地熱資源按溫度分級, 分為高溫(?150℃)、中溫(90~150℃)、低溫(<90℃)三類, 世界上開發利用的地熱資源都是水熱型地熱資源, 地熱資源最能發揮優勢的利用方式是地熱發電. 我國高溫地熱資源僅分布在滇藏和川西地區, 大部分為中低溫地熱資源, 即溫度低于150℃的地熱資源. 熱水發電有兩種基本的能量轉換系統, 即閃蒸系統和低沸點有機工質的雙工質循環系統, 目前, 世界上僅有菲律賓萊特島唐古納地熱電站、新西蘭懷拉基地熱電站和莫凱地熱電站采用閃蒸-雙工質地熱發電系統, 我國西藏羊八井地熱電站采用兩級閃蒸發電系統, 廣東豐順鄧屋地熱電站采用單級閃蒸發電系統[1~3]. 相同熱源和冷源條件下, 由于閃蒸-雙工質聯合發電系統采用兩臺發電機組, 所以其投資成本大于兩級閃蒸發電系統. 為使地熱資源能夠得到高效利用, 可采用兩級能量轉換系統.

 

  從理論上講, 熱水發電的能量轉換級數愈多, 發電量就愈大, 但級數越多, 發電量增加有限, 而設備投資則增加較大, 故一般以兩級為好. 本文對兩級地熱閃蒸發電系統、閃蒸-雙工質聯合地熱發電系統進行熱力計算和比較[10~15], 并對選用條件進行論述.

 

  1 兩級地熱發電系統的熱力計算

 

  1.1 兩級地熱閃蒸發電系統的熱力計算

 

  兩級地熱閃蒸發電系統熱力圖, 如圖1 所示. 由生井口出來的地熱水, 直接進入第一級閃蒸器, 產生“一次蒸汽”后進入混壓式汽輪機高壓缸做功; 剩余的飽和水則進入第二級閃蒸器, 產生壓力更低的“二次蒸汽”后進入同一臺混壓式汽輪機低壓缸做功, 第二級閃蒸器閃蒸后的熱水則進入回灌井.

 

  兩級地熱閃蒸發電系統的熱力計算過程及其主要性能指標和兩級閃蒸最佳閃蒸溫度的計算公式.

 

  1.2 地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統的熱力計算如圖 2 所示, 地熱閃蒸-雙工質聯合發電, 實際上是將閃蒸器產生的蒸汽直接用于發電, 而產生的飽和水則用于低沸點有機工質發電. 這種特殊的能量轉換系統統包括閃蒸系統發電和雙工質循環發電兩部分, 能使地熱資源得到充分利用.

 

  2 兩級地熱發電系統的比較

 

  為了進行比較, 根據系統的實際情況設定相應的參數, 利用公式(1)~(20)進行計算. 計算時熱水溫度范圍為80~150℃, 冷卻水進口溫度為20℃, 傳熱端部溫差取?tpp=5℃; 兩級地熱閃蒸發電系統的閃蒸溫度取最佳值, 地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統的熱力學參數取單位熱水凈發電量最大值時的數值; 兩級閃蒸和閃蒸-雙工質發電系統的閃蒸系統均采用直接冷卻的方式. 取廠用電率X=0.3; 兩級地熱發電系統各效率取?oi=0.76, m=0.98, g=0.97; 雙工質循環所用工質為R245fa.

 

  以電站單位熱水凈發電量、電站凈效率、產汽率和尾水溫度為性能指標, 分析地熱水溫度性能指標的影響, 其中對地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統, 分別單獨計算閃蒸發電系統和雙工質發電系統的電站凈效率.

 

  2.1 兩級地熱發電系統單位熱水凈發電量的比較圖 3 給出了地熱水溫度對兩種不同發電系統單位熱水凈發電量的影響. 可以看出地熱發電系統的單位熱水凈發電量隨著地熱水溫度的增加而增加, 其中, 地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統的發電量隨熱水溫度升高增加的更快, 當熱源溫度約為130℃時, 兩級閃蒸發電系統和閃蒸-雙工質聯合發電系統的凈發電量接近; 當熱水溫度在80~130℃時, 兩級地熱閃蒸發電系統的單位熱水凈發電量比閃蒸-雙工質聯合系統的單位熱水凈發電量多達19.4%; 當熱水溫度在130~150℃時, 閃蒸-雙工質聯合系統的單位熱水凈發電量比兩級地熱閃蒸發電系統的單位熱水凈發電量多達5.5%.

 

  2.2 兩級地熱發電系統凈熱效率的比較

 

  圖 4 為地熱水溫度對兩級閃蒸和聯合發電系統中閃蒸發電凈熱效率的影響, 可以看出兩級閃蒸的凈熱效率明顯高于聯合系統單級閃蒸的熱效率, 隨著地熱水溫度的升高, 兩級閃蒸發電系統的發電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質發電系統的閃蒸發電凈熱效率先增加后減小; 圖5 為地熱水溫度對聯合發電系統凈熱效率的影響, 閃蒸-雙工質發電系統的雙工質發電凈熱效率隨著地熱水溫度的升高而增加,由于聯合發電系統的最大發電量是由閃蒸和雙工質發電兩部分組成, 在給定地熱水溫度的情況下, 聯合發電系統中閃蒸發電凈熱效率并不一定是最佳值,因此, 圖4 中閃蒸-雙工質發電系統的閃蒸發電凈熱效率是先增大后減小, 地熱水溫度越高, 對閃蒸-雙工質聯合發電系統中雙工質發電就越有利.

 

  2.3 閃蒸-雙工質聯合發電系統閃蒸溫度對發電量的影響圖 6 為閃蒸-雙工質聯合發電系統中, 閃蒸溫度對系統凈發電量的影響. 閃蒸溫度采用試選的方法,以觀察其對發電功率的影響, 其范圍在冷凝溫度和熱源溫度之間. 在同一熱源溫度下, 隨著閃蒸溫度的升高, 聯合發電系統的單位熱水發電量先增大后減小. 當聯合系統的單位熱水發電量達到最大時的溫度即為聯合系統的最佳溫度. 地熱水溫度不同, 聯合系統最佳溫度的取值也不同, 地熱水溫度越高, 聯合系統最佳溫度越高; 從圖6 可以看出, 當熱水溫度為80℃和150℃時, 其最佳閃蒸溫度為60℃和125℃.

 

  2.4 兩級地熱發電系統最佳閃蒸溫度的比較

 

  圖 7 為兩級發電系統的最佳閃蒸溫度和產汽率與地熱水溫度的關系, 閃蒸-雙工質聯合發電系統的最佳蒸發溫度高于兩級閃蒸發電系統, 最佳閃蒸溫度越高, 系統的閃蒸壓力也越大, 也有利于發電系統處于正壓運行. 隨著地熱水溫度越高, 兩級閃蒸發電系統的閃蒸蒸汽量呈直線上升的趨勢, 增加速度較快, 而閃蒸-雙工質聯合發電系統閃蒸發電的產汽量增加緩慢. 兩級閃蒸發電系統一級產汽率為3.5%~8.8%, 二級產汽率約為3.1%~6.8%, 閃蒸-雙工質聯合發電系統的產汽率約為3.6%~5.8%, 兩級閃蒸發電系統閃蒸發電產汽量總和約為閃蒸-雙工質的2~3 倍,地熱水溫度越高, 兩者之間的差值就越大.

 

  當熱水溫度低于130℃, 雖然兩級地熱閃蒸發電系統的單位熱水凈發電量較大, 但是由于兩級閃蒸的壓力都較低(尤其第二級), 整個機組都在負壓下運行, 蒸汽的質量體積很大, 將造成設備體積龐大、設備造價過高; 而閃蒸-雙工質聯合發電系統的最佳蒸發溫度不但提高, 而且閃蒸產生的蒸汽質量約為兩級閃蒸發電系統的一半, 這不僅有利于減少設備體積還有利于雙工質提高發電量和發電凈熱效率. 因此, 在熱水溫度低于130℃且水量較大時, 可以考慮采用地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統.

 

  當熱水溫度高于130℃, 地熱兩級閃蒸發電系統和閃蒸-雙工質發電系統比較, 存在單位熱水凈發電量小的缺點, 但是兩級閃蒸發電系統可以在正壓下運行, 且資源利用率較高, 因此, 在熱水高于130℃且不凝氣體質量含量較少時, 可以考慮采用地熱兩級閃蒸發電系統. 我國西藏羊八井地熱電站就是采用這種系統, 該系統在技術上已較為成熟, 能長期穩定運行, 具有較好的經濟效益.

 

  2.5 兩級地熱發電系統尾水溫度的比較

 

  圖 8 為地熱水溫度對兩級地熱聯合發電系統尾水溫度的影響, 從圖8 可以看出地熱水溫度越高, 尾水排放溫度越高, 閃蒸-雙工質聯合系統的尾水溫度排放溫度比兩級閃蒸系統高10℃左右, 因此, 可以考慮利用聯合發電系統的尾水進行供熱、洗浴等梯級利用, 提高地熱資源利用率.

 

  3 結論

  為了有效地利用我國中低溫地熱資源和提高地熱發電的經濟性, 本文提出地熱水發電的兩級能量轉換系統, 并對兩級地熱閃蒸和閃蒸-雙工質聯合發電系統的單位熱水凈發電量、電站凈效率等熱力學性能進行比較, 得出如下結論.

 

  (1) 地熱閃蒸-雙工質聯合發電系統的單位熱水凈發電量隨地熱水溫度的增加量比地熱兩級閃蒸發電系統大, 當熱水溫度在80~130℃時, 兩級地熱閃蒸發電系統的單位熱水凈發電量比閃蒸-雙工質聯合系統的單位熱水凈發電量多達19.4%; 當熱水溫度在130~150℃時, 閃蒸-雙工質聯合系統的單位熱水凈發電量比兩級地熱閃蒸發電系統的單位熱水凈發電量多達5.5%.

 

  (2) 隨著地熱水溫度的升高, 兩級閃蒸發電系統的發電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質發電系統的閃蒸發電凈熱效率先增加后減小, 地熱水溫度越高,對閃蒸-雙工質聯合發電系統中雙工質發電就越有利.

 

  (3) 兩級地熱閃蒸發電系統閃蒸產汽量總和約為閃蒸-雙工質發電系統閃蒸產汽量的2~3 倍, 地熱水溫度越高, 兩者之間的差值就越大.

 

  (4) 閃蒸-雙工質地熱聯合發電系統的尾水溫度高于兩級閃蒸發電系統, 可以考慮地熱尾水的梯級利用.