胥越陽，徐亞田，蔣 來

(貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

貴州中低溫地?zé)岚l(fā)電可行性研究

胥越陽，徐亞田，蔣 來

(貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著化石能源對環(huán)境與大氣污染問題對人們生活生產(chǎn)帶來的巨大挑戰(zhàn)，綠色環(huán)保的可再生能源利用逐步引起了人們的關(guān)注，而地?zé)豳Y源作為可再生的綠色清潔能源具有巨大的開發(fā)潛力，是21世紀(jì)最受人們關(guān)注的新能源之一。相對于太陽能和風(fēng)能發(fā)電的間隙性，地?zé)崮馨l(fā)電相對較為穩(wěn)定，本文通過在前期對貴州地?zé)岱植?、地?zé)醿δ芮闆r進(jìn)行的調(diào)研，利用低溫發(fā)電理論對貴州地?zé)釡厝l(fā)電的可行性進(jìn)行了分析研究，研究顯示貴州地?zé)峋哂幸欢ǖ陌l(fā)電潛力，可以成為未來多能源發(fā)電的組成部分，有利于區(qū)域微網(wǎng)的建設(shè)與實現(xiàn)。

地?zé)岱植?；中低溫發(fā)電；有機朗肯循環(huán)(ORC)；新能源

貴州獨特的地質(zhì)背景、地質(zhì)構(gòu)造和良好的生態(tài)環(huán)境造就了較為豐富的地?zé)豳Y源，貴州地?zé)豳Y源主要以低溫及中低溫地?zé)釣橹鱗1]，屬板內(nèi)地?zé)?，全省地?zé)豳Y源主要分布于黔北、黔東北、黔中和黔西南地區(qū)，溫度較高的地?zé)崴Y源分布在黔北、黔東北、黔中和黔南地區(qū)[2]。根據(jù)前期調(diào)研所得到的貴州地?zé)岱植技捌渌疁胤秶芍捎弥械蜏氐責(zé)岚l(fā)電技術(shù)較適用于貴州地?zé)岚l(fā)電。

1 中低溫發(fā)電原理

1.1 中低溫?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)

中低溫?zé)崴l(fā)電多采用有機朗肯循環(huán)(ORC)，這種方法具有效率高，設(shè)備簡單、噪音低、投資小等特點[3]。低溫?zé)崴l(fā)電采用的有機朗肯循環(huán)(ORC)中的工質(zhì)通常是水蒸氣,系統(tǒng)由四大設(shè)備：鍋爐、汽輪機、冷凝器和給水泵組成。工質(zhì)在熱力設(shè)備中不斷進(jìn)行等壓加熱、絕熱膨脹、等壓放熱和絕熱壓縮四個過程,使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機械能。ORC技術(shù)與常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)相比有很多優(yōu)點，因此采用ORC技術(shù)可回收更多的熱量。熱力循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，圖2為T-S(溫—熵圖)其中縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為熵。

圖1 有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖

圖2 有機朗肯循環(huán)T-S圖

在熱源溫度和流量穩(wěn)定的情況下，循環(huán)熱力參數(shù)的確定，主要是確定工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度[4]。在循環(huán)中，蒸發(fā)溫度決定了系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)流量以及在渦輪機中的焓降，而對于凈輸出電功存在一個最大值，就是“最佳蒸發(fā)溫度”，循環(huán)最佳蒸發(fā)溫度和最佳冷卻水溫度可以根據(jù)單位質(zhì)量的熱流體得到凈輸出的最大電功(即最大發(fā)電量)[5]。

1.2 ORC循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)選擇

在選擇動力工質(zhì)時，除了滿足具有低溫臭氧破壞(ODP)和溫室效應(yīng)(GWP)[6]以外，還應(yīng)滿足兩個主要條件：1) 在T-S圖中，其中ORC循環(huán)接近表示可用大小的三角形，即潛熱小，顯熱大的工質(zhì)，如圖3；2) 在T-S圖中，其飽和蒸汽線斜率dT/dS>0的干性工質(zhì)，或者dT/dS趨于正負(fù)無窮的絕熱工質(zhì)，使工質(zhì)在膨脹終了狀態(tài)后有適度的干度，如圖4。

圖3 低沸點工質(zhì)的T-S圖

圖4 不同性質(zhì)工質(zhì)的T-S圖

1.3 ORC循環(huán)系統(tǒng)熱力計算

在確定了循環(huán)工質(zhì)以及最佳蒸發(fā)溫度和最佳凝結(jié)溫度以后，可以得出發(fā)電系統(tǒng)的凈輸出電功(即最大發(fā)電量)。

W凈max=m(wT-wP)-w′P-m″wP″ .

(1)

其式中m表示地?zé)崴馁|(zhì)量/kg，公式計算如下：

m=c′pm(t′1-t1opt-δt′)ηv/r.

(2)

其中c′pm表示熱流體的平均比熱，kJ·kg-1·℃-1；t′1表示熱流體溫度，℃；t1opt表示地?zé)崴淖罴褱囟?，℃；δt′指熱流體的最小傳熱溫度，℃；ηv指蒸發(fā)器的效率；r指的是汽化潛熱，kJ·kg-1。

式(1)中wT指渦輪機的輸出功比，其公式：

wT=(h1-h2)ηTηMηG.

(3)

其中h1、h1表示比焓，kJ·kg-1；ηT、ηM、ηG分別表示渦輪機、機械、發(fā)電機的效率，其效率是設(shè)備所固有的，通過設(shè)備銘牌可得到。

式(1)中wP指循環(huán)泵的輸出功比，公式如下：

wP=v3(p4-p3)/(ηPηEM) .

(4)

其中v3表示比容，m3·kg-1；p4、p3表示壓力，MPa；ηP、ηEM分別指循環(huán)泵、電動機的效率。

式(1)中w′P指熱流體循環(huán)泵的功比，其公式：

w′P=gH′/(η′Pη′EM) .

(5)

其中g(shù)為重力加速度，m·s-2；H′為熱流體循環(huán)泵揚程，m；η′P、η′EM分別指熱流體循環(huán)泵、熱流體電動機的效率。

式(1)中w″P指冷卻水泵的輸出功比，計算可由式(6)得到：

w″P=gH″/(η″Pη″EM) .

(6)

其中H″為冷卻水泵揚程，m；η″P、η″EM分別指冷卻水泵、冷卻電動機的效率。

式(1)中m″指冷卻水的質(zhì)量，計算公式如下：

m″=m[h1-(h1-h2)ηT-h3]/(c″pmΔt″opt) .

(7)

其中c″pm表示冷卻水的平均比熱，kJ·kg-1·℃-1；Δt″opt表示最佳冷卻水溫增量。

其熱量Q：

Q=m∈(h1-h3-wP)/ηv.

(8)

其中m∈為單位質(zhì)效，ηv為蒸發(fā)器的效率。

發(fā)電效率η：

η=W凈max/Q.

(9)

2 貴州地?zé)岚l(fā)電可行性分析

2.1 貴州地?zé)岱植?/p>

根據(jù)貴州地?zé)岱植嫉那闆r，貴州省溫泉及熱水井水溫以低溫為主，多在30 ℃～50 ℃之間，最高65 ℃，最低21 ℃[7]。溫度較高的溫泉、熱水井主要分布在黔北、黔東北、黔中和黔南地區(qū)，分布明顯受北東向斷裂帶控制。故此，借鑒于國內(nèi)目前已建成地?zé)犭娬?，相比較之下地?zé)岚l(fā)電可行地區(qū)有以下幾處：

息烽溫泉位于息烽縣城東北面41 km處，是中國西南有名的溫泉。溫泉四周山巒起伏，黑灘河、清水河匯合其間，兩河匯合處，熱泉分三處涌出，水溫達(dá)53 ℃～56 ℃。

劍河溫泉位于貴州省凱里市劍河縣，現(xiàn)存6口泉眼。泉水晶瑩清澈，每秒鐘流量10公升，各泉眼溫度不同，從38 ℃～50 ℃。

石阡溫泉在貴州石阡縣南部城南松明山下，延續(xù)至今已有400多年的歷史，有著獨特傳統(tǒng)的洗浴文化，是全國唯有、世界少有既可洗浴，又能直接飲用的天然礦泉溫泉。常年恒溫45 ℃。

水晶溫泉景區(qū)位于綏陽縣溫泉鎮(zhèn)，所取水源為婁山關(guān)地層，出水溫常年為51 ℃。

以上幾處地?zé)釡囟认啾荣F州其他地?zé)豳Y源地區(qū)而言，其地?zé)崴疁囟容^高，并且穩(wěn)定，用于發(fā)電的可行性較高。

2.2 貴州地?zé)岚l(fā)電可行性分析

通過中低溫?zé)崴l(fā)電ORC循環(huán)系統(tǒng)熱力計算[8]，取蒸發(fā)器、冷凝器最小傳熱溫差為5 ℃，蒸發(fā)效率為0.98，渦輪機效率、機械效率、發(fā)電機效率、循環(huán)泵效率、電動機效率分別為0.78、0.98、0.92、0.6、0.88，熱流體泵的效率、揚程及對應(yīng)的發(fā)電機效率分別為0.7、20 m、0.88，冷卻水泵的效率、揚程及對應(yīng)的發(fā)電機效率分別為0.75、20 m、0.88。預(yù)取冷卻水溫度升為5 ℃，則冷凝溫度為30 ℃。查蒸汽特性表根據(jù)各溫泉的溫度，可以知道蒸發(fā)、蒸汽的比焓和比容，則：

根據(jù)低溫?zé)崴l(fā)電ORC循環(huán)系統(tǒng)熱力計算公式(每公斤熱流體)則對息烽溫泉可有：

渦輪機的輸出功比wT：

wT=(2 598.26-2 372.25)×

0.78×0.98×0.92=158.941 kJ .

循環(huán)泵的輸出功比wP：

wP=10.022 6(1.15-0.101)÷

0.6÷0.88=19.912 kJ .

熱流體循環(huán)泵的功比w′P：

w′P=9.8×20÷0.7÷0.88=318.182 kJ .

冷卻水泵的功比w″P：

w″P=9.8×20÷0.75÷0.88=296.970 kJ .

地?zé)崴|(zhì)量m：

m=4.2×5(63-30-5)×0.98÷

42.315=13.618 kg .

冷卻水質(zhì)量m″

m″=0.243[2 598.26-(2 598.26-2 372.25)×

0.78-226.02]÷(4.2×5)÷10=5.082 kg .

系統(tǒng)凈輸出功率w凈max：

w凈max=13.618(158.941-19.912)-318.182-

5.082×296.970=65.913 kW .

計算出各個溫泉的預(yù)發(fā)電量(凈功率)如下表所示：

表1 每公斤熱流體預(yù)發(fā)電量

3 總結(jié)

本文通過采用中低溫發(fā)電原理，對具有豐富地?zé)豳Y源的貴州進(jìn)行了地?zé)岚l(fā)電的可行性分析研究，根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果結(jié)合地?zé)岚l(fā)電分析，得出息烽、劍河溫泉具備地?zé)岚l(fā)電的條件，可以進(jìn)行中低溫地?zé)崴l(fā)電。這一結(jié)果為貴州的多能源分布式智能電網(wǎng)改造提供了一定的參考，這樣不僅可以有效降低化石能源的消耗，而且還可以有效地對環(huán)境進(jìn)行保護。隨著地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的不斷的發(fā)展和改進(jìn)，貴州地?zé)岚l(fā)電將會有更加廣闊的前景。

[1] 任湘，唐寧華.中國地?zé)豳Y源及其開發(fā)利用.中國新能源和可再生能源[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，1991：95-97.

[2] 毛健全.貴州省地?zé)豳Y源特征、分布規(guī)律、開發(fā)現(xiàn)狀及其發(fā)展遠(yuǎn)景[D].中國西部地?zé)豳Y源開發(fā)戰(zhàn)略研究論文集,2001.

[3] 馮馴，徐建，王墨南.有機朗肯系統(tǒng)回收低溫余熱的優(yōu)勢[J].節(jié)能技術(shù)，2010,28(5):387-391.

[4] 張圣君.低溫地?zé)岚l(fā)電循環(huán)理論優(yōu)化與有機工質(zhì)朗肯循環(huán)性能試驗[D].天津：天津大學(xué)，2012：50-57.

[5] 嚴(yán)家.低溫?zé)崮馨l(fā)電方案中選擇工質(zhì)和確定參數(shù)的熱力學(xué)原則和計算式[J].工程熱物理學(xué)報,1982,3(1):4-6.

[6] 王補宣，朱明善.低溫余熱動力回收方案的擬定方法[J].機械工程學(xué)報,1982,18(3):1-9.

[7] 韓至均，金占.貴州省水文地質(zhì)志[M].北京:地震出版社，1996.

[8] 儲靜嫻.低溫發(fā)電ORC工質(zhì)與系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化研究[D].天津:天津大學(xué),2009.

Feasibility Study of Low Temperature Geothermal Power Generation in Guizhou

Xu Yueyang, Xu Yatian, Jiang Lai

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,GuizhouNormalUniversity,GuiyangGuizhou550025,China)

In twenty-first Century, energy has become one of the factors that restricts the sustainable development of the world economy and society. Geothermal resource, as a renewable green clean energy with great potential for development, is one of the most popular new energy in twenty-first Century. Compared with the gap time of solar and wind power generation, geothermal power is relatively stable, and reliable renewable energy. According to the Guizhou geothermal distribution, geothermal energy is analyzed, based on the theory of low temperature power generation, this paper analyzes the feasibility of geothermal power generation in Guizhou The study shows that Guizhou has a certain potential for geothermal power generation, can become an integral part of future multi energy power generation and conductive to the implementation of the construction of regional network for micro.

geothermal distribution; low temperature; organic Rankine cycle (ORC); new energy

2016-12-24

胥越陽(1994- )，男，四川人，在讀本科，專業(yè)：電氣工程及其自動化。

1674- 4578(2017)01- 0093- 04

M616

A