李 翔， 齊曉飛， 上官拴通， 蘇 野， 田小鳳， 田蘭蘭， 潘苗苗， 宋國梁

(河北省煤田地質局第二地質隊(河北省干熱巖研究中心)，河北邢臺 054001)

0 引言

在我國努力實現(xiàn)碳達峰、碳中和的環(huán)境下，京津冀地區(qū)對可再生能源的需求量不斷加大[1]。國內(nèi)干熱巖地熱資源的賦存規(guī)模非?？捎^。中國地質調(diào)查局評價數(shù)據(jù)顯示，中國大陸區(qū)域3～10 km干熱巖地熱資源賦存數(shù)量約2.5×1025J(合856 萬億t標準煤)，若按百分之二的利用率計算，是國內(nèi)2010年全國一次性能耗總量的5 300倍[2]。這些干熱巖地熱資源如果能夠實現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)利用，將對全球能源格局產(chǎn)生重大影響。

國際上對干熱巖地熱資源的研究已經(jīng)超過 40年歷史，美國、法國、澳大利亞等國均開展了干熱巖開發(fā)利用工程，且法國在2013年通過EGS系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)發(fā)電[3-9]。國內(nèi)對干熱巖地熱資源的研究比國外相對晚一些，現(xiàn)在還未實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)，目前僅我隊實施的河北省唐山市馬頭營項目實現(xiàn)了干熱巖試驗性發(fā)電[10]。國內(nèi)目前對于干熱巖發(fā)電系統(tǒng)的研究主要是基于地熱發(fā)電系統(tǒng)的性能原理進行關鍵技術攻關，對于干熱巖發(fā)電系統(tǒng)的專題研究較少，且缺少示范工程進行試驗優(yōu)化。本文對閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)進行了對比，選擇了適合馬頭營干熱巖系項目的ORC發(fā)電系統(tǒng)，從六種常用的ORC系統(tǒng)工質中對比選用了環(huán)保工質R245fa，為未來同類型的干熱巖開發(fā)工程提供技術支持。

1 國內(nèi)干熱巖發(fā)電進展

我國干熱巖研究開始于20世紀90年代，中國地震局和日本中央電力研究所合作開展的干熱巖發(fā)電研究試驗[11]。2012年，由吉林大學、清華大學、中科院廣州能源所實施的國家863計劃，為干熱巖發(fā)電和綜合利用擬定了初步方案[12]。2017年，由中國地質調(diào)查局和青海省國土資源廳實施的青海共和干熱巖勘查項目鉆獲了溫度高達236 ℃的干熱巖體[13]，儲層為花崗巖是我國干熱巖研究的重要突破，目前也在開展干熱巖發(fā)電關鍵技術攻關[14]。

2018—2019年，由河北省煤田地質局第二地質隊(河北省干熱巖研究中心)承擔，河北省煤田地質局組織實施的“河北省樂亭縣馬頭營區(qū)干熱巖地熱資源地質調(diào)查孔”項目，在3 965m處鉆獲了溫度超過150℃的干熱巖體，儲層為變質巖。基于此項目成果，河北省煤田地質局第二地質隊(河北省干熱巖研究中心)對儲層改造、儲層監(jiān)測、換熱取熱、發(fā)電試驗等干熱巖開發(fā)關鍵技術進行了技術攻關，構建了“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗井組，選擇了適合該地區(qū)的ORC發(fā)電系統(tǒng)，在2021年6月實現(xiàn)了我國首次干熱巖試驗性發(fā)電，為干熱巖這一清潔能源的開發(fā)利用奠定了堅實基礎。

2 發(fā)電系統(tǒng)選擇

目前地熱發(fā)電常用的發(fā)電系統(tǒng)主要有閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)，主要優(yōu)缺點見表1[15]。

表1 常見地熱發(fā)電系統(tǒng)對比

本項目位于河北省唐山市馬頭營鎮(zhèn)一帶，現(xiàn)已完成兩口干熱巖地熱井的鉆探施工、儲層改造、儲層監(jiān)測、循環(huán)試驗等工作，構建了“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗井組。干熱巖井底溫度高于150℃，通過循環(huán)試驗得出該井組能夠穩(wěn)定、持續(xù)提供100～110℃循環(huán)熱水，屬于中低溫、低干度地熱流體?；诖隧椖繙囟?、流量、干度等特點，綜合考慮系統(tǒng)的熱力學性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性等關鍵因素，本項目干熱巖發(fā)電試驗選用ORC發(fā)電系統(tǒng)。本項目地處環(huán)渤海灣北岸，東側、南側臨海，淡水資源豐富，因此，冷凝器選用水冷方式較風冷的換熱效率高，可提高項目經(jīng)濟性。

系統(tǒng)主要設計參數(shù)主要為：地熱水流量120～150t/h，地熱水入口溫度100～110℃，地熱水回灌溫度80℃，地熱水進機組壓力1.6MPa，汽機進口壓力0.89MPa，汽機出口壓力0.87MPa。

綜合以上各項參數(shù)，本項目干熱巖發(fā)電試驗采用單臺模塊化撬裝式設計ORC發(fā)電機組，主要包含蒸發(fā)器、冷凝器、工質泵和透平-發(fā)電機等。

蒸發(fā)器和冷凝器是該ORC發(fā)電機組的換熱部分，為提高換熱量，本次選用了釬焊板換熱器，它的優(yōu)勢是換熱面積大、便于安裝、結構緊湊、換熱系數(shù)高、污垢系數(shù)低且耐壓。根據(jù)擬選循環(huán)介質水質(該地區(qū)淡水資源)特征，蒸發(fā)器和冷凝器材料選用碳鋼銅鎳合金管材。透平和發(fā)電機采用無泄漏的一體化設計，保證了系統(tǒng)的安全性，負荷波動范圍較廣，能夠在 40%～110%穩(wěn)定的運行。

3 發(fā)電系統(tǒng)工質選擇

ORC發(fā)電系統(tǒng)的整體性能受所選用工質的影響較大，工質的類型、臨界溫度、物性參數(shù)都會直接影響ORC發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率。根據(jù)國內(nèi)外專家對ORC系統(tǒng)的最新研究成果，以熱力學性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性為選擇原則，結合馬頭營干熱營干熱巖井組流體參數(shù)和環(huán)境條件，從地熱流體溫度(80～120℃)、地熱流體流量(80～150t/h)、冷凝水溫度(10～35℃)三個影響發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的因素對ORC發(fā)電系統(tǒng)常用的六種工質(R245fa、R152a、R161、isobutane、R123以及R601)進行優(yōu)選。本次工質選擇通過建立ORC工質綜合性能評價模型來篩選。選用的六種工質熱物性如表2所示。

表2 工質物性參數(shù)

3.1 地熱水溫度對發(fā)電機組的影響

圖1是以地熱流體流量100t/h和25℃冷凝水條件下模擬而得。由圖1可知，ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率隨著地熱流體溫度的增加而遞增，且采用R245fa、R601、R123為工質的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠高于其他三種工質。

圖1 地熱流體溫度對ORC機組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 1 Curve indicated impact from geothermal fluidtemperature on ORC set net power generation

3.2 冷凝水溫度對ORC發(fā)電機組性能的影響

圖2是以地熱流體流量100t/h和溫度110℃條件下模擬而得。由圖2可知，冷凝水溫度對ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率的影響直接體現(xiàn)到對工質冷凝溫度的影響，冷凝溫度越低，對應的飽和壓力就越低，透平出口壓力就越低，工質在透平內(nèi)膨脹的更加徹底，從而產(chǎn)生更大的功率，且采用R245fa、R601、R123為工質的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠高于其他三種工質。

圖2 冷凝水溫度對ORC機組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 2 Curve indicated impact from condensate watertemperature on ORC set net power generation

3.3 地熱流體流量對ORC發(fā)電機組性能的影響

圖3是以地熱流體溫度110℃和25℃冷凝水條件下模擬而得。由圖3可知，ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率隨著地熱流體流量的增大而遞增，且采用R245fa、R601、R123為工質的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠高于其他三種工質。

圖3 地熱流體流量對ORC機組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 3 Curve indicated impact from geothermal fluidflow on ORC set net power generation

由此可以看出，R245fa、R601、R123三種工質發(fā)電性能相差不大。R601化學成分是正戊烷，無毒易燃。R123化學成分是三氟二氯乙烷，低毒不可燃。R245fa化學成分是五氟丙烷，低毒不可燃，且價格便宜，在ORC發(fā)電系統(tǒng)使用最廣泛。結合六種工質的熱力學性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性，本項目ORC發(fā)電系統(tǒng)工質選用R245fa。

4 試驗性發(fā)電

該ORC發(fā)電機組于2021年6月在唐山市馬頭營“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗井組中進行了ORC發(fā)電試驗。地面發(fā)電系統(tǒng)由注入井、生產(chǎn)井、地面輸熱管道、發(fā)電機組和配套設施組成。井組循環(huán)熱水進入注入井-生產(chǎn)井吸收熱量，溫度升高后，進入蒸發(fā)器對蒸發(fā)器中工質(R245fa)進行加熱，放熱后的地熱水再回到注入井中循環(huán)。蒸發(fā)器中工質(R245fa)吸收地熱水熱量變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝?，之后蒸汽通過透平發(fā)電機膨脹做功成為低壓蒸汽，透平所做的功驅動發(fā)電機產(chǎn)生電能。離開透平發(fā)電機的低壓工質蒸汽進入冷凝器經(jīng)冷卻水冷卻成低壓液體，然后進入工質泵中加壓，再進入蒸發(fā)器完成整個循環(huán)[16]。發(fā)電循環(huán)示意圖見圖4。

圖4 ORC發(fā)電機組發(fā)電循環(huán)示意Figure 4 Schematic diagram of ORC set power generation cycles

本次發(fā)電試驗前先進行了兩天循環(huán)連通試驗，循環(huán)連通試驗后，蒸發(fā)器水側入口循環(huán)溫度超過100℃，流量超過80m3，滿足選擇的ORC發(fā)電機組運行條件，開始進行發(fā)電試驗，完成了國內(nèi)第一次干熱巖試驗性發(fā)電，獲得了壓力、溫度等技術參數(shù)，詳見表3。

表3 ORC發(fā)電機組運行參數(shù)

基于發(fā)電機組試驗發(fā)電工況參數(shù)，對該發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能進行了數(shù)據(jù)計算與分析。透平等熵效率由下式確定：

ηi=(h2-h3r)/(h2-h3s)=84%

(1)

式中：ηi為透平等熵效率，%；h2為蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg；h3r為膨脹機出口焓值，kJ/kg；h3s為膨脹機出口焓值(等熵條件)，kJ/kg。

發(fā)電功率由下式確定：

Wg=morc×(h2-h3r)×ηm×ηe=201kw

(2)

式中：Wg為發(fā)電功率，kW；morc為有機工質質量流量，kg/s；ηm為機械效率，%；ηe為發(fā)電機發(fā)電效率，%。

將相關參數(shù)代入上式可知，選用的ORC發(fā)電機組在本次發(fā)電試驗中透平等熵效率達到了84%，發(fā)電功率為201kW，表現(xiàn)了良好的熱力學性能，適合于干熱巖發(fā)電。

5 結論

1)對閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)進行了對比，選擇了適合馬頭營干熱巖項目的ORC發(fā)電系統(tǒng)。

2)根據(jù)國內(nèi)外專家對ORC系統(tǒng)的最新研究成果，以熱力學性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性為選擇原則，結合馬頭營干熱營干熱巖井組流體參數(shù)和環(huán)境條件，考慮地熱流體溫度、地熱流體流量、冷凝水溫度三個因素，選擇了適合馬頭營干熱巖的發(fā)電系統(tǒng)工質R245fa。

3)本次ORC機組完成了我國干熱巖首次試驗性發(fā)電，試驗計算所得透平等熵效率為84%，表現(xiàn)了良好的熱力學性能，為以后同類型干熱巖地熱資源開發(fā)利用技術研究提供了寶貴經(jīng)驗。