許志翔，舒崚峰，高 俊，李成軍

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

目前我國地?zé)岷凸鉄豳Y源的開發(fā)模式仍以單一開發(fā)為主，未見二者聯(lián)合開發(fā)的工程案例。西藏地區(qū)地?zé)岷凸鉄豳Y源豐富，具備地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電的基礎(chǔ)條件[1-3]。羊易電站位于西藏當(dāng)雄縣，該地地?zé)崮芗疤柲苜Y源具有較好的開發(fā)條件。本文將以羊易電站二期工程為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有的資源條件，對地?zé)?光熱聯(lián)合開發(fā)方案進(jìn)行初步探索。

根據(jù)地址勘測結(jié)果及現(xiàn)場條件，羊易電站二期工程設(shè)置三口地?zé)嵘a(chǎn)井，井口溫度180°C，井口壓力1.0 MPa，井口干度12.55%，單井地?zé)崃黧w流量160 t/h，回灌溫度70～80℃。工程場區(qū)歷年太陽總輻射量變化不大，多年平均太陽總輻射量為7 050 MJ/m2，鏡場面積1.65×105m2。根據(jù)羊易電站規(guī)劃，二期工程地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)規(guī)模為16 MW[4]，光熱發(fā)電裝機(jī)規(guī)模根據(jù)比選結(jié)果確認(rèn)。

1 聯(lián)合發(fā)電方案比選

根據(jù)現(xiàn)有的資源條件，羊易電站二期工程可考慮ORC(有機(jī)朗肯循環(huán))和WRC(水蒸氣朗肯循環(huán))兩種發(fā)電方案。兩種發(fā)電方案除工作介質(zhì)不同外，換熱方式也有很大差異。下面從原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)維和效益等方面進(jìn)行綜合比較。

1.1 ORC發(fā)電方案

ORC發(fā)電方案原理見圖1，其工作介質(zhì)采用異戊烷。地?zé)崃黧w進(jìn)入1號蒸發(fā)器，加熱臨近飽和的異戊烷。凝結(jié)后的地?zé)崃黧w進(jìn)入1號預(yù)熱器，加熱從1號復(fù)熱器出來的異戊烷液體。光熱系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油依次通過2號蒸發(fā)器和2號預(yù)熱器，將從2號復(fù)熱器出來的臨近飽和的異戊烷加熱到過熱蒸汽狀態(tài)。兩股過熱異戊烷蒸汽在母管匯合后進(jìn)入汽輪機(jī)做功，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電[4-5]。

圖1 ORC發(fā)電方案原理簡圖

1.2 WRC發(fā)電方案

WRC發(fā)電方案原理見圖2，其工作介質(zhì)采用水/水蒸汽。地?zé)崃黧w首先入預(yù)熱器，加熱從冷凝器出來的水。預(yù)熱器出口的接近飽和狀態(tài)的水進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱后變成高溫高壓的過熱蒸汽。然后進(jìn)入汽輪機(jī)中做功，帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電[6]。

圖2 WRC發(fā)電方案原理簡圖

1.3 兩種方案比較

ORC發(fā)電方案中有機(jī)工質(zhì)可以與地?zé)崃黧w和導(dǎo)熱油獨立進(jìn)行換熱，因而采用兩套換熱設(shè)備獨立工作。光照充足時，光熱和地?zé)嵯到y(tǒng)同時工作，滿負(fù)荷運(yùn)行；光照不足或者無光照時，主要由地?zé)嵯到y(tǒng)工作，部分負(fù)荷運(yùn)行。WRC發(fā)電方案受制于光熱系統(tǒng)，只有光照充足或儲熱充足時才能運(yùn)行。通過增設(shè)儲熱系統(tǒng)可以增加整個系統(tǒng)的運(yùn)行時間，但受制于光場面積，儲熱容量不大。

以羊易電站現(xiàn)有的地?zé)岷凸鉄豳Y源作為輸入條件，綜合考慮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、光熱轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電效率、儲熱時間等因素，初步擬定ORC和WRC發(fā)電方案的基本參數(shù)，并將兩種發(fā)電方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，詳見表1。

表1 ORC和WRC發(fā)電方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較

由表1可以看出，雖然WRC發(fā)電方案有著更高的工質(zhì)運(yùn)行參數(shù)和發(fā)電效率，但是受制于光熱系統(tǒng)，年發(fā)電量相對較小，對地?zé)豳Y源的利用不夠充分?？紤]到發(fā)電的連續(xù)性，WRC發(fā)電方案必須設(shè)置儲熱系統(tǒng)，相應(yīng)的輔助設(shè)備及運(yùn)維人員都要增加。同時，WRC發(fā)電方案采用水/水蒸氣作為運(yùn)行工質(zhì)，發(fā)電島相關(guān)輔助設(shè)備較多，建設(shè)及運(yùn)行成本都將有所增加。

綜上，推薦羊易電站二期工程采用基于ORC原理的地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案。

2 光熱配置方案比選

在選定地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案采用ORC原理后，對光熱配置方案進(jìn)行比選。在同樣的鏡場面積下(槽式集熱)，通過配置不同的裝機(jī)容量和儲熱容量，會產(chǎn)生不同的工程方案。以羊易電站為例，采用ORC原理后，其光熱系統(tǒng)最大可提供約10 MW出力，若不設(shè)儲熱系統(tǒng)，則光熱系統(tǒng)需配置10 MW的裝機(jī)容量；若設(shè)置一定容量的儲熱系統(tǒng)，光熱系統(tǒng)配置的裝機(jī)容量會下降，但是發(fā)電小時數(shù)增加。不同的光熱配置方案，其效益、風(fēng)險、運(yùn)維投入等都有所不同。為初步探索不同光熱配置方案的影響，擬對光熱裝機(jī)5 MW和10 MW兩個典型方案進(jìn)行比較，儲熱容量根據(jù)計算結(jié)果確認(rèn)。

以羊易電站光熱資源作為輸入條件，其鏡場面積為1.65×105m2，發(fā)電效率取15%，儲熱容量以儲熱時間等效表達(dá)，分別對光熱裝機(jī)5 MW與10 MW兩個典型方案進(jìn)行了計算分析。

2.1 光熱裝機(jī)5 MW方案

當(dāng)光熱裝機(jī)為5 MW時，在不同的儲熱時間下計算相應(yīng)的年發(fā)電量。儲熱時間在1 h以內(nèi)，儲熱介質(zhì)通常使用油；儲熱時間大于1 h時，儲熱介質(zhì)通常使用熔融鹽。光熱5 MW裝機(jī)儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系見圖3～4?？梢钥闯?，儲熱時間在1 h以內(nèi)時，光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加而增加；儲熱時間大于1 h時，光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢。當(dāng)儲熱時間為15 h時，光熱年發(fā)電量達(dá)到最大值約2.150×107kW·h。

圖3 光熱5 MW裝機(jī)油儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖

圖4 光熱5 MW裝機(jī)熔鹽儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖

2.2 光熱裝機(jī)10 MW方案

采用與光熱裝機(jī)5 MW方案相同的分析方法，光熱10 MW裝機(jī)儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系見圖5～6。可以看出，當(dāng)光熱裝機(jī)為10 MW，儲熱時間在1 h以內(nèi)時，光熱年發(fā)電量雖有起伏，但差別很?。粌釙r間大于1 h時，光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加而減少。當(dāng)儲熱時間為0.2 h時，光熱年發(fā)電量達(dá)到最大值2.072×107kW·h，當(dāng)儲熱時間為0 h，光熱年發(fā)電量為2.063×107kW·h，兩者相差僅0.009×107kW·h，幾乎相同。因此，光熱裝機(jī)10 MW方案可不設(shè)儲熱系統(tǒng)，其短時儲熱由膨脹罐實現(xiàn)。

圖5 光熱10 MW裝機(jī)油儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖

圖6 光熱10 MW裝機(jī)熔鹽儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖

2.3 兩種方案比較

2.3.1 發(fā)電量比較

光熱裝機(jī)5 MW方案和10 MW方案的儲熱時間和年發(fā)電量比較見表2?？梢钥闯觯鉄嵫b機(jī)5 MW方案需要配置可儲熱15 h的儲熱系統(tǒng)，才能使年發(fā)電量達(dá)到最大2.150×107kW·h，而光熱裝機(jī)10 MW方案不用配置儲熱系統(tǒng)即可實現(xiàn)年發(fā)電量2.063×107kW·h，二者的年發(fā)電量僅相差0.087×107kW·h。光熱裝機(jī)5 MW方案在年發(fā)電量上略有優(yōu)勢，但不明顯。

表2 儲熱時間和年發(fā)電量比較

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)濟(jì)性主要從儲熱系統(tǒng)投資、儲熱防凝系統(tǒng)、運(yùn)維投入、儲熱系統(tǒng)風(fēng)險方面進(jìn)行定性分析，詳見表3。可以看出，光熱裝機(jī)5 MW方案由于設(shè)置的儲熱系統(tǒng)，其在儲熱系統(tǒng)投資、運(yùn)維投入、系統(tǒng)風(fēng)險方面都明顯劣于光熱裝機(jī)10 MW方案。

表3 經(jīng)濟(jì)性比較

2.3.3 比較結(jié)論

根據(jù)上述比較結(jié)果可知，光熱裝機(jī)10 MW方案與5 MW方案相比年發(fā)電量幾乎一致，但在經(jīng)濟(jì)性方面卻有明顯的優(yōu)勢。其原因主要在于，地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用ORC原理，系統(tǒng)不再受光熱系統(tǒng)的制約，地?zé)嵯到y(tǒng)可以保證整個系統(tǒng)的連續(xù)發(fā)電，光熱系統(tǒng)相當(dāng)于是額外的出力補(bǔ)充。由于鏡場面積一致，光熱系統(tǒng)提供的年發(fā)電量也基本一致，儲熱系統(tǒng)無法有效增加光熱系統(tǒng)的年發(fā)電量，也無需通過它來保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。因此，在羊易電站現(xiàn)有的光熱資源條件下，推薦配置10 MW的光熱裝機(jī)，且不設(shè)專用儲熱系統(tǒng)。結(jié)合羊易電站的地?zé)豳Y源條件，地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可配置26 MW裝機(jī)規(guī)模，其中16 MW由地?zé)嵯到y(tǒng)提供，10 MW由光熱系統(tǒng)提供。在光照充足的時候，滿負(fù)荷運(yùn)行，在光照不足或者無光照時，部分負(fù)荷運(yùn)行。

3 結(jié) 語

結(jié)合羊易電站現(xiàn)有的地?zé)岷凸鉄豳Y源條件，對地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案和光熱配置方案進(jìn)行了初步計算和分析，結(jié)論如下：

1)地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用ORC發(fā)電方案更加合適，在光照充足時，光熱和地?zé)嵯到y(tǒng)同時工作，滿負(fù)荷運(yùn)行；光照不足或者無光照時，部分負(fù)荷運(yùn)行。ORC發(fā)電方案在系統(tǒng)組成、運(yùn)維投入和電站效益等方面都明顯優(yōu)于WRC發(fā)電方案。

2)光熱裝機(jī)10 MW方案與5 MW方案年發(fā)電量幾乎一致，但在儲熱系統(tǒng)投資、運(yùn)維投入和系統(tǒng)風(fēng)險方面卻有明顯的優(yōu)勢。

3)推薦羊易電站二期工程采用裝機(jī)規(guī)模26 MW，且不設(shè)置儲熱系統(tǒng)的ORC地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案。