進行了模擬計算和分析，結(jié)果顯示此類循環(huán)普遍擁有較好的應用前景。

3．2 國外研究進展

      1967年，前蘇聯(lián)在帕拉唐卡（Paratunka）建立了世界上*座地熱雙循環(huán)電站，裝機容量500kW，使用有機工質(zhì)。目前該電站還在擴容，隨著四號機的完善，總裝機容量將達到18MW。美國自70年代開始，在雙循環(huán)發(fā)電技術實用領域一直處于，陸續(xù)在加州和愛德華州等地建成多個地熱雙循環(huán)發(fā)電站，裝機容量從10kW至1500kW，再至10MW，至80年代仍不斷擴大。近幾年，美國除夏威夷地區(qū)新建雙循環(huán)地熱發(fā)電機組外，并無相關報道。

      90年代以前，雙循環(huán)發(fā)電技術主要應用有機朗肯循環(huán)（ORC）。代表性企業(yè)為始建于1965年的奧馬特（ORMAT）公司，其機組主要對應低溫熱源（工業(yè)余熱等），可以利用90°C左右載熱體進行發(fā)電。自80年代中期，卡林納循環(huán)也被引入地熱雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)之中。1991年，該循環(huán)發(fā)明人Dr.Alex Kalina的Exergy公司在美國能源部（D.O.E）的支持下，在加州CanogaPark建造了3MW的試驗電站，并進行了現(xiàn)場運行測試。其后，意大利Ansaldo能源公司獲得授權(quán)，將卡林納循環(huán)技術商業(yè)化應用于地熱電站。目前，*所知的應用卡林納循環(huán)技術的商業(yè)地熱發(fā)電站為冰島Húsavík電站。

      截至2005年，雙循環(huán)地熱發(fā)電總裝機容量已達685MW，占地熱發(fā)電總裝機容量的8%，共有機組192臺，占機組總數(shù)（469臺）的41%，有越來越多的國家加入地熱雙循環(huán)發(fā)電研究的隊伍中來。

4.應用實例及存在問題

4.1 國內(nèi)應用實例—豐順鄧屋異丁烷雙循環(huán)地熱試驗電站（有機朗肯循環(huán)）

      豐順鄧屋雙循環(huán)地熱試驗電站，于1977年4月建成投入運行，其二號機組是我國*臺采用異丁烷作為工質(zhì)的地熱試驗機組，整體系統(tǒng)設計簡圖如圖5所示。該機組所使用地熱源為91°C地熱水，其經(jīng)兩次調(diào)試和改裝，出力穩(wěn)定在180kW，高出力200kW。1978年，該電站進行了初步運行測試，解決了機組振動、機械密封和油路調(diào)節(jié)等問題，其后進行了自發(fā)自用試驗和并網(wǎng)發(fā)電試驗，證明了異丁烷雙循環(huán)地熱發(fā)電在技術上的可行性。

                                                  圖5 豐順鄧屋異丁烷雙循環(huán)地熱試驗電站熱力系統(tǒng)設計簡圖

1、*級預熱器 2、*級蒸發(fā)器 3、第二級蒸發(fā)器 4、汽輪發(fā)電機組 5、冷凝器 6、第二級預熱器 7、循環(huán)水泵 8、第二級工質(zhì)泵 9、*級工質(zhì)泵 10、深井泵

該機組系統(tǒng)簡單，啟動迅速，運行穩(wěn)定，維護簡單，但受限于設計經(jīng)驗和經(jīng)濟性等各種因素，于上世紀80年代停運。

 4.2 國外應用實例—Húsavík地熱電站（卡林納循環(huán)）

      Húsavík地熱電站位于冰島，于2000年交付使用，現(xiàn)發(fā)電容量為1700kW，總投資370萬歐元。其系統(tǒng)簡圖如圖6所示：

                                                                                     圖6  Húsavík地熱電站卡林納循環(huán)系統(tǒng)簡圖（含運行參數(shù)）

      為了證明卡林納循環(huán)的通用性，該電站所使用的設備元件均為標準工業(yè)元件。其中，汽輪發(fā)電機為德國KKK廠生產(chǎn)，熱交換器是美國生產(chǎn)，蒸發(fā)器換熱面積1600 m2，板式冷凝器換熱面積為2×750 m2，如考慮使用特殊設計的裝置，發(fā)電功率還可提升。

      在經(jīng)濟性上，目前該電站還不具備優(yōu)勢，對比同期歐洲市場條件，常規(guī)發(fā)電成本為4歐分/kWh，同類項目建設成本通常控制在1000美元/kW。該電站在預算設計時，成本約為1440美元/kW，其中汽輪機發(fā)電機組占總投資的30%~35%。為了保證其競爭力，Valdimarsson教授提出以下可能的若干解決方案[4]：1）參考德國對利用可再生能源發(fā)電進行的補貼政策，給予該電站1.65歐分/kWh的政府補貼；2）對于由于使用可再生能源或是利用余熱發(fā)電所帶來的CO2減排給予鼓勵政策，將減排效果進行核算量化，轉(zhuǎn)化為鼓勵資金，可給該電站帶來1.8~2.2歐分/kWh的獎金支持；3）適當延長綠色發(fā)電項目的回收期。

4.3 存在問題及解決方法

中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電電站目前存在以下主要問題：

      1）經(jīng)濟性較差。應用低品位大容量地熱源發(fā)電的電站，受限于地源溫度低等自然條件，普遍存在效率較低的問題，進而難以保證經(jīng)濟性，這成為限制中低溫地熱發(fā)電技術發(fā)展的主要原因。但對于我國電網(wǎng)難以近期普及而又擁有豐富中低溫地熱資源的偏遠地區(qū)，其迫切需要電能來提高當?shù)厝嗣裆钯|(zhì)量。因此，開發(fā)中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電小型模塊化機組，滿足此類地區(qū)的需求，已不單單是一個電站的經(jīng)濟性問題，而是維護整個地區(qū)社會穩(wěn)定、提升一方人民生活質(zhì)量、帶動整個地區(qū)經(jīng)濟上升和提高邊遠地區(qū)人民素質(zhì)的綜合問題。

      2）缺乏性設備。以汽輪機發(fā)電機組為例，中低溫雙循環(huán)發(fā)電技術所應用的汽輪機，普遍較常規(guī)發(fā)電汽輪機功率小，且應用多為有機工質(zhì)，在已有示范性項目中，大多通過改造面向水蒸汽工質(zhì)設計的設備來運行低沸點工質(zhì)。采用并非依據(jù)實際工況進行設計的設備進行改造，難以達到設計效率，且低沸點工質(zhì)有其自身特性，在密封防爆等因素上對設備提出了更高要求。因此，研究適合中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電的設備，總結(jié)此類設備的設計經(jīng)驗，可以在一定程度上提升發(fā)電效率。

      3）運行管理問題。由于中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電電站相對傳統(tǒng)地熱發(fā)電電站復雜，且多使用有機工質(zhì)，因此，對運行管理提出了更高的要求。對此，一方面，需總結(jié)此類電站運行經(jīng)驗，編寫較為細致的運行手冊，對從業(yè)人員進行專業(yè)培訓，另一方面，需實現(xiàn)中低溫雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)自控化，實現(xiàn)自動化操作，減少人力運行成本。

5 、發(fā)展前景

      中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電技術的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下兩方面的發(fā)展趨勢：

     1）大型化趨勢。中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電站（或是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站）的大型化，可以集中利用大容量地熱資源，相對節(jié)約投資成本，一定程度上彌補低品位地熱源的不足，同時也順應世界發(fā)電電站大型化的趨勢。目前，應用于地熱源和工業(yè)余熱源的有機朗肯循環(huán)大型發(fā)電設備應經(jīng)在*得到廣泛應用。

  2）小型化趨勢。小型發(fā)電機組相對大型發(fā)電機組效率普遍偏低，且應用至中低溫地熱源，經(jīng)濟性有待研究。但面對我國地熱源分布的具體情況和邊遠地區(qū)的切實需求，開發(fā)適宜農(nóng)村地區(qū)使用的小型中低溫地熱雙循環(huán)發(fā)電機組，可以有效提升局部地區(qū)的用電情況。

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