王永真，羅向龍，陳 穎，胡嘉灝，龔宇烈

(1.廣東工業(yè)大學 材料與能源學院，廣東廣州510006;2.中國科學院廣州能源研究所，廣東廣州510640)

如今，地熱能的利用已經(jīng)逐步被世界各國所關注.“世界地熱大會WGC2010”統(tǒng)計，截止2009年底，全球已有27個國家實現(xiàn)了地熱發(fā)電，裝機容量和年發(fā)電量分別為10 715 MW和672.5億kWh;地熱直接利用裝機容量達50 583 MW，年產(chǎn)能達4.38×1014kJ［1-2］.我國地熱能分布以中低溫為主，地熱能較多地被用來采暖、洗浴和熱泵等［3］.發(fā)電方面，國內目前僅存且運行的地熱能發(fā)電站只有西藏羊八井和廣東豐順兩個.豐順閃蒸地熱電站是將91℃地熱水抽入閃蒸器閃蒸出蒸汽，從而推動汽輪機發(fā)電.調研發(fā)現(xiàn)，電站仍有大量未閃蒸的地熱水未被進一步利用而直接排棄.而這些直接排放的地熱水的溫度在68～75℃之間，利用溫差較小，利用率較低.

地熱發(fā)電與地熱直接利用相結合的地熱梯級綜合利用系統(tǒng)能夠有效地提高地熱資源的利用率，進而提高地熱利用系統(tǒng)的熱力性能.近年來，國際上有學者在地熱的綜合利用方面進行研究，如T.A.H.Ratlamwala等［4］將地熱水串聯(lián)通過雙級閃蒸發(fā)電循環(huán)、四效氨水吸收式制冷循環(huán)、尾水換熱循環(huán)和制氫循環(huán)，形成地熱的梯級綜合利用.建模并分析了地熱水溫度、壓力及環(huán)境溫度對系統(tǒng)性能的影響;Oguz Arslan等［5］對土耳其某地熱資源進行了梯級綜合利用，地熱水依次完成有機朗肯循環(huán)發(fā)電、居民采暖、溫室養(yǎng)殖和溫泉洗浴;Duccio Tempesti等［6］研究了一種太陽能地熱耦合的有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，并對不同月份下系統(tǒng)發(fā)電效率進行了分析;Can Coskun等［7］對供冷季、供熱季不同地熱綜合利用系統(tǒng)的形式做了熱力學的分析，并考察了環(huán)境溫度對各系統(tǒng)效率的影響;Mehmet Kanoglu等［8］對地熱發(fā)電、制冷和采暖這3種可能的組合方案分別做了熱力學和經(jīng)濟學評價.

因此，根據(jù)豐順夏熱冬暖地區(qū)的氣候特征，利用雙級溴化鋰吸收式制冷循環(huán)(TSARS)在低品位熱能回收方面的優(yōu)勢，將地熱閃蒸電站未被利用的地熱尾水繼續(xù)級聯(lián)到TSARS，構成地熱梯級綜合利用系統(tǒng)，一方面提高地熱水的利用率，另一方面則產(chǎn)生冷量以滿足制冷需求.但是與傳統(tǒng)的電制冷相比，TSARS設備復雜，投資高，且循環(huán)COP低.雖然近年來火用分析方法在吸收式制冷技術分析和評價有了一定的應用，較好地解決了TSARS熱力學性能等方面的問題，如Sencan等［9］研究了發(fā)生器溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等因素對溴化鋰吸收式制冷循環(huán)COP和火用效率的影響關系.但是火用分析方法沒有考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性能.而火用經(jīng)濟分析則可以同時從熱力學和經(jīng)濟學出發(fā)，分析評價系統(tǒng)的綜合性能.如R.D.Misra等［10-11］利用火用經(jīng)濟方法分別研究了雙效溴化鋰吸收式制冷循環(huán)和氨水吸收式制冷循環(huán)的性能.

綜上所述，本文提出將TSARS應用到電站地熱尾水的回收，建立地熱水發(fā)電－制冷梯級綜合利用系統(tǒng).以電站運行數(shù)據(jù)為基準，獲得地熱水的火用經(jīng)濟成本，利用火用經(jīng)濟分析的方法，研究對比地熱水級聯(lián)到TSARS兩種模式的(串聯(lián)和并聯(lián))性能的優(yōu)劣.同時分析了地熱水進口溫度變化對制冷循環(huán)火用經(jīng)濟性能的影響.最后，設計具體案例模型，研究循環(huán)各設備的火用經(jīng)濟性能，以為實際工程案例做準備，為我國中低溫地熱能的利用提供參考.

1 地熱電站運行情況

廣東豐順地熱電站采用的是單級閃蒸發(fā)電循環(huán)，其流程如圖1所示.從生產(chǎn)井(PW)出來的地熱水通過生產(chǎn)井泵(P)輸運到電站閃蒸器(FT)，進而通過控制閃蒸壓力Pf，使閃蒸器內的地熱水閃蒸產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進入汽輪機(ST)做功而推動發(fā)電機(G)發(fā)電，經(jīng)過汽輪機做功后的乏汽進入凝汽器(CON-P)被冷卻水(CW)直接冷卻.據(jù)調研發(fā)現(xiàn)，閃蒸器內剩余地熱水被直接排棄，流量達60 kg/s，最高溫度為75℃.因此，當環(huán)境溫度為25℃時，該閃蒸電站的地熱水利用率僅為24.3%，即熱水利用的能量只有其最大做功能力的24.3%，造成了地熱能的大量浪費.圖2為2011年1～10月電站的發(fā)電功率，平均發(fā)電功率約為240 kW，發(fā)電效率僅為4.48%.

圖1 豐順地熱電站發(fā)電流程簡圖Fig.1 Flow chart of geothermal power plant in Fengshun

圖22011 年電站各月發(fā)電功率Fig.2 The generated output of the Plant in 2011

2 地熱尾水吸收制冷循環(huán)

基于地熱電站較低的地熱水利用率，結合地熱電站循環(huán)排放尾水溫位的特點，提出將閃蒸發(fā)電后電站排棄的地熱尾水級聯(lián)到TSARS，形成地熱梯級綜合利用系統(tǒng)，從而提高地熱水的利用率.溴化鋰吸收式制冷技術在低品位能源利用和工業(yè)余熱回收方面有較大潛力，而TSARS對熱源的溫度要求比單效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)更低［12］，60℃以上的熱水即可驅動，進而可利用其對70℃左右的地熱尾水加以利用.TSARS流程如圖3所示，而地熱尾水級聯(lián)到TSARS有串聯(lián)供入和并聯(lián)供入兩種可能的模式，如圖4所示.

圖3 雙級溴化鋰吸收式制冷循環(huán)流程圖Fig.3 Flow chart of the TSARS

圖4 地熱尾水供入TSARS的兩種模式Fig.4 The ways of geothermal waste water entering into TSARS

3 制冷系統(tǒng)火用經(jīng)濟分析模型

其中，e為單位質量火用，kW/kg;h為單位質量焓，kJ/kg;s為單位質量熵，kJ/(kg·℃);、和為系統(tǒng)內部火用損失、外部火用損失、輸入燃料火用和輸出產(chǎn)品.

制冷系統(tǒng)計算模型是建立在如下假設的前提下進行的:

(1)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行且所有的換熱器與外界無熱交換;

(2)制冷劑水(水蒸氣)在冷凝器進口和蒸發(fā)器的出口均為飽和態(tài);

(3)不考慮系統(tǒng)由于摩擦而帶來的管道和換熱器的工質壓力損失;

(4)不考慮溴化鋰水溶液的動能、勢能和化學能;

(5)溴化鋰水溶液在系統(tǒng)各點處于平衡;

(6)地熱水物性采用純水物性;

(7)為了保證溴化鋰溶液不結晶，進入高低壓節(jié)流閥的溴化鋰濃溶液的溫度保證在當前壓力下結晶溫度8℃以上.

3.1 子系統(tǒng)劃分

將雙級溴化鋰制冷系統(tǒng)每一個熱力過程劃分成一個子系統(tǒng)，即把每個設備當做一個子系統(tǒng).故每個子系統(tǒng)的“燃料－產(chǎn)品－損失”定義如表1所示.

3.2 子系統(tǒng)火用經(jīng)濟方程的建立

根據(jù)火用經(jīng)濟成本平衡式:輸入成本等于輸出成本，即

表1 各子系統(tǒng)“燃料－產(chǎn)品－損失”的定義Tab.1 The definition of“F-P-L”of each subsystem

其中，資金年度化系數(shù)［14］

式(6)中，m為年利率;n為系統(tǒng)運行壽命，年;t為系統(tǒng)年運行小時數(shù)，h.

建立各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟方程，見表2.

雙級溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的投資包括換熱器投資、泵(電機)和節(jié)流閥的投資.其中高(低)壓發(fā)生器、高(低)壓吸收器、高(低)壓溶液交換器、冷凝器和蒸發(fā)器的投資利用式(7)計算，節(jié)流閥、泵(電機)的投資利用式(8)計算［15］(把節(jié)流閥近似為泵的反向過程).

表2 各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟方程Tab.2 The exergoeconomic equations of each subsystem

其中，換熱器的換熱面積和泵(電機)功耗分別按照式(9)、(10)確定.

其中，Qi為換熱器換熱量，kW;LMTDi為換熱器對數(shù)換熱溫差，℃;Ki為換熱器平均換熱系數(shù)，kW/m2;g為重力加速度，m/s2;Hi為泵的揚程，m;βi為泵的效率，fi、fj、Ar、Wr為修正參數(shù)，參考文獻［15］.

3.3 地熱水成本的確定

據(jù)火用成本理論，電站系統(tǒng)中，地熱水可以當做雙線流來處理，根據(jù)雙線流進出口火用經(jīng)濟成本相等原則［13］，那么地熱尾水火用經(jīng)濟成本可以按照地熱水生產(chǎn)成本來計.

其中，電站成本Cwater按式(12)計算，各含量取值見表3.

所以，得

其中，Wdesign為電站設計發(fā)電功率，kW;Cexp為勘測費;Cper為許可費;Cd為鉆井費.

表3 地熱電站各項目費用［15］($·kW－1)Tab.3 The fees of the geothermal power plant

3.4 系統(tǒng)評價分析指標

4 結果與討論

表4給出了TSARS的設計和計算參數(shù)，考慮到實際運行條件，設串聯(lián)、并聯(lián)供給模式的TSARS利用地熱水的溫差均為8℃.

表4 雙級溴化鋰吸收式制冷循環(huán)設計及計算參數(shù)Tab.4 The designed and calculated parameters of TSARS

4.1 串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的性能分析

4.2 地熱水進口溫度對系統(tǒng)熱力學性能的影響

實地調研發(fā)現(xiàn)，由于受到電站運行參數(shù)和環(huán)境溫度變化的影響，閃蒸電站的地熱尾水的排放溫度T22在68～75℃之間.從圖6得，隨著地熱水溫度的增大，循環(huán)的COP不斷提高，且COP增大的速率不斷減小，在75℃時達到并聯(lián)TSARS的COP的最大值，約0.417.而從圖7得，隨著地熱水溫度的增大，循環(huán)的火用效率卻不斷降低，且火用效率降低的速率不斷增大，并聯(lián)TSARS在地熱水進口溫度為68℃時火用效率約14.11%.這也反映了地熱水“數(shù)量”與“品質”的差別.同時，可以看到串聯(lián)系統(tǒng)的COP和火用效率始終比并聯(lián)系統(tǒng)的大.

圖5 地熱水成本對TSARS冷凍水火用經(jīng)濟成本的影響Fig.5 Effect of the waste geothermal water’s cost on the production exergoeconomic cost of TSARS

圖6 地熱水進口溫度對TSARS的COP的影響Fig.6 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the COP of TSARS

圖7 地熱水進口溫度對TSARS火用效率的影響Fig.7 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the exergic efficiency of TSARS

4.3 并聯(lián)TSARS各子系統(tǒng)火用經(jīng)濟性能

表5給出了地熱水進口溫度為71℃時，并聯(lián)TSARS各狀態(tài)點的參數(shù).

在地熱水進口溫度為71℃，冷卻水進口溫度為28℃，冷凍水出口溫度為10℃，TSARS總輸入火用31.414 kW，冷凍水輸出火用4.4 kW，總火用損27.014 kW，需要地熱水7.562 kg/s，冷卻水16.89 kg/s，單位產(chǎn)品火用成本7.73$/GJ.圖8給出了并聯(lián)TSARS各設備火用損占循環(huán)總火用損的比例，即各設備火用損失率.顯然，低壓、高壓發(fā)生器由于較大換熱溫差的存在而帶來較大的換熱火用損，使其火用損失率較大，分別約25.354%和20.823%，高、低壓發(fā)生器、冷凝器和蒸發(fā)器次之，這6個換熱器的總火用損約占循環(huán)總火用損的95%.同時，從圖9可以看出，制冷劑節(jié)流閥、冷凝器和高、低壓吸收器的火用經(jīng)濟系數(shù)較低，分別為19.5%、22.4%、29.01%和33.21%，反映了這幾個設備的不可逆損失較設備投資大，可通過增大投資或減少不可逆損失而進一步提高設備性能.

圖8 并聯(lián)TSARS各設備火用損占循環(huán)總火用損的比例Fig.8 The ξ of each equipment of the parallel TSARS

圖9 并聯(lián)TSARS各設備火用經(jīng)濟系數(shù)Fig.9 The f of each equipment of the parallel TSARS

5 結論

本文提出將TSARS級聯(lián)到原閃蒸地熱電站，形成地熱水的梯級綜合利用系統(tǒng).從電站實際運行出發(fā)，確定地熱水的成本.采用火用經(jīng)濟學的方法對地熱尾水級聯(lián)到TSARS的模式(串聯(lián)和并聯(lián))進行了分析，發(fā)現(xiàn):

(1)地熱水并聯(lián)級聯(lián)到TSARS較串聯(lián)模式具有較好的火用經(jīng)濟性能，其冷凍水火用成本較串聯(lián)模式低.

(2)地熱水串聯(lián)TSARS的COP和火用效率在文中設定參數(shù)范圍內始終略大于并聯(lián)TSARS，且COP隨著地熱水進口溫度的升高而增大，但升高的速率逐漸減小，而火用效率則相反.

(3)地熱水并聯(lián)TSARS中換熱器的總火用損失率達到了95%，其中具有最大火用損率的設備是低壓吸收器，是由于其最大的不可逆?zhèn)鳠釡夭钏?制冷劑節(jié)流閥、冷凝器和高壓吸收器的火用經(jīng)濟系數(shù)較小，可以通過增大投資或減少不可逆損失進行改善.

表5 并聯(lián)TSARS各點運行參數(shù)和火用經(jīng)濟參數(shù)(T22=71℃，T29=10℃，T24=28℃，c22=2.98$/GJ)Tab.5 The properties of every state of the parallel TSARS

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