兩級閃蒸和閃蒸-雙工質(zhì)地熱發(fā)電熱力學(xué)比較

  地熱資源按溫度分級, 分為高溫(?150℃)、中溫(90~150℃)、低溫(<90℃)三類(lèi), 世界上開(kāi)發(fā)利用的地熱資源都是水熱型地熱資源, 地熱資源最能發(fā)揮優(yōu)勢的利用方式是地熱發(fā)電. 我國高溫地熱資源僅分布在滇藏和川西地區, 大部分為中低溫地熱資源, 即溫度低于150℃的地熱資源. 熱水發(fā)電有兩種基本的能量轉換系統, 即閃蒸系統和低沸點(diǎn)有機工質(zhì)的雙工質(zhì)循環(huán)系統, 目前, 世界上僅有菲律賓萊特島唐古納地熱電站、新西蘭懷拉基地熱電站和莫凱地熱電站采用閃蒸-雙工質(zhì)地熱發(fā)電系統, 我國西藏羊八井地熱電站采用兩級閃蒸發(fā)電系統, 廣東豐順鄧屋地熱電站采用單級閃蒸發(fā)電系統[1~3]. 相同熱源和冷源條件下, 由于閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統采用兩臺發(fā)電機組, 所以其投資成本大于兩級閃蒸發(fā)電系統. 為使地熱資源能夠得到高效利用, 可采用兩級能量轉換系統.

 

  從理論上講, 熱水發(fā)電的能量轉換級數愈多, 發(fā)電量就愈大, 但級數越多, 發(fā)電量增加有限, 而設備投資則增加較大, 故一般以?xún)杉墳楹? 本文對兩級地熱閃蒸發(fā)電系統、閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合地熱發(fā)電系統進(jìn)行熱力計算和比較[10~15], 并對選用條件進(jìn)行論述.

 

  1 兩級地熱發(fā)電系統的熱力計算

 

  1.1 兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的熱力計算

 

  兩級地熱閃蒸發(fā)電系統熱力圖, 如圖1 所示. 由生井口出來(lái)的地熱水, 直接進(jìn)入第一級閃蒸器, 產(chǎn)生“一次蒸汽”后進(jìn)入混壓式汽輪機高壓缸做功; 剩余的飽和水則進(jìn)入第二級閃蒸器, 產(chǎn)生壓力更低的“二次蒸汽”后進(jìn)入同一臺混壓式汽輪機低壓缸做功, 第二級閃蒸器閃蒸后的熱水則進(jìn)入回灌井.

 

  兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的熱力計算過(guò)程及其主要性能指標和兩級閃蒸最佳閃蒸溫度的計算公式.

 

  1.2 地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的熱力計算如圖 2 所示, 地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電, 實(shí)際上是將閃蒸器產(chǎn)生的蒸汽直接用于發(fā)電, 而產(chǎn)生的飽和水則用于低沸點(diǎn)有機工質(zhì)發(fā)電. 這種特殊的能量轉換系統統包括閃蒸系統發(fā)電和雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電兩部分, 能使地熱資源得到充分利用.

 

  2 兩級地熱發(fā)電系統的比較

 

  為了進(jìn)行比較, 根據系統的實(shí)際情況設定相應的參數, 利用公式(1)~(20)進(jìn)行計算. 計算時(shí)熱水溫度范圍為80~150℃, 冷卻水進(jìn)口溫度為20℃, 傳熱端部溫差取?tpp=5℃; 兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的閃蒸溫度取最佳值, 地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的熱力學(xué)參數取單位熱水凈發(fā)電量最大值時(shí)的數值; 兩級閃蒸和閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統的閃蒸系統均采用直接冷卻的方式. 取廠(chǎng)用電率X=0.3; 兩級地熱發(fā)電系統各效率取?oi=0.76, m=0.98, g=0.97; 雙工質(zhì)循環(huán)所用工質(zhì)為R245fa.

 

  以電站單位熱水凈發(fā)電量、電站凈效率、產(chǎn)汽率和尾水溫度為性能指標, 分析地熱水溫度性能指標的影響, 其中對地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統, 分別單獨計算閃蒸發(fā)電系統和雙工質(zhì)發(fā)電系統的電站凈效率.

 

  2.1 兩級地熱發(fā)電系統單位熱水凈發(fā)電量的比較圖 3 給出了地熱水溫度對兩種不同發(fā)電系統單位熱水凈發(fā)電量的影響. 可以看出地熱發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量隨著(zhù)地熱水溫度的增加而增加, 其中, 地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的發(fā)電量隨熱水溫度升高增加的更快, 當熱源溫度約為130℃時(shí), 兩級閃蒸發(fā)電系統和閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的凈發(fā)電量接近; 當熱水溫度在80~130℃時(shí), 兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量比閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統的單位熱水凈發(fā)電量多達19.4%; 當熱水溫度在130~150℃時(shí), 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統的單位熱水凈發(fā)電量比兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量多達5.5%.

 

  2.2 兩級地熱發(fā)電系統凈熱效率的比較

 

  圖 4 為地熱水溫度對兩級閃蒸和聯(lián)合發(fā)電系統中閃蒸發(fā)電凈熱效率的影響, 可以看出兩級閃蒸的凈熱效率明顯高于聯(lián)合系統單級閃蒸的熱效率, 隨著(zhù)地熱水溫度的升高, 兩級閃蒸發(fā)電系統的發(fā)電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統的閃蒸發(fā)電凈熱效率先增加后減小; 圖5 為地熱水溫度對聯(lián)合發(fā)電系統凈熱效率的影響, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統的雙工質(zhì)發(fā)電凈熱效率隨著(zhù)地熱水溫度的升高而增加,由于聯(lián)合發(fā)電系統的最大發(fā)電量是由閃蒸和雙工質(zhì)發(fā)電兩部分組成, 在給定地熱水溫度的情況下, 聯(lián)合發(fā)電系統中閃蒸發(fā)電凈熱效率并不一定是最佳值,因此, 圖4 中閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統的閃蒸發(fā)電凈熱效率是先增大后減小, 地熱水溫度越高, 對閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統中雙工質(zhì)發(fā)電就越有利.

 

  2.3 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統閃蒸溫度對發(fā)電量的影響圖 6 為閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統中, 閃蒸溫度對系統凈發(fā)電量的影響. 閃蒸溫度采用試選的方法,以觀(guān)察其對發(fā)電功率的影響, 其范圍在冷凝溫度和熱源溫度之間. 在同一熱源溫度下, 隨著(zhù)閃蒸溫度的升高, 聯(lián)合發(fā)電系統的單位熱水發(fā)電量先增大后減小. 當聯(lián)合系統的單位熱水發(fā)電量達到最大時(shí)的溫度即為聯(lián)合系統的最佳溫度. 地熱水溫度不同, 聯(lián)合系統最佳溫度的取值也不同, 地熱水溫度越高, 聯(lián)合系統最佳溫度越高; 從圖6 可以看出, 當熱水溫度為80℃和150℃時(shí), 其最佳閃蒸溫度為60℃和125℃.

 

  2.4 兩級地熱發(fā)電系統最佳閃蒸溫度的比較

 

  圖 7 為兩級發(fā)電系統的最佳閃蒸溫度和產(chǎn)汽率與地熱水溫度的關(guān)系, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的最佳蒸發(fā)溫度高于兩級閃蒸發(fā)電系統, 最佳閃蒸溫度越高, 系統的閃蒸壓力也越大, 也有利于發(fā)電系統處于正壓運行. 隨著(zhù)地熱水溫度越高, 兩級閃蒸發(fā)電系統的閃蒸蒸汽量呈直線(xiàn)上升的趨勢, 增加速度較快, 而閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統閃蒸發(fā)電的產(chǎn)汽量增加緩慢. 兩級閃蒸發(fā)電系統一級產(chǎn)汽率為3.5%~8.8%, 二級產(chǎn)汽率約為3.1%~6.8%, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的產(chǎn)汽率約為3.6%~5.8%, 兩級閃蒸發(fā)電系統閃蒸發(fā)電產(chǎn)汽量總和約為閃蒸-雙工質(zhì)的2~3 倍,地熱水溫度越高, 兩者之間的差值就越大.

 

  當熱水溫度低于130℃, 雖然兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量較大, 但是由于兩級閃蒸的壓力都較低(尤其第二級), 整個(gè)機組都在負壓下運行, 蒸汽的質(zhì)量體積很大, 將造成設備體積龐大、設備造價(jià)過(guò)高; 而閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的最佳蒸發(fā)溫度不但提高, 而且閃蒸產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量約為兩級閃蒸發(fā)電系統的一半, 這不僅有利于減少設備體積還有利于雙工質(zhì)提高發(fā)電量和發(fā)電凈熱效率. 因此, 在熱水溫度低于130℃且水量較大時(shí), 可以考慮采用地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統.

 

  當熱水溫度高于130℃, 地熱兩級閃蒸發(fā)電系統和閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統比較, 存在單位熱水凈發(fā)電量小的缺點(diǎn), 但是兩級閃蒸發(fā)電系統可以在正壓下運行, 且資源利用率較高, 因此, 在熱水高于130℃且不凝氣體質(zhì)量含量較少時(shí), 可以考慮采用地熱兩級閃蒸發(fā)電系統. 我國西藏羊八井地熱電站就是采用這種系統, 該系統在技術(shù)上已較為成熟, 能長(cháng)期穩定運行, 具有較好的經(jīng)濟效益.

 

  2.5 兩級地熱發(fā)電系統尾水溫度的比較

 

  圖 8 為地熱水溫度對兩級地熱聯(lián)合發(fā)電系統尾水溫度的影響, 從圖8 可以看出地熱水溫度越高, 尾水排放溫度越高, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統的尾水溫度排放溫度比兩級閃蒸系統高10℃左右, 因此, 可以考慮利用聯(lián)合發(fā)電系統的尾水進(jìn)行供熱、洗浴等梯級利用, 提高地熱資源利用率.

 

  3 結論

  為了有效地利用我國中低溫地熱資源和提高地熱發(fā)電的經(jīng)濟性, 本文提出地熱水發(fā)電的兩級能量轉換系統, 并對兩級地熱閃蒸和閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量、電站凈效率等熱力學(xué)性能進(jìn)行比較, 得出如下結論.

 

  (1) 地熱閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量隨地熱水溫度的增加量比地熱兩級閃蒸發(fā)電系統大, 當熱水溫度在80~130℃時(shí), 兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量比閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統的單位熱水凈發(fā)電量多達19.4%; 當熱水溫度在130~150℃時(shí), 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統的單位熱水凈發(fā)電量比兩級地熱閃蒸發(fā)電系統的單位熱水凈發(fā)電量多達5.5%.

 

  (2) 隨著(zhù)地熱水溫度的升高, 兩級閃蒸發(fā)電系統的發(fā)電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統的閃蒸發(fā)電凈熱效率先增加后減小, 地熱水溫度越高,對閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統中雙工質(zhì)發(fā)電就越有利.

 

  (3) 兩級地熱閃蒸發(fā)電系統閃蒸產(chǎn)汽量總和約為閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統閃蒸產(chǎn)汽量的2~3 倍, 地熱水溫度越高, 兩者之間的差值就越大.

 

  (4) 閃蒸-雙工質(zhì)地熱聯(lián)合發(fā)電系統的尾水溫度高于兩級閃蒸發(fā)電系統, 可以考慮地熱尾水的梯級利用.