甘孜地?zé)岚l(fā)電熱力計(jì)算及優(yōu)化

王延欣，王令寶，李華山，卜憲標(biāo)

(1. 中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610096；3. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640)

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甘孜地?zé)岚l(fā)電熱力計(jì)算及優(yōu)化

王延欣1,2，王令寶3，李華山3，卜憲標(biāo)3

(1. 中國(guó)石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中石化新星四川地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610096；3. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640)

摘要：為給后續(xù)地?zé)犭娬窘ㄔO(shè)提供設(shè)計(jì)依據(jù),以甘孜地?zé)峋鳛檠芯繉?duì)象，根據(jù)放噴獲得的冷熱源數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)電工藝進(jìn)行選擇并對(duì)熱力過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，考慮發(fā)電規(guī)模和設(shè)備供應(yīng)，選擇有機(jī)朗肯循環(huán)及其兩種改進(jìn)型作為發(fā)電工藝。通過(guò)熱力計(jì)算比較三種發(fā)電工藝的性能，優(yōu)選出適宜的發(fā)電工藝。結(jié)果表明：存在最優(yōu)的蒸發(fā)溫度使單位熱水發(fā)電量最大，基本朗肯循環(huán)(BORC)、閃蒸朗肯循環(huán)(FORC)和兩級(jí)朗肯循環(huán)(TSORC)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)蒸發(fā)溫度分別為60、70和75 ℃，在該溫度下，對(duì)應(yīng)的熱效率分別為10.74%、10.89%和11.45%，單位熱水發(fā)電量分別為8.77、10.09和10.3 kW·h/t，地?zé)嵛菜欧艤囟确謩e為45.02、35.55和37.9 ℃。僅從上述三個(gè)參數(shù)考慮，TSORC系統(tǒng)最優(yōu)，F(xiàn)ORC系統(tǒng)次之。

關(guān)鍵詞：地?zé)岚l(fā)電；熱力計(jì)算；有機(jī)朗肯；性能對(duì)比；地?zé)?/p>

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1039.002.html

隨著化石能源的短缺，地?zé)崮艿睦迷絹?lái)越受到人們重視[1]。2013年，全球地?zé)岚l(fā)電量76 TW·h，直接利用量為91 TW·h(不包括地源熱泵)，地?zé)岚l(fā)電新增裝機(jī)容量530 MW，截止到2013年底，全球地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量12 GW。目前世界范圍內(nèi)的地?zé)岚l(fā)電主要采用160 ℃以上的熱水或者蒸汽發(fā)電，對(duì)于120～160 ℃的地?zé)豳Y源利用較少[2-4]，而這個(gè)溫度區(qū)間的資源卻很豐富。為提高地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量，溫度120～160 ℃的熱源必須加以合理充分的利用。有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)，也叫雙工質(zhì)循環(huán)，是高效利用這個(gè)區(qū)間熱源發(fā)電的方式之一。針對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)用于地?zé)岚l(fā)電，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[5-6]。Baktosh 等[7]研究了雙工質(zhì)閃蒸系統(tǒng)，得出該系統(tǒng)比傳統(tǒng)ORC系統(tǒng)多發(fā)電25%的結(jié)論。Sahar等[8]依據(jù)熱力學(xué)第一和第二定律比較了幾種改進(jìn)ORC系統(tǒng)的熱效率和火用效率，并指出了火用損最大的部件。國(guó)內(nèi)的多位學(xué)者研究了抽氣乏氣回?zé)釋?duì)有機(jī)朗肯循環(huán)性能的影響[9-11]。

隨著能源供應(yīng)緊張以及環(huán)境污染嚴(yán)重，中國(guó)越來(lái)越重視地?zé)岬拈_(kāi)發(fā)利用，目前我國(guó)地?zé)嶂苯永靡?guī)模已據(jù)世界第一位，可是地?zé)岚l(fā)電規(guī)模和水平較世界還有很大差距?；诖耍瑪M在四川甘孜地區(qū)新建一小規(guī)模地?zé)犭娬?，通過(guò)該電站的建設(shè)運(yùn)行，摸索和積累從地?zé)豳Y源勘探、地?zé)峋@探、電站設(shè)計(jì)到運(yùn)行管理的全套經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)放大推廣奠定基礎(chǔ)。

本文以甘孜地區(qū)某地?zé)峋疄檠芯繉?duì)象，根據(jù)冷熱源情況對(duì)發(fā)電工藝進(jìn)行選擇，同時(shí)對(duì)熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，以便為后續(xù)地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)及電站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1地?zé)豳Y源情況

地?zé)峋挥诟首慰刀ǖ貐^(qū)，海拔高度3 100 m，完鉆層位為三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂板巖，完鉆井深1 847 m，1 203 m以上為固井止水，1 203～1 847 m為花管。 地?zé)峋畢^(qū)域大地構(gòu)造位置圖及井場(chǎng)分別如圖1和2所示。

圖1　地?zé)峋畢^(qū)域大地構(gòu)造位置圖Fig.1　The tectonic location map of geothermal well

圖2　地?zé)峋畧?chǎng)Fig.2　Geothermal well site

為準(zhǔn)確把握地?zé)峋臒醿?chǔ)參數(shù)，于2014年8月進(jìn)行了放噴實(shí)驗(yàn)，有效放噴井段1 203～1 847 m。放噴期間，測(cè)得地?zé)峋跍囟?15 ℃，壓力0.34 MPa(表壓)，穩(wěn)定流量41 t/h。在放噴實(shí)驗(yàn)期間提取地?zé)崴M(jìn)行了水質(zhì)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　水質(zhì)成分

注：TDS-可溶性總固體，CO2-游離CO2

2發(fā)電工藝選擇及熱力計(jì)算

2.1發(fā)電工藝選擇

熱源情況：溫度115 ℃，壓力0.34 MPa(表壓)，穩(wěn)定流量41 t/h。冷源情況：因現(xiàn)場(chǎng)河水資源豐富，按冬季冷卻水溫度2 ℃計(jì)算。

根據(jù)上述冷熱源情況，可供選擇的發(fā)電工藝很多，包括閃蒸、有機(jī)朗肯循環(huán)以及閃蒸和有機(jī)朗肯聯(lián)合循環(huán)。由于熱水條件限制，發(fā)電規(guī)模較小?？紤]到設(shè)備緊湊型、施工難易程度、設(shè)備選型、設(shè)備設(shè)計(jì)制造日期、投資回收等，最終決定選擇有機(jī)朗肯發(fā)電工藝。有機(jī)朗肯循環(huán)包括基本型和多種改進(jìn)型，不同的形式其結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能也不相同。本文主要考察熱力學(xué)性能，設(shè)備投資以及火用分析將在后續(xù)文章中闡述。

提高有機(jī)朗肯循環(huán)熱力學(xué)性能的措施主要有

1)降低地?zé)嵛菜疁囟?，盡可能多地利用熱量；

2)提高蒸發(fā)溫度；

3)利用乏氣和抽氣等內(nèi)部熱量；

4)利用補(bǔ)氣等措施提高效率。

上述幾種措施常常組合使用，以達(dá)到提高系統(tǒng)性能，降低設(shè)備投資的目的。

由于乏氣回?zé)岷统闅饣責(zé)嵫芯康妮^多，本文選擇兩種帶有補(bǔ)氣的有機(jī)朗肯循環(huán)，即閃蒸有機(jī)朗肯循環(huán)(FORC)和兩級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)(TSORC)，主要分析熱效率、單位熱水做功能力、工質(zhì)流量和地?zé)嵛菜疁囟取Ｍㄟ^(guò)和基本型有機(jī)朗肯循環(huán)(BORC)進(jìn)行對(duì)比，選出較優(yōu)異的發(fā)電工藝。三種朗肯循環(huán)的工藝圖見(jiàn)圖3～5。

在圖3中，蒸發(fā)器出口為飽和蒸汽。在圖4中，從蒸發(fā)器出來(lái)的工質(zhì)為氣液兩相，在分離器中進(jìn)行氣液分離，飽和氣體進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹做功，飽和液體進(jìn)入閃蒸罐閃蒸。閃蒸罐出口為飽和氣體和飽和液體，飽和氣體進(jìn)入補(bǔ)氣膨脹機(jī)做功，飽和液體經(jīng)工質(zhì)泵2加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，與來(lái)自冷凝器的工質(zhì)混合，混合點(diǎn)的溫度為閃蒸溫度。

在圖5中，從冷凝器來(lái)的工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵1加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器1，在蒸發(fā)器1中經(jīng)加熱變?yōu)轱柡蜌怏w和飽和液體，飽和氣體進(jìn)入膨脹機(jī)做功，飽和液體經(jīng)工質(zhì)泵2加壓進(jìn)入蒸發(fā)器2，在蒸發(fā)器2中經(jīng)加熱變?yōu)轱柡蜌怏w進(jìn)入膨脹機(jī)。

圖3　基本朗肯循環(huán)Fig.3　Basic ORC

圖4　閃蒸朗肯循環(huán)Fig.4　Flashing ORC

圖5　兩級(jí)朗肯循環(huán)Fig.5　Two stage ORC

2.2熱力學(xué)計(jì)算

幾點(diǎn)假設(shè)：

1)蒸發(fā)器換熱夾點(diǎn)溫度5℃，冷凝器出口為飽和液體；

2)忽略冷凝器、蒸發(fā)器和管道中的壓力損失；

3)忽略摩擦損失和環(huán)境散熱；

4)發(fā)電凈功不考慮冷熱水泵功耗。

以基本有機(jī)朗肯循環(huán)為例，熱力計(jì)算公式為

式中：Qeva為蒸發(fā)器換熱功率，kW；mwf為工質(zhì)流量，kg/s；mhw為地?zé)崴髁?，kg/s；h1為膨脹機(jī)進(jìn)口焓值，kJ/kg；h4為蒸發(fā)器進(jìn)口焓值，kJ/kg；Cp為水的定壓比熱，kJ/(kg·K-1)；Thw,in為地?zé)崴M(jìn)口溫度，℃；Thw,out為地?zé)嵛菜疁囟龋?；Qcon為冷凝器換熱功率，kW；h2為膨脹機(jī)出口焓值，kJ/kg；h3為冷凝器出口焓值，kJ/kg；Ppump為工質(zhì)泵功耗，kW；h4S為泵后工質(zhì)等熵焓，kJ/kg；ηpump為工質(zhì)泵的等熵效率；Pexp為膨脹機(jī)輸出功，kW；h2S為膨脹機(jī)后工質(zhì)等熵焓，kJ/kg；ηexp為膨脹機(jī)的等熵效率；Pnet為發(fā)電凈功率，kW；ηgen為發(fā)電機(jī)效率；ηth為熱電轉(zhuǎn)換效率；N為單位熱水發(fā)電量，kW·h/t。

FORC和TSORC系統(tǒng)所用到的熱力學(xué)公式和BORC系統(tǒng)中一致，不再一一列出。

要求出最優(yōu)熱效率和單位熱水發(fā)電量，在BORC系統(tǒng)中，需要確定最優(yōu)蒸發(fā)溫度(Teva)，在FORC系統(tǒng)中，需要確定最佳蒸發(fā)溫度和閃蒸溫度，在TSORC系統(tǒng)中，需要確定兩個(gè)蒸發(fā)器中的優(yōu)化蒸發(fā)溫度。為此，本文利用Matlab軟件和REFPROP提供的物性參數(shù)進(jìn)行編程求解。

求解過(guò)程中用到的參數(shù)如下：泵等熵效率0.65，膨脹機(jī)等熵效率0.85，發(fā)電機(jī)效率0.95，冷凝器中冷卻水溫升5℃，冷凝溫度10℃。采用R245fa作為發(fā)電工質(zhì)。R245fa中文名稱(chēng)五氟丙烷，是一種環(huán)保制冷工質(zhì)，化學(xué)式CF3CH2CHF2，分子量134，沸點(diǎn)(101.3kPa)15.1℃，液體密度(20 ℃)1 352 kg/m3，蒸汽壓(20 ℃)122.7 kPa。

3結(jié)果與討論

在圖5中，蒸發(fā)溫度Teva指的是蒸發(fā)器2的蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)溫度決定了系統(tǒng)的熱力學(xué)性能，包括熱效率、單位熱水發(fā)電量、工質(zhì)流量和地?zé)嵛菜疁囟鹊?，圖6～9表示系統(tǒng)參數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化。

圖6　熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.6　Variation of ηth with Teva

圖7　單位熱水發(fā)電量隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.7　Variation of N with Teva

圖8　工質(zhì)流量隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.8　Variation of mwf with Teva

圖9　地?zé)嵛菜疁囟入S蒸發(fā)溫度的變化Fig.9　Variation of Thw,out with Teva

圖6中，三種發(fā)電工藝的熱效率均隨著蒸發(fā)溫度的提高而提高，BORC系統(tǒng)熱效率最高，TSORC系統(tǒng)次之，F(xiàn)ORC系統(tǒng)最小。熱效率高表示系統(tǒng)較緊湊。蒸發(fā)溫度提高，地?zé)嵛菜欧艤囟入S之提高，如圖9所示，由于冷凝溫度不變，導(dǎo)致系統(tǒng)熱效率提高。三種系統(tǒng)中，BORC系統(tǒng)熱效率隨蒸發(fā)溫度變化的斜率最大，其他兩種系統(tǒng)變化稍小。

圖7表示單位熱水發(fā)電量隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢(shì)，也就是系統(tǒng)對(duì)外做功能力。從圖7可知，N隨蒸發(fā)溫度的增加先增大后減小，存在最大值。在相同蒸發(fā)溫度下，TSORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的N最大，F(xiàn)ORC系統(tǒng)次之，BORC系統(tǒng)最小。BORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的N隨蒸發(fā)溫度的變化比較劇烈，其他兩種系統(tǒng)的變化較緩。三種系統(tǒng)中，最大值N對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度各不相同，BORC系統(tǒng)在Teva=60 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值，為8.77 kW·h/t，F(xiàn)ORC系統(tǒng)在Teva=70 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值，為10.09 kW·h/t，TSORC系統(tǒng)在Teva=75 ℃時(shí)出現(xiàn)最大值，為10.3 kW·h/t。兩種改進(jìn)型ORC系統(tǒng)最大N對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度均大于基本ORC。在最優(yōu)N時(shí)，BORC、FORC和TSORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱效率分別為10.74%、10.89%和11.45%。僅從熱效率和單位熱水發(fā)電量這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，TSORC系統(tǒng)是最優(yōu)的，F(xiàn)ORC系統(tǒng)次之，兩種改進(jìn)型系統(tǒng)均優(yōu)于BORC系統(tǒng)。

圖8反映的是工質(zhì)流量隨蒸發(fā)溫度的變化。工質(zhì)流量指的是通過(guò)膨脹機(jī)的流量，也就是冷凝器中的工質(zhì)流量。工質(zhì)流量，在BORC系統(tǒng)中是蒸發(fā)器中的流量，在FORC系統(tǒng)中是分離器中的氣體和閃蒸罐中的氣體之和，在TSORC系統(tǒng)中指蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2中的氣體流量和。從圖8可知，工質(zhì)流量隨蒸發(fā)溫度的提高而降低，兩種改進(jìn)型ORC系統(tǒng)工質(zhì)流量基本相同，都大于基本ORC系統(tǒng)。在壓力相同時(shí)，工質(zhì)流量大表示工質(zhì)體積流量大，意味著系統(tǒng)體積大。也就是說(shuō)，對(duì)于低壓冷凝側(cè)，F(xiàn)ORC和TSORC系統(tǒng)的冷凝器體積及配套氣體管道直徑大于BORC的。對(duì)于高壓蒸發(fā)側(cè)，在蒸發(fā)溫度相同時(shí)，膨脹機(jī)的一級(jí)進(jìn)氣壓力和密度相同，由于FORC和TSORC系統(tǒng)有補(bǔ)氣，其補(bǔ)氣壓力和密度均小于一級(jí)進(jìn)氣系統(tǒng)，再加上FORC和TSORC系統(tǒng)的工質(zhì)流量大于BORC，結(jié)果是FORC和TSORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的氣體體積流量大于BORC系統(tǒng)，因此，F(xiàn)ORC和TSORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的氣體管道直徑和膨脹機(jī)體積均大于BORC系統(tǒng)。

圖9表示地?zé)嵛菜疁囟入S蒸發(fā)溫度的增大而增加，F(xiàn)ORC和TSORC系統(tǒng)的地?zé)嵛菜疁囟然鞠嗤陀贐ORC系統(tǒng)的。如果地?zé)嵛菜疅o(wú)回灌，考慮到環(huán)境熱污染，優(yōu)先采用FORC和TSORC系統(tǒng)，如果地?zé)嵛菜谢毓嗷蛘哂泻罄m(xù)利用，可以考慮采用BORC系統(tǒng)。

將三種發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)N對(duì)應(yīng)的參數(shù)匯總在表2中。

表2　熱力性能對(duì)比

從表2可知，僅考慮熱效率、單位熱水發(fā)電量和地?zé)嵛菜欧艤囟龋現(xiàn)ORC和TSORC系統(tǒng)均優(yōu)于BORC系統(tǒng)，其中屬TSORC系統(tǒng)最優(yōu)。僅考慮工質(zhì)流量，BORC系統(tǒng)優(yōu)于兩種改進(jìn)型。在實(shí)際電站建設(shè)時(shí)，不僅要考慮熱力性能，還要考慮設(shè)備復(fù)雜性、設(shè)備成本以及后續(xù)維護(hù)管理等。

4結(jié)論

基于甘孜某地?zé)峋睦錈嵩磪?shù)，本文以基本朗肯循環(huán)和兩種改進(jìn)型朗肯循環(huán)作為備選發(fā)電工藝系統(tǒng)，對(duì)其熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算和對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)三種發(fā)電系統(tǒng)的熱效率和地?zé)嵛菜疁囟染S蒸發(fā)溫度的增加而增加；存在最優(yōu)的蒸發(fā)溫度使單位熱水發(fā)電量最大，三種發(fā)電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)蒸發(fā)溫度各不相同；

2)BORC、FORC和TSORC系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的最佳蒸發(fā)溫度分別為60、70和75 ℃，在該溫度下，三個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的熱效率分別為10.74%，10.89%和11.45%，單位熱水發(fā)電量分別為8.77，10.09和10.3 kW·h/t，地?zé)嵛菜欧艤囟确謩e為45.02，35.55和37.9 ℃；

3)僅從熱效率、單位熱水發(fā)電量和地?zé)嵛菜欧艤囟瓤紤]，兩種改進(jìn)型系統(tǒng)均優(yōu)于基本朗肯系統(tǒng)，其中TSORC系統(tǒng)最優(yōu)，F(xiàn)ORC系統(tǒng)次之。

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收稿日期：2015-04-17.

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA053003)；廣州市珠江科技新星專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃(2014J2200079)；甘孜地區(qū)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)研究項(xiàng)目(10500000-14-ZC0607-0005).

作者簡(jiǎn)介：王延欣(1982-)，男，工程師； 卜憲標(biāo)(1979-)，男，博士研究生. 通信作者：卜憲標(biāo)，E-mail:buxb@ms.giec.ac.cn.

DOI:10.11990/jheu.201504026

中圖分類(lèi)號(hào)：TK52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)06-0873-05

Thermodynamic calculation and optimization of geothermal power generation in Ganzi

WANG Yanxin1,2, WANG Lingbao3, LI Huashan3, BU Xianbiao3

(1. Sinopec Star Petroleum Co., Ltd, Beijing 100083, China; 2. Sinopec Star Petroleum Sichuan geothermal development Co., Ltd, Chengdu 610096, China; 3. GuangZhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

Abstract：A geothermal well in Ganzi was chosen for the study. To provide a reference for the design and construction of a geothermal plant, power generation techniques were selected and the thermodynamic process was calculated based on cold and heat source data obtained through choke. Considering the power generation scale and equipment supply, the organic rankine cycle (ORC) and its two improved versions were selected as the power generation techniques. The power generation performances of the three techniques were compared using thermodynamic calculation. The results showed that there is an optimal evaporation temperature at which the power generation from unit hot water is at a maximum. The optimal evaporation temperatures for basic ORC (BORC), flashing ORC (FORC), and two-stage ORC (TSORC) are 60, 70 and 75 ℃, respectively; the corresponding thermal efficiencies are 10.74%, 10.89% and 11.45%; the power generation from unit hot water 8.77, 10.09 and 10.3 kW·h/t; and the tail water temperature 45.02, 35.55 and 37.9 ℃. Considering the above three parameters, the TSORC is the best cycle, followed by the FORC.

Keywords：geothermal power generation; thermodynamic calculation; organic Rankine; performance comparison; geothermal

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-21.