高亭亭，尤清華，王春民，高 嵩

(1. 北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京 102401；2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮芾玫闹匾绞街弧?0世紀(jì)70年代，我國在廣東豐城建立了第一座地?zé)犭娬?，發(fā)電功率僅0.1 MW[1]，之后又在西藏羊八井、西藏羊易、云南瑞麗、河北獻(xiàn)縣等地建設(shè)了地?zé)犭娬綶2-3]。目前，我國地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量仍不足70 MW，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量較小，技術(shù)發(fā)展緩慢，尚不能滿足可再生能源多樣化、平衡發(fā)展的要求。

有機(jī)朗肯循環(huán)(organic rankine cycle，ORC)發(fā)電系統(tǒng)熱源溫度最低可達(dá)80 ℃[4]，能更有效地利用80～200 ℃的地?zé)豳Y源。ORC地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)利用地下熱水的熱量來加熱有機(jī)工質(zhì)，使液態(tài)有機(jī)工質(zhì)變?yōu)檎羝?，推動透平做功，由透平帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。ORC發(fā)電系統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、透平、發(fā)電機(jī)、回?zé)崞?、冷凝器及工質(zhì)泵等，與常規(guī)火力發(fā)電相比，以地?zé)豳Y源作為熱源，不需要設(shè)置龐大的鍋爐系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成簡單、布置緊湊。

本文以某地?zé)犭娬径陧椖繛槔?，通過對地?zé)豳Y源品質(zhì)分析，建立17.6 MW大容量ORC發(fā)電系統(tǒng)模型，對發(fā)電機(jī)組配置進(jìn)行了研究，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行了預(yù)測分析。

1 項目概況

根據(jù)一期項目資料顯示，地?zé)峋隹跓嵩礊槠旌衔铮灿?號及2號兩口地?zé)峋?號井口流體溫度最高可達(dá)159.3 ℃，壓力為0.58 MPa，2號井口流體溫度最高可達(dá)173.5 ℃，壓力為0.96 MPa，每口井可產(chǎn)地?zé)崴?31.35 t/h及地?zé)嵴羝?0.8 t/h。井口出來的地?zé)崃黧w首先進(jìn)入汽水分離器，分離出的蒸汽和熱水分別通過廠外蒸汽母管和熱水母管送至廠區(qū)。廠區(qū)內(nèi)ORC地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)流程如圖1所示，進(jìn)入廠區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w設(shè)計溫度為143.3 ℃，設(shè)計壓力為0.4 MPa，地?zé)嵴羝暗責(zé)崴又罯RC地?zé)岚l(fā)電機(jī)組蒸發(fā)器與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行首次換熱。凝結(jié)后的地?zé)嵴羝?jīng)凝結(jié)水泵升壓并與換熱后的地?zé)崴旌希M(jìn)入預(yù)熱器與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行二次換熱，隨后進(jìn)入地?zé)嵛菜毓嘞到y(tǒng)。

圖1 ORC地?zé)岚l(fā)電機(jī)組工藝流程

2 熱力系統(tǒng)計算

2.1 有機(jī)工質(zhì)篩選

在ORC發(fā)電系統(tǒng)中，有機(jī)工質(zhì)選擇是最重要的環(huán)節(jié)之一，有機(jī)工質(zhì)的性質(zhì)對熱源回收效率及系統(tǒng)設(shè)備選型有決定性作用[5]。有機(jī)工質(zhì)選擇一般要考慮安全性、環(huán)保性、熱力循環(huán)特性三個方面。

1)安全性。一般來說，無毒且不可燃的有機(jī)工質(zhì)是最好的，但完全符合條件的工質(zhì)較少。在密封較好的條件下，可接受使用可燃工質(zhì)，但具有毒性的工質(zhì)是不可接受的[6]。

2)環(huán)保性。選用臭氧耗損潛值(ozone depletion potential，ODP)為0，全球變暖潛值(global warming potential，GWP)較小的工質(zhì)。

3)熱力循環(huán)特性。主要考慮有機(jī)工質(zhì)干濕性、臨界點、汽化潛熱等特性。根據(jù)工質(zhì)在T-S圖中飽和蒸汽線的形狀，依照dT/dS值工質(zhì)分為三類：干工質(zhì)(dT/dS＞0)、濕工質(zhì)(dT/dS＜0)和絕熱工質(zhì)(dT/dS→±∞)。對于不采用過熱的ORC系統(tǒng)，為避免透平出現(xiàn)水擊現(xiàn)象，應(yīng)使用干工質(zhì)或絕熱工質(zhì)。為防止有機(jī)工質(zhì)凝結(jié)及保證循環(huán)過程能夠?qū)崿F(xiàn)，工質(zhì)熔點要低于ORC系統(tǒng)最低工作溫度，工質(zhì)臨界溫度要高于冷凝溫度；為避免空氣進(jìn)入到冷凝器中，工質(zhì)冷凝壓力要大于10 kPa。在蒸發(fā)溫度及冷凝溫度一定的條件下，有機(jī)工質(zhì)汽化潛熱越大，相變過程中吸收的熱量越多，透平輸出功越大；有機(jī)工質(zhì)密度越大，輸出相同功率所需體積流量越小，設(shè)備尺寸也相應(yīng)減小。要選擇汽化潛熱大、密度大的工質(zhì)。

初步選出正戊烷、正己烷、異戊烷三種工質(zhì)為研究對象，它們均為汽化潛熱大、密度大、無毒干工質(zhì)，對臭氧層無破壞性，對全球變暖影響較小。

2.2 系統(tǒng)熱力計算模型

ORC系統(tǒng)工作過程與傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)工作過程相似，圖2所示為有機(jī)工質(zhì)實際變化過程。點1、點2分別代表蒸發(fā)器出口、汽輪機(jī)出口有機(jī)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)，點2'表示工質(zhì)在絕熱膨脹過程中的理想狀態(tài)終點參數(shù)，1—2為飽和蒸汽在透平中實際做功的過程；點3'表示回?zé)崞鳠醾?cè)出口有機(jī)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)，2—3'為乏汽在回?zé)崞髦蓄A(yù)冷過程；點3、點4分別表示冷凝壓力下有機(jī)工質(zhì)飽和汽、飽和液參數(shù)，點5表示冷凝器出口有機(jī)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)，3—5為乏汽在冷凝器中凝結(jié)過程；點6表示工質(zhì)泵出口有機(jī)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)，5—6為液態(tài)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵升壓過程；點7、點8分別表示回?zé)崞骼鋫?cè)出口及預(yù)熱器出口有機(jī)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)，6—7為液態(tài)有機(jī)工質(zhì)在回?zé)崞髦形辗ζ麩崃康倪^程，7—8為液態(tài)工質(zhì)在預(yù)熱器中加熱過程；點9表示蒸發(fā)壓力下有機(jī)工質(zhì)飽和液參數(shù)，8—1為液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器中等壓吸熱成為飽和蒸汽的過程。

圖2 ORC系統(tǒng)T-S圖

系統(tǒng)計算模型如下：

1)工質(zhì)流量：

式中：mI為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；Wwf為透平輸出功率，kW；ηis為透平等熵效率與機(jī)械效率乘積；h1、h2分別為透平進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

2)回?zé)崞鲹Q熱量：

式中：Qrx為工質(zhì)泵出口液態(tài)工質(zhì)在回?zé)崞髦形鼰崃?，kW；Qrf為透平出口乏汽在回?zé)崞髦蟹艧崃?，kW；h6、h7分別為回?zé)崞骼鋫?cè)進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg；h2、h3'分別為回?zé)崞鳠醾?cè)進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

3)預(yù)熱器換熱量：

式中：Qpx為工質(zhì)在預(yù)熱器中吸熱量，kW；h7、h8分別為預(yù)熱器工質(zhì)側(cè)進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

4)蒸發(fā)器換熱量：

式中：Qex為工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱量，kW；h8、h1分別為蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

5)冷凝器換熱量：

式中：Qcf為工質(zhì)在冷凝器中放熱量，kW；h3'、h5分別為冷凝器進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg。

6)工質(zhì)泵功耗：

式中：Wp為工質(zhì)泵功耗，kW；h6、h5分別為工質(zhì)泵進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg；ηp為工質(zhì)泵效率。

7)冷卻內(nèi)機(jī)功耗：

式中：ma為冷卻內(nèi)量，m3/s；ρ為內(nèi)機(jī)入口空氣密度，kg/m3；Wa為冷卻內(nèi)機(jī)功耗，kW；k為電機(jī)儲備系數(shù)，取1.1；Pa為內(nèi)機(jī)全壓，Pa；ha、ha'分別為透平進(jìn)出口工質(zhì)焓值，kJ/kg；η0為內(nèi)機(jī)內(nèi)效率；η1為內(nèi)機(jī)機(jī)械效率；η2為電動機(jī)效率。

8)系統(tǒng)循環(huán)熱效率：ORC系統(tǒng)動力循環(huán)熱效率是衡量地?zé)崮芾煤娃D(zhuǎn)換效益的重要指標(biāo)，熱效率等于ORC系統(tǒng)凈輸出功率與有機(jī)工質(zhì)從熱源中實際吸收的熱量的比值。

式中：ηth為系統(tǒng)循環(huán)熱效率。

2.3 有機(jī)工質(zhì)熱力循環(huán)特性計算

參考當(dāng)?shù)乩湓础嵩礂l件及項目一期設(shè)計參數(shù)，在蒸發(fā)溫度127.2 ℃，冷凝溫度24.4 ℃，汽輪機(jī)額定發(fā)電功率8.8 MW的條件下，根據(jù)2.2節(jié)熱力系統(tǒng)計算模型，對初選的三種工質(zhì)熱力學(xué)循環(huán)特性進(jìn)行計算，設(shè)計條件下計算結(jié)果見表1。

表1 工質(zhì)熱力學(xué)循環(huán)特性表

由表1可知，采用正戊烷作為有機(jī)工質(zhì)時循環(huán)熱效率最小，采用正已烷與異戊烷作為有機(jī)工質(zhì)熱效率相差不大，但異戊烷體積流量遠(yuǎn)小于正已烷。綜合考慮各方面因素，確定采用異戊烷作為有機(jī)工質(zhì)。

3 設(shè)備配置選型

3.1 預(yù)熱器和蒸發(fā)器

ORC系統(tǒng)常用換熱器有管殼式和板式兩種[5]。管殼式與板式換熱器相比，換熱系數(shù)小且占地面積大，但是由于具有容量大、泄漏少等優(yōu)點，因此更適合該電站工質(zhì)情況。

液態(tài)有機(jī)工質(zhì)先后在預(yù)熱器和蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量，最終轉(zhuǎn)換成為飽和蒸汽。預(yù)熱器和蒸發(fā)器全部采用管殼式，機(jī)組共配置1臺有效換熱面積為3 192.9 m2的蒸發(fā)器和2臺有效換熱面積為2 881 m2的預(yù)熱器。

3.2 透平

透平的主要作用是將有機(jī)工質(zhì)蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是ORC系統(tǒng)的核心設(shè)備，主要有螺桿式、軸流式、徑流式等形式。螺桿式透平屬于容積型透平，一般功率較小，適用于小型ORC系統(tǒng)；徑流式和軸流式屬于速度型透平，流量及輸出功率大于容積式透平，其中，軸流式透平輸出功率最大。由于有機(jī)工質(zhì)本身可能存在易燃易爆(烷烴類)、有毒、對環(huán)境有害等特點，有機(jī)工質(zhì)透平對密封系統(tǒng)的要求更加苛刻[7]。

系統(tǒng)采用二拖一的方案，選用2臺臥式軸流式透平同軸驅(qū)動1臺發(fā)電機(jī)，透平額定功率8.8 MW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，設(shè)計進(jìn)口壓力1.245 MPa，出口壓力0.094 MPa，采用雙端面機(jī)械密封的方式。

3.3 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，設(shè)計選型需滿足透平在不同工況下運(yùn)行。為保證透平機(jī)械能全部傳遞給發(fā)電機(jī),不會因產(chǎn)生剩余機(jī)械能產(chǎn)生超速，一般發(fā)電機(jī)功率要大于透平功率。

選用1臺額定功率24 MW的發(fā)電機(jī)，額定電壓6.3 kV，額定頻率50 Hz。

3.4 回?zé)崞?/h3>

工質(zhì)泵出口液態(tài)工質(zhì)在進(jìn)預(yù)熱器之前，先通過回?zé)崞魑兆陨碓诜ζ麪顟B(tài)時放出的熱量。機(jī)組共配置2臺有效換熱面積為1 600 m2的管殼式回?zé)崞鳌?/p>

3.5 冷凝器

項目所在地夏季月均最高溫度不超過13 ℃，當(dāng)?shù)厮Y源嚴(yán)重短缺，適合采用直接空冷的冷卻方式。機(jī)組設(shè)計室外氣溫0℃，機(jī)組發(fā)電負(fù)荷主要取決于室外氣溫情況?？绽淅淠鞑捎貌讳P鋼管加鋁翅片管，5排管布置，共分為28個帶內(nèi)機(jī)的換熱單元，總換熱面積為187 590 m2。

3.6 工質(zhì)泵

工質(zhì)泵是ORC系統(tǒng)中提升壓力的設(shè)備，ORC系統(tǒng)中常用的有葉片式離心泵、軸流泵和容積式隔膜泵等幾種形式。隔膜泵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積大，造價高；離心泵和軸流泵結(jié)構(gòu)簡單，造價低，離心泵適用于小流量、大揚(yáng)程的場合；軸流泵適用于大流量、小揚(yáng)程的場合，可將軸流泵做成多級形式以提高揚(yáng)程。為適應(yīng)電廠變負(fù)荷運(yùn)行的情況，工質(zhì)泵一般需采用變頻控制。

選用4臺立式軸流透平泵，流量為6.77 m3/min，揚(yáng)程為293.8 m，額定轉(zhuǎn)速為1 490 r/min，額定功率為355 kW，級數(shù)為14級。

4 系統(tǒng)性能分析

本項目ORC系統(tǒng)采用直接空冷的冷卻方式，可使發(fā)電廠節(jié)約80%的用水[8]。軸流透平額定發(fā)電功率高于其他形式透平發(fā)電功率，表2列出了不同形式透平在地?zé)岚l(fā)電項目中的應(yīng)用情況，單臺軸流透平額定功率8.8 MW，系統(tǒng)采用2臺透平同軸驅(qū)動1臺發(fā)電機(jī)的方式，機(jī)組發(fā)電功率高達(dá)17.6 MW，容量高于目前國內(nèi)其他地?zé)岚l(fā)電機(jī)組。

表2 不同形式透平在地?zé)犭娬局袘?yīng)用情況表

表3中列出了項目所在地每月平均氣溫情況[9]及對應(yīng)環(huán)境溫度下現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測值。圖3顯示了ORC系統(tǒng)循環(huán)熱效率隨不同月份環(huán)境溫度變化的情況?？梢钥闯?，系統(tǒng)發(fā)電功率及循環(huán)熱效率隨環(huán)境溫度升高而減小。ORC系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境溫度0 ℃，總發(fā)電功率17.6 MW。室外溫度大于0 ℃時，最小發(fā)電功率為12.31 MW，熱效率能保持在12.66%以上。當(dāng)室外溫度小于0 ℃時，機(jī)組可滿負(fù)荷運(yùn)行，最高發(fā)電功率可達(dá)19 MW以上，循環(huán)熱效率最高可達(dá)15.29%。電站年發(fā)電量可達(dá)12 573萬kWh。

圖3 不同月份ORC系統(tǒng)循環(huán)熱效率變化圖

表3 運(yùn)行情況預(yù)測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

本文針對某地?zé)犭娬径陧椖?，通過建立大容量ORC發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)計算模型的方法，對機(jī)組進(jìn)行了系統(tǒng)配置及性能預(yù)測研究，結(jié)果表明，系統(tǒng)采用異戊烷作為有機(jī)工質(zhì)綜合性能最好，系統(tǒng)發(fā)電功率及循環(huán)熱效率隨環(huán)境溫度升高而減小，最高發(fā)電功率可達(dá)19 MW以上，發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量高于目前國內(nèi)其他地?zé)岚l(fā)電機(jī)組，可以在一定程度上改善我國地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量小的現(xiàn)狀。