中低温地热发电系统的研究与应用

  摘要:针对地热水资源和工业余热资源,本文简要介绍中低温地热资源的分布和发电现状,探讨地热闪蒸发电和地热双工质发电两种热力系统的规律,对比分析两种发电方式的发电效率,以工程实例为依据,监测两种发电系统的运行情况。研究表明,中低温地热发电系统具有广泛的应用前景。
 
  关键词:地热发电系统闪蒸发电双工质发电热效率
 
  一、引言.
 
  地热能是地球内部储存的巨大热能。地热资源按温度分级,分为高温()150℃)、中温(90一巧o℃)、低温(<90℃)三类。高温地热资源通常用于地热发电利用,而中、低温地热资源供直接利用。我国大陆的高温地热资源主要分布在西藏南部、四川西部、云南西部,均属于喜马拉雅高温地热带,中低温地热资源主要分布在我国东南沿海地区包括广东、海南、广西,以及江西、湖南和浙江。
 
  据“2010世界地热大会(wGC2010)”数据表明,截至2009年底,全球己有24个国家建有地热电站,总装机容量和年发电量分别为1071.5万kw和6.7246万GWh。我国地热发电始于20世纪70年代,先后开发兴建了多座中低温地热电站,主要包括:广东丰顺、湖南灰汤、山东招远等。目前,只有广东丰顺的地热电站在正常运行,其余的电站都己经处于关闭状态。广东省丰顺地热电站20多年来的运行经验说明,只要有强有力的技术支持,中低温地热发电仍可以对当地经济发展提到很好的推动作用。我国的工业性地热电站主要是西藏羊八井高温地热电站,据2010年地热大会统计,我国大陆地区发电装机容量为24MW,在世界24个地热发电国家中排名第18位。
 
  开发利用地热资源,可有效地实现节能减排、节约资源和保护环境。据世界能源署(WEA)联合国世界能源评价报告统计,地热发电的世界平均利用效率可达72%,地热资源的直接利用的利用效率为27%。相比风能、太阳能等其他可再生能源,地热发电具有很高的利用效率。增加我国地热发电的装机容量,既可以改善人民生活水平,促进经济发展,又可以在减排的国际谈判中争取话语权。
 
  二、发电系统研究.
 
  地热水发电,有两种基本的能量转换系统,即闪蒸系统和低沸点有机工质的双工质循环系统。
 
  前者是通过闪蒸器将地热水降压产生部分低压蒸汽,后者是通过加热器由热水把某种低沸点工质加热成蒸汽,然后这些蒸汽通过郎肯(R助kine)循环在汽轮机中先将热能转换为机械能,然后汽轮机再带动发电机发电,将机械能再转换为电能。这种能量转换过程,在电站中是由各种热力设备和发配电设备来共同完成的l4]。根据热水资源的情况不同,可选择不同的能量转换系统,目的是使资源能够得到充分和有效的利用。
 
  基金项目:中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室基金项目。第八章新能源与生物质能源发展与研究·3497·以水蒸气为工质的闪蒸系统,与双工质循环相比,由于发电量较大,而且安全、技术成熟、投资少、运行管理方便,对中低温热水发电来说,应是一种可供选择的较好的能量转换系统。但当热水温度较低,而流量又较大时,为避免设备体积太大,应考虑采用双工质循环发电。因温度较低时,水蒸气的质量体积很大,例如100℃时要比低沸点工质的质量体积约大80倍。由于质量体积很大造成汽轮机的末级叶片过长,且水蒸气的排汽是在湿蒸汽区,小水滴还对末级叶片造成侵蚀或腐蚀,而低沸点有机工质汽轮机则不存在这些问题,且体积小,效率高。
 
  三、发电系统应用.
 
  (一)广东丰顺地热电站.
 
  丰顺地热电站是我国第一座地热发电试验电站,建于广东省温泉之乡丰顺县城郊汤南邓屋村,1982年建成一台容量为300kw的单级闪蒸系统汽轮发电机组。从1984一2003年年底,20年运行小时数达154692h,机组平均年利用率达88.2%,此后仍并在电网持续运行。
 
  单级闪蒸发电系统,91℃的地热水来自井深soom的地热井,由深井泵抽吸送至闪蒸器,在闪蒸器内完成闪蒸过程,产生闪蒸蒸汽。经汽水分离后,以饱和蒸汽状态进入汽轮机做功发电。闪蒸器内的饱和水排放到排水沟(作为量水堰),排往厂外,闪蒸器设计为高位布置,排水无需水泵,即能自行排出。汽轮机做功后的排汽进入混合式凝汽器,被循环水直接冷却成凝结水。
 
  凝汽器也是高位布置,凝汽器的排水同样无需水泵,直接排放出厂外。用于冷却的循环水来自河水,由循环水泵抽送到凝汽器。排汽中的不凝气体,由射水抽气器抽出,用以维持凝汽器内的真空。
 
  单级闪蒸系统以流量230t小和温度91℃的地热水,经闪蒸获得流量7.36叮h和绝对压力34kPa的闪蒸蒸汽进入汽轮机做功发电,额定功率为O.3MW,扣除厂用电,净功率仅为0.2MW。
 
  单级闪蒸系统的设计参数和运行实测参数，以水蒸气为工质的闪蒸系统,与双工质循环相比,由于发电量较大,而且安全、技术成熟、投资少、运行管理方便,对中低温热水发电来说,应是一种可供选择的较好的能量转换系统。但当热水温度较低,而流量又较大时,为避免设备体积太大,应考虑采用双工质循环发电。因温度较低时,水蒸气的质量体积很大,例如100℃时要比低沸点工质的质量体积约大80倍。由于质量体积很大造成汽轮机的末级叶片过长,且水蒸气的排汽是在湿蒸汽区,小水滴还对末级叶片造成侵蚀或腐蚀,而低沸点有机工质汽轮机则不存在这些问题,且体积小,效率高。
 
  三、发电系统应用.
 
  (一)广东丰顺地热电站.
 
  丰顺地热电站是我国第一座地热发电试验电站,建于广东省温泉之乡丰顺县城郊汤南邓屋村,1982年建成一台容量为300kw的单级闪蒸系统汽轮发电机组。从1984一2003年年底,20年运行小时数达154692h,机组平均年利用率达88.2%,此后仍并在电网持续运行。
 
  图5为单级闪蒸发电系统,91℃的地热水来自井深soom的地热井,由深井泵抽吸送至闪蒸器,在闪蒸器内完成闪蒸过程,产生闪蒸蒸汽。经汽水分离后,以饱和蒸汽状态进入汽轮机做功发电。闪蒸器内的饱和水排放到排水沟(作为量水堰),排往厂外,闪蒸器设计为高位布置,排水无需水泵,即能自行排出。汽轮机做功后的排汽进入混合式凝汽器,被循环水直接冷却成凝结水。
 
  凝汽器也是高位布置,凝汽器的排水同样无需水泵,直接排放出厂外。用于冷却的循环水来自河水,由循环水泵抽送到凝汽器。排汽中的不凝气体,由射水抽气器抽出,用以维持凝汽器内的真空。
 
  单级闪蒸系统以流量230t小和温度91℃的地热水,经闪蒸获得流量7.36叮h和绝对压力34kPa的闪蒸蒸汽进入汽轮机做功发电,额定功率为O.3MW,扣除厂用电,净功率仅为0.2MW。
 
  单级闪蒸系统的设计参数和运行实测参数,测试工况为热水温度为so℃,流量为35.8m3小,冷却水温度为25℃时,系统的理论做功能力可以达到近10kw。氨水溶液循环系统的理论做功效率为ro.4%。由于设备质量、工质泄漏和试验场地限制等原因,实际发电量仅有Zkw左右。试验系统的成功运行验证了中低温地热双工质发电的可行性,为系统的工业化设计提供了基础数据。
 
  四、结论.
 
  1.地热闪蒸和双工质发电系统可以广泛应用于中低温地热资源,提高低品位能源的利用效率;2.通过分析,以水蒸气为工质的闪蒸系统,与双工质循环相比,由于发电量较大,而且安全、技术成熟、投资少、运行管理方便,应是一种较好的能量转换系统。但当热水温度较低,而流量又较大时,为避免设备体积太大,应考虑采用双工质循环发电;3.丰顺闪蒸地热电站和三水双工质试验电站的运行,表明了两种发电系统的可行性,为低品位能源(工业余热、太阳能)的工业化应用提供了基础数据。