邱卓瑩，王令寶，李華山，卜憲標?

（1. 中國科學院大學，北京 100049；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640）

甘孜地熱發(fā)電能量分析與?分析*

邱卓瑩1,2，王令寶2，李華山2，卜憲標2?

（1. 中國科學院大學，北京 100049；2. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640）

本文對四川甘孜的一口地熱井進行能量分析和?分析，參考該井地熱水的溫度115℃，采取的發(fā)電方式有單級閃蒸系統(tǒng)、預(yù)熱有機朗肯系統(tǒng)、閃蒸有機朗肯聯(lián)合系統(tǒng)。結(jié)果表明，閃蒸朗肯系統(tǒng)的?效率最高（47.81%），預(yù)熱朗肯系統(tǒng)次之（46.31%），單級閃蒸系統(tǒng)最低（42.83%）。對于有機朗肯循環(huán)，發(fā)生器的影響因子及?損均為最大；而閃蒸部分，閃蒸罐的影響因子最高，但閃蒸朗肯系統(tǒng)將其?損減少64.8%，低于汽輪機。計算結(jié)果顯示，提高閃蒸/發(fā)生溫度能夠提高效率、減少?損，而閃蒸朗肯系統(tǒng)中發(fā)生溫度有較好的優(yōu)化性能。綜上所述，閃蒸有機朗肯聯(lián)合系統(tǒng)具有最大的凈功率（360.8 kW）和最高的?效率，而且尾水溫度最低，熱效率適中，適合用于中低溫地熱發(fā)電。

地熱發(fā)電；?分析；單級閃蒸系統(tǒng)；預(yù)熱朗肯系統(tǒng)；閃蒸朗肯系統(tǒng)

0 引 言

隨著全球人口增長、人們生活水平的提升，加大了對能源需求。電價上漲及影響能源政策的環(huán)境問題，使得能源缺口越來越大，刺激了中低溫熱源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[1]。地熱能具有可持續(xù)和低排放的特性[2]，雖然現(xiàn)在地熱發(fā)電總量還很少（67 TW·h[3]），但隨著化石能源成本增加和化石能源減少，其未來發(fā)展前景廣闊。在中國2006年開始實施的《可再生能源法》，將地熱能確定為和風能、太陽能等并列的可再生能源[4]。

現(xiàn)在，多數(shù)地熱電站都是直接利用160℃以上的干蒸汽或者熱水閃蒸發(fā)電，但高溫資源有限而且已基本開發(fā)完畢，需要把目光投向溫度較低、且含量更加豐富的120℃～160℃之間地熱源[5]，如我國的川西康定。

我國川西康定地區(qū)的地熱發(fā)電潛力在150 MW以上，但是目前利用量很小且發(fā)展滯后。四川省委、省政府正積極協(xié)調(diào)和推進地熱資源的勘探開發(fā)及綜合利用，并開展以甘孜州地熱發(fā)電為重點的地熱資源勘察評價[6]。

國內(nèi)外許多研究學者對地熱發(fā)電進行了研究。國外Pambudi等[2]對某地熱電站的單級閃蒸系統(tǒng)進行?分析和優(yōu)化；Safarian等[7]對基本型和3種改進型有機朗肯系統(tǒng)進行能量分析和?分析，其中回熱+ 抽氣型有機朗肯系統(tǒng)效率最高、?損最少；Edrisi等[5]比較了有機朗肯與閃蒸朗肯系統(tǒng)，得出后者做功比前者多25%；國內(nèi)駱超等[8]比較兩級閃蒸和閃蒸朗肯系統(tǒng)的熱力性能，論述了其適用條件。

本文以甘孜地區(qū)某地熱井為研究對象，根據(jù)冷熱源情況選擇發(fā)電工藝，對單級閃蒸、預(yù)熱朗肯、閃蒸朗肯三個系統(tǒng)進行對比研究，運用EES軟件進行熱力分析和?分析以及優(yōu)化，為后續(xù)地熱電站的參數(shù)設(shè)計以及建設(shè)提供參考。

1 地熱資源情況

圖1 地熱井區(qū)域大地構(gòu)造位置圖Fig. 1 The tectonic location map of geothermal well

地熱井位于甘孜康定地區(qū)，海拔為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[9]，1 203 m以上為固井止水，1 203～1 847 m為花管。地熱井區(qū)域大地構(gòu)造位置圖如圖1所示。

為準確把握地熱井的熱儲參數(shù)，于2014年8月進行了放噴實驗，有效放噴井段1 203～1 847 m。放噴期間，測得地熱井口溫度為115℃，壓力為0.34 MPa（表壓），穩(wěn)定流量為41 t/h。

2 熱力過程及熱力計算

取上述條件：溫度115℃、壓力0.34 MPa（表壓）、穩(wěn)定流量41 t/h，按冬季冷卻水溫度2℃計算。

依據(jù)上述冷熱源情況，發(fā)電方式可以采用單級閃蒸、有機朗肯循環(huán)以及閃蒸和有機朗肯聯(lián)合循環(huán)，主要比較其凈功率、效率、?損和熱力學完善度等，選出較優(yōu)的發(fā)電方式。

圖2中系統(tǒng)采用混合式冷凝器，冷凝溫度為10℃，且閃蒸罐出口為飽和水蒸氣。由于地熱井為自噴井，無需加提液泵，冷卻水采用攔壩取水，也無需耗功。冷卻水溫升8℃，冷凝溫度為10℃。系統(tǒng)的自耗電主要產(chǎn)生在射水泵處。

圖2 單級閃蒸系統(tǒng)Fig. 2 Single-stage flashing

圖3中在發(fā)生器和工質(zhì)泵之間加入預(yù)熱器，梯級利用地熱資源，降低尾水溫度。發(fā)生器夾點溫度為5℃，預(yù)熱器出口為飽和液體，發(fā)生器出口為飽和蒸汽。冷卻水溫升6℃，冷凝溫度為12℃。

圖4是閃蒸朗肯系統(tǒng)圖。通過一個增壓泵把上述的單級閃蒸系統(tǒng)和預(yù)熱朗肯系統(tǒng)聯(lián)合在一起共同發(fā)電，地熱熱水先經(jīng)過閃蒸部分再經(jīng)過有機朗肯循環(huán)，將梯級利用進一步細化。根據(jù)設(shè)備和現(xiàn)場情況來選擇增壓泵。

圖3 預(yù)熱朗肯系統(tǒng)Fig. 3 Preheated ORC

圖4 閃蒸朗肯系統(tǒng)Fig. 4 Flashing ORC

本研究選取環(huán)保工質(zhì)R245fa作為朗肯循環(huán)有機工質(zhì)。運用EES軟件，以單位熱水發(fā)電量最大確定最優(yōu)閃蒸溫度、發(fā)生溫度，如表1所示。運算過程中用到的參數(shù)：汽輪機等熵效率0.76、渦輪膨脹機等熵效率0.85、泵等熵效率0.6。發(fā)電機效率0.95。選定的溫度和壓力分別為0℃、101.325 kPa。另外，忽略冷凝器、蒸發(fā)器和管道中的壓力損失；忽略摩擦損失和環(huán)境散熱。

表1 各系統(tǒng)最優(yōu)閃蒸/發(fā)生溫度Table 1 Optimized evaporation temperature

3 ?計算與參數(shù)

一個系統(tǒng)的?由動力?、潛?、物理?和化學?組成[7]。

該論文中動力?、潛?可近似忽略，不考慮化學?。目標系統(tǒng)中不同部位蒸汽和水的物理?可由下式計算：

其中，h和s分別是物質(zhì)的比焓和比熵，h0和s0是對應(yīng)0℃、101.325 kPa時的比焓和比熵。

對于綜合的?分析，需要計算一些重要的參數(shù)。

（1）熱力學完善度（α）

αi是部件i ?輸出（）與?輸入（）之比。

其中，φi是部件i的?損。

理論上任何部件的α應(yīng)該為1，這只在?損為零時才發(fā)生。于是部件的熱力學完善度越高，其性能越好。

整個系統(tǒng)的?損失和熱力學完善度為：

（2）?效率

系統(tǒng)中不同部件的可用?和獲得?如表2所示。顯然部件的?效率越高，其性能越好。

表2 系統(tǒng)中不同部件的可用?和獲得?Table 2 Used and available exergy of different components

（3）影響因子

實際上，β是衡量部件對系統(tǒng)性能影響的因子。這個參數(shù)能夠判定對系統(tǒng)效率作用最強的部件。

4 結(jié)果與討論

4.1 ?分析

根據(jù)計算結(jié)果，可以獲得各個系統(tǒng)的發(fā)電熱力參數(shù)，如表3所示。表4～6分別列出了單級閃蒸、預(yù)熱朗肯和閃蒸朗肯系統(tǒng)各節(jié)點的?分析參數(shù)。

由表3的發(fā)電參數(shù)可知，對于流體穩(wěn)定流量41 t/h、溫度115℃、絕對壓力0.44 MPa的地熱熱源發(fā)電，閃蒸朗肯系統(tǒng)的凈功率最大（360.8 kW），預(yù)熱朗肯系統(tǒng)次之，單級閃蒸系統(tǒng)最小。而尾水溫度的順序則相反，即單級閃蒸、預(yù)熱朗肯系統(tǒng)有較多的地熱資源還未利用上就隨尾水排出了。表4～6顯示系統(tǒng)?效率順序為閃蒸朗肯＞預(yù)熱朗肯＞單級閃蒸，地熱利用程度也符合該順序，符合上述關(guān)于能量分析的說明。

比較表4和表6，閃蒸朗肯系統(tǒng)將單級閃蒸系統(tǒng)中閃蒸罐、汽輪機、凝汽器的?損分別減少了64.8%、16.5%、38.8%。?損減少使得影響因子最高的閃蒸罐的熱力學完善度從82.06%提高至93.7%，?效率從75.43%提高至87.35%。

比較表4和表5，閃蒸朗肯系統(tǒng)將預(yù)熱朗肯系統(tǒng)中發(fā)生器、渦輪、冷凝器、工質(zhì)泵、預(yù)熱器的?損分別減少了45.6%、59.9%、43.3%、71%、66.1%。其中發(fā)生器影響因子最高，渦輪膨脹機次之。

結(jié)合表4～表6可知，在給定具體冷熱源的情況下，閃蒸朗肯系統(tǒng)給出最大的凈功率和最高的?效率（47.81%）。說明該系統(tǒng)能夠更深入地利用地熱資源，進行有效發(fā)電。

為了深刻地了解上述系統(tǒng)其他部件的?損，圖5給出了各部件?損對于整個系統(tǒng)的百分比。圖5證實了有機朗肯循環(huán)中發(fā)生器的?損最大。在閃蒸朗肯系統(tǒng)中閃蒸部分的?損比朗肯循環(huán)大，即其?損占比過半，且該系統(tǒng)閃蒸罐的?損小于汽輪機，這是由于其閃蒸溫度比預(yù)熱朗肯系統(tǒng)的高。

表3 各系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)Table 3 Performance parameters of three systems

表4 單級閃蒸系統(tǒng)的?分析Table 4 Exergy evaluation of the single flashing

表5 預(yù)熱朗肯系統(tǒng)的?分析Table 5 Exergy evaluation of preheated ORC

表6 閃蒸朗肯系統(tǒng)的?分析Table 6 Exergy evaluation of flashing ORC

圖5 各部件?損失所占系統(tǒng)的百分比Fig. 5 Percentage of the exergy destroyed in each component

4.2 閃蒸/發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能的影響

這里，我們考察單級閃蒸、預(yù)熱朗肯，閃蒸朗肯系統(tǒng)，分別編號為系統(tǒng)（a）（b）（c）（d）（c、d均為閃蒸朗肯系統(tǒng)）。其中系統(tǒng)（a）和（d）保持閃蒸溫度一致，系統(tǒng)（b）和（c）保持發(fā)生溫度一致，且都為發(fā)電量最大的最優(yōu)狀態(tài)。熱效率和?效率隨閃蒸/發(fā)生溫度的變化見圖6。

由圖6可知，所有系統(tǒng)的熱效率和?效率都隨著閃蒸/發(fā)生溫度的升高而增大。對比系統(tǒng)（a）和（d）可知，在較低的閃蒸溫度時，單級閃蒸與閃蒸朗肯有相似的熱效率和?效率，隨著溫度升高，單級閃蒸逐漸超過閃蒸朗肯。從地熱資源的利用深度來看，閃蒸溫度為82℃時，單級閃蒸凈功率是閃蒸朗肯的63.4%，而前者尾水溫度是后者的1.94倍。對于單級閃蒸，較高的閃蒸溫度雖然會獲得較高的熱效率和?效率，若同時結(jié)合有機朗肯循環(huán)，則可以得到更大凈功率和更低的尾水溫度，加大地熱資源的利用深度。

對比系統(tǒng)（b）和（c）可知，閃蒸朗肯的熱效率和?效率大都高于預(yù)熱朗肯，發(fā)生溫度越低，其優(yōu)勢越明顯。其實發(fā)生溫度為80℃時，閃蒸朗肯的優(yōu)化閃蒸溫度高于熱水溫度（115℃），但受熱水溫度的限制，實際閃蒸溫度只能是115℃，所以閃蒸朗肯的效率才會較低。

圖6 熱效率和?效率對于閃蒸/發(fā)生溫度的變化圖Fig. 6 Variations of the thermal and exergy efficiencies versus evaporation temperature

圖6中，?效率的增大是由于?損隨著閃蒸/發(fā)生溫度的升高而減小，即圖7所示。隨著閃蒸/發(fā)生溫度的升高，其與進入系統(tǒng)地熱水溫的溫差減小，使得可用?和?效率增加，或者減少了系統(tǒng)?損失。分別比較（a）和（d）、（b）和（c）可得出，閃蒸朗肯系統(tǒng)中發(fā)生溫度有較好的優(yōu)化性能。

圖7 ?損失隨著閃蒸/發(fā)生溫度的變化Fig. 7 Variations of the exergy loss versus evaporation temperature

此外，?損失的減少引起該系統(tǒng)在熱力學完善度（DTP）的增長。各個系統(tǒng)的熱力學完善度隨閃蒸/發(fā)生溫度的變化如圖8所示。

圖8 熱力學完善度隨閃蒸/發(fā)生溫度的變化Fig. 8 DTP Variations of total system versus flash brum/ generator temperature

5 結(jié) 論

本文對四川甘孜的一口地熱井進行能量分析和?分析，結(jié)果顯示，閃蒸朗肯系統(tǒng)的?效率最高（47.81%），預(yù)熱朗肯次之（46.31%），單級閃蒸最低（42.83%）。雖然閃蒸朗肯系統(tǒng)的?損和熱效率排在中間，但其凈功率最大（360.8 kW）。同時，閃蒸系統(tǒng)中，影響因子最大的部件是閃蒸罐，有機朗肯循環(huán)中是發(fā)生器影響因子最大。

三種發(fā)電方式的熱效率和?效率都隨著閃蒸/發(fā)生溫度的升高而增加。而改變發(fā)生溫度的閃蒸朗肯循環(huán)的效率較高，說明發(fā)生溫度有較好的優(yōu)化性能。閃蒸朗肯系統(tǒng)適用于中低溫地熱發(fā)電，其能量分析和?分析也可為電站設(shè)計提供參考。

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Energy and Exergy Analysis of Geothermal Generation from Ganzi

QIU Zhuo-ying1,2, WANG Ling-bao2, LI Hua-shan2, BU Xian-biao2
(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

This paper presents the energy and exergy evaluation of a geothermal well from Ganzi, Sichuan. According to the temperature of geothermal fluid, 115oC, we adopt the power generation system with Single-stage Flashing, Preheated ORC and Flashing ORC. The results demonstrate that the Flashing ORC owns the highest exergy efficiency of (47.81%), followed by Preheated ORC (46.31%), Single-stage flashing owns the lowest (42.83%). For ORC, influence coefficient and exergy loss of generator are the maximum； for flashing, flash drum has the biggest influence coefficient, but Flashing ORC make the exergy loss reduce 64.8% which is lower than the turbine’s. The results confirm that higher evaporation temperature can increase exergy efficiency and decrease exergy loss, and evaporation temperature of generator has better optimization for Flashing ORC. Flashing ORC system that owns the highest network (360.8 kW) and exergy efficiencies, the lowest tail temperature and medium thermal efficiency, is suitable for low-temperature geothermal power generation.

geothermal generation； exergy analysis； single flashing； preheated ORC； flashing ORC

TK529；TE249

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.008

2095-560X（2015）03-0207-07

邱卓瑩（1990-），女，碩士研究生，主要從事地熱發(fā)電的研究。

2015-04-20

2015-05-08

國家863項目（2012AA053003）；廣州市珠江科技新星專項(2014J2200079)；甘孜地區(qū)地熱發(fā)電技術(shù)研究項目（10500000-14-ZC0607- 0005）

? 通信作者：卜憲標，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

卜憲標（1979-），男，博士，副研究員，主要從事地熱/工業(yè)余熱發(fā)電及綜合利用等方面的研究。