王釗 朱明峰 朱文

中海油節(jié)能環(huán)保服務(wù)有限公司

一、緒論

（一）研究背景

隨著化石能源的開采和利用，化石能源供應(yīng)短缺逐漸成為近些年來的一大問題，環(huán)境污染和氣候變化等問題也日益突出，上述問題嚴(yán)重阻礙了我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，更威脅到人類生存和全球性生態(tài)平衡，所以人們亟待從能源更替角度開拓出一條資源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展之路。在這條路上，可再生能源的發(fā)展無疑為解決當(dāng)今世界所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題提供了良好契機(jī)，我國對(duì)地?zé)?、太陽能、風(fēng)能等可再生的清潔綠色能源利用愈發(fā)重視。地?zé)崮苁菬o污染的清潔能源，在熱量的提取速度不超過補(bǔ)充速度的情況下，熱能還是可再生的[1]。地?zé)崮艽蟛糠謥碜缘厍蛏钐?，源于地球?nèi)部的熔融熔巖和放射性物質(zhì)的衰變，高溫的熔巖將附近的地下水加熱，地下水把熱量從地下層帶到近表層，如今，我國很多地方已開發(fā)利用地?zé)崮転榻ㄖ岷椭评?，大大減少了建筑區(qū)域的一次能源消耗量，少數(shù)地區(qū)的優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源還可用來發(fā)電[2]。

（二）研究現(xiàn)狀

在我國的地?zé)豳Y源開發(fā)中，直接利用地?zé)崴M(jìn)行建筑供熱等利用途徑也得到了較快發(fā)展，其中包括了以天津和西安為代表的地?zé)峁?。除地?zé)峁峒夹g(shù)發(fā)展迅猛外，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，地?zé)岚l(fā)電效益提升尤為顯著，以西藏羊八井為代表的地?zé)岚l(fā)電為國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益[3]。對(duì)于地?zé)岚l(fā)電的開發(fā)，李克旭等[4]介紹了除地?zé)崴l(fā)電外，利用地?zé)嵴羝?、干熱巖和巖漿等發(fā)電技術(shù)的工作原理，并對(duì)其進(jìn)行了比較。秦詳熙等[5]在河北滄州搭建了有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電機(jī)組，使用地?zé)崴催M(jìn)行了試運(yùn)行，試運(yùn)行期間整體效果較好且運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)電效率高于我國已有中低溫地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目與部分國外中低溫ORC地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目，文中還提出使用發(fā)電后膨脹機(jī)凝水進(jìn)行建筑供熱、地?zé)嵘鷳B(tài)園的三級(jí)利用方案。國內(nèi)外的學(xué)者針對(duì)ORC技術(shù)進(jìn)行了豐富研究，其中包括對(duì)工質(zhì)的選擇、運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化以及系統(tǒng)的改進(jìn)等方面。王輝濤等[6]選擇了10種地?zé)崮躉RC中作為發(fā)電工質(zhì)的干流體有機(jī)工質(zhì)，比較了系統(tǒng)循環(huán)?效率及主要熱力參數(shù)；席奐等[8]人以?效率作為目標(biāo)函數(shù)，采用了遺傳算法和粒子群算法對(duì)響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，改善了運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)行效率得到提高；博洛尼亞大學(xué)的Ancona M A等[7]通過小型ORC實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了不同操作條件下，生物質(zhì)余熱鍋爐的余熱回收情況，獲取了ORC系統(tǒng)的循環(huán)熱力性能。

本文模擬研究了常用的地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，提出并研究了一種回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分析了四種工藝系統(tǒng)的熱力參數(shù)及系統(tǒng)性能，為低溫地?zé)豳Y源的熱、電利用提供理論基礎(chǔ)。

二、系統(tǒng)流程

（一）地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)

當(dāng)?shù)責(zé)崴|(zhì)不適合直接供熱時(shí)，常采用地?zé)崴g接供熱，該系統(tǒng)堅(jiān)持“只取熱，不取水”的原則，降低對(duì)環(huán)境的影響，地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)如圖1所示。地?zé)崴傻責(zé)峋畠?nèi)潛水泵抽出后，直接進(jìn)入換熱器與冷流換熱，利用后的地?zé)崴蛔⑷牖毓嗑畠?nèi)，回灌水溫度不應(yīng)低于25℃。供熱循環(huán)水通過換熱器被加熱后向熱用戶提供熱量，參考《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，年運(yùn)行費(fèi)用較經(jīng)濟(jì)的供回水溫度可取65℃/55℃。

（二）地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)

地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)如圖2，地?zé)崴傻責(zé)峋畠?nèi)潛水泵抽出后，直接進(jìn)入蒸發(fā)器與冷流換熱，利用后的地?zé)崴蛔⑷牖毓嗑畠?nèi)。有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中獲取熱量被加熱至氣態(tài)，隨后進(jìn)入膨脹機(jī)做功，膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹機(jī)出口的乏氣進(jìn)入冷凝器冷卻至液態(tài)，通過工質(zhì)泵加壓后，返回蒸發(fā)器，完成工質(zhì)循環(huán)。冷凝器中冷流一般為循環(huán)冷卻水，冷卻水通過冷卻塔或蒸發(fā)式冷卻器將大量熱量排向環(huán)境。

（三）地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)

地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)如圖3，與地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)不同之處在于該系統(tǒng)對(duì)經(jīng)蒸發(fā)器換熱后的地?zé)崴M(jìn)一步熱利用，通過供熱換熱器再次回收其熱量，產(chǎn)生電力和熱水產(chǎn)品，是對(duì)地?zé)豳Y源的梯級(jí)利用。

（四）回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)

在ORC系統(tǒng)中，膨脹機(jī)排出的高溫乏氣在冷凝器中被冷卻水冷卻，冷卻水通常是循環(huán)水，由冷卻塔或蒸發(fā)冷卻器冷卻換熱，使其供、回水溫度維持在工藝要求的范圍內(nèi)。對(duì)于以低溫?zé)崴疄闊嵩吹腛RC系統(tǒng)，其冷凝負(fù)荷往往巨大，如果能將這部分冷凝熱回收，利用它產(chǎn)出更多的熱水，可滿足熱用戶更大的熱水或供暖需求，是可行的用熱方案之一。

圖4為滿足上述需求的回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，在圖3的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)回收利用了冷凝器的熱量。循環(huán)水在水泵出口分成兩股流，一股進(jìn)入冷凝器中先被膨脹機(jī)排出的工質(zhì)加熱，換熱后的流股與水泵出口的另一流股匯流進(jìn)入供熱換熱器被地?zé)崴訜?。?jīng)兩次提溫后的循環(huán)水溫可滿足供暖水溫要求。

三、模擬建立

本文以天津地區(qū)某低溫地?zé)豳Y源為設(shè)計(jì)依據(jù)，地?zé)崛∷疁囟葹?5℃，水流量為200t/h，回灌水溫為63℃。結(jié)合上述的地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)以及回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分別對(duì)該低溫地?zé)豳Y源加以利用，并分別展開系統(tǒng)流程的模擬研究。在ORC系統(tǒng)中，選用R245fa為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 R245fa物性參數(shù)

各系統(tǒng)中的換熱器均采用逆流換熱，考慮到換熱器的成本及加工工藝限制，窄點(diǎn)溫差不宜小于5℃，地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)以及回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)模擬設(shè)定值匯總于表2。對(duì)于同一地?zé)釤嵩?，取回灌溫度一致，保證了各個(gè)系統(tǒng)從熱源獲取的總熱量相同；冷卻水溫度參考冷卻塔工藝要求；膨脹機(jī)、水泵和工質(zhì)泵的能效參考設(shè)備的設(shè)計(jì)參數(shù)。

四、結(jié)果分析

在ORC系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度的選取受熱源溫度、蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差、冷凝溫度等因素的影響。尤其是當(dāng)熱源是低溫?zé)崴钦羝麜r(shí)，蒸發(fā)器換熱窄點(diǎn)溫差的影響顯著，這是由于工質(zhì)側(cè)存在相變，而熱源側(cè)為單相換熱，那么在整個(gè)換熱過程中，單相流體溫度隨換熱量成線性變化，而兩相區(qū)流體溫度恒定，溫度窄點(diǎn)往往出現(xiàn)在工質(zhì)的兩相區(qū)位置，換熱工況不合適時(shí)易出現(xiàn)換熱器溫度交叉的問題。通過運(yùn)用軟件的靈敏度分析和設(shè)計(jì)規(guī)定相結(jié)合，可找到使系統(tǒng)質(zhì)能達(dá)到平衡的最佳運(yùn)行參數(shù)。

流量200t/h，溫度95℃的地?zé)崴?dāng)回灌水溫為63℃時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)可獲取總熱量均為7.5MW。如圖5，當(dāng)通過地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)一）使低溫地?zé)崴坑脕懋a(chǎn)供熱水時(shí)，可獲得65℃熱水662m3/h，供熱循環(huán)水供回溫度為65℃/55℃，按一般住宅采暖熱指標(biāo)60w/m2計(jì)算，供熱面積可達(dá)12.6萬平。系統(tǒng)三和系統(tǒng)四的供熱面積分別達(dá)8.7萬平和12.4萬平。

如圖6，當(dāng)不考慮系統(tǒng)換熱損失時(shí)，利用地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)一）可將全部熱量用于供熱，回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)四）也可獲取較多熱量。地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)（系統(tǒng)二）可獲得約284kW的發(fā)電量，而系統(tǒng)四在發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電最少，僅有75kW，地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)三）是對(duì)地?zé)豳Y源的梯級(jí)利用方案，可產(chǎn)出164kW電力及5.2MW的供熱量。此外，系統(tǒng)二向環(huán)境排放的廢熱量最多，系統(tǒng)四由于回收利用了全部冷凝換熱量，不向環(huán)境排熱，但系統(tǒng)四對(duì)冷凝換熱量的回收削弱了其發(fā)電性能。

五、結(jié)論

通過模擬研究地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)、地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)和回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，可獲得四種工藝系統(tǒng)的熱力參數(shù)及系統(tǒng)性能，當(dāng)?shù)責(zé)豳Y源主要用于供熱時(shí)，應(yīng)采用地?zé)衢g接供熱系統(tǒng)；當(dāng)期望得到更多電能時(shí)，應(yīng)采用地?zé)酧RC發(fā)電系統(tǒng)；采用地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)可滿足用戶發(fā)電和供熱的需求；回收冷凝熱的地?zé)酧RC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)適合于熱負(fù)荷大，對(duì)電能需求小的情況。