研究论文中低温地热发电循环参数的优化

 摘要:采用工程计算软件EES编制了计算程序,对循环主要状态点的热力参数和热力性能进行了理论计算,确定了最佳蒸发温度,分析了地热流体干度、地热流体初温、冷凝温度和工质对最佳蒸发温度和系统净输出电功的影响。在同种工质的情况下,地热流体干度、温度升高,最佳蒸发温度和系统净输出电功随之升高;冷凝温度升高,最佳蒸发温度升高,但系统净输出电功降低。对于不同工质,地热流体温度为80~120e时, R601和R134a最佳蒸发温度和系统净输出电功基本相同;地热流体温度大于120e时, R134a不存在最佳蒸发温度,系统净输出电功R134a高于R601。
 
  关键词:中低温地热发电;有机朗肯循环;循环参数.
 
  引 言.
 
  如今能源枯竭和环境污染是制约人类社会发展的两大重要因素,因此开发洁净的可再生能源成为可持续发展的迫切需要。作为替代能源之一的地热能源日益受到人们的重视。地热发电是地热利用的重要方式[1]。据2010年世界地热大会统计数据表明,世界上有27个国家建设了地热发电站,世界地热发电总装机容量为10751MW,美国地热发电能力已达到3150MW,而我国现有装机容量只有24MW。我国进行地热发电研究工作起步较晚,始于20世纪60年代末期。1970年5月首次在广东丰顺建成第一座扩容法地热发电试验装置,随后又相继建立了湖南宁乡、河北怀来、山东招远、辽宁盖县、广西象州、江西宜春6座中低温发电厂,并于1977年建成西藏羊八井高温地热电站,到目前为止,由于发电效率低和经济性差,除西藏羊八井地热电站是我国最大的地热电站且一直在安全稳定发电外,其他7座中低温地热电站都相继停运。
 
  30年来这一技术的发展在我国一直处于停滞状态,然而,在这30年中,世界上中低温地热水发电技术却在不断研究进步,使整套发电系统的效率得以提高,成本得以降低。因此,在我国对中低温地热技术的开发是非常有必要的。一般认为温度高于150e的为高温地热流体, 90~150e的为中温地热流体,低于90e的为低温地热流体。对于中低温地热源通常采用有机朗肯循环(organic Rankinecycle, ORC)发电系统。它与火力发电相比不需要庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,具有一定的经济效益,并且对环境污染很小。本文利用EES软件编制了计算程序,对循环主要状态点的热力参数和热力性能进行了理论计算,分析了地热流体干度、地热流体温度、冷凝温度和工质对最佳蒸发温度及系统净输出电功的影响,为实际低温地热电站的设计提供了依据。
 
  1 ORC地热发电系统分析.
 
  ORC地热发电系统热力循环如图1、图2所示,整个循环系统主要是由蒸发器、螺杆机、冷凝器、工质泵、热流体泵、冷却水泵等设备和一些管道所组成。
 
  预热器方程可以表示为mgcg(t1+$tpp-tR2)=mwf(h5-h4)(1)蒸发器的换热方程为mg(hR1-hR1S)+mgcg(tR1-t1-$tpp)=mwf(h1-h5)(2)冷凝器换热方程为Qc=mcwc(tL1-tL2)=mwf(h2-h3)(3)ORC发电系统净输出电功Wnet=Wt-Wcp-Wp1-Wp2(4)Wt=mwf(h1-h2)(5)Wcp=mwfv3(p1-p2) /Gcp(6)Wp1=mggH1/(1000Gp1)(7)Wp2=mcwgH2/(1000Gp2)(8)2 计算结果及分析.
 
  本文采用工程计算软件EES编制了计算程序,计算过程中,地热流体的流量为1 kg#s-1,地热流体干度取0~011,地热流体温度为80~150e,蒸发器最小传热温差取6e,冷却水进口温度取20e,冷凝器最小传热温差取5e,冷却水的温升取7e,则冷凝温度为32e[10]。螺杆机、工质泵、热流体泵、冷却水泵的等熵效率分别为0175、#191# 第S1期   刘继芬等:中低温地热发电循环参数的优化0172、0170、0175;热水泵扬程取20 m;冷却水泵扬程取25 m;忽略地热流体中杂质和不凝气体的影响。
 
  211 蒸发温度对净输出电功的影响.
 
  对于ORC地热发电系统,净输出电功的大小主要取决于螺杆膨胀机输出电功的大小,如式(5)所示。可以看出,螺杆膨胀机输出电功是工质流量与螺杆膨胀机进出口焓降的乘积,而蒸发器的蒸发温度决定了系统循环工质流量和膨胀机进出口焓降。蒸发温度不同,系统循环净输出电功不同[13]。
 
  考察蒸发温度t1对工质流量、膨胀机进出口焓降以及电站净输出电功的影响,选取R601为循环工质, 100e地热流体为例。
 
  随着蒸发温度升高,螺杆机进汽和排汽的压差增大,工质在螺杆机中的理想焓降随之增大;另一方面,随着蒸发温度升高,即热水的能量利用程度降低,每kg热水能够产生的工质质量流量减少。因此净输出功存在一最大值。图4为蒸发温度对净输出电功的影响,可以看出,系统的净输出电功随着蒸发温度先提高,然后降低,在蒸发温度为65e时系统的净输出电功达到最大值,系统净输出电功达到最大值时所对应的蒸发温度称之为/最佳蒸发温度0。
 
  212 地热流体干度对最佳蒸发温度及系统净输出电功的影响.
 
  目前国内外绝大多数开发的都是中低温地热田,而中低温地热田中的地热水从井口引出后,绝大部分是地热水(约占96%),也同时有少部分地热蒸汽(约占4%)[13],这部分蒸汽热能对最佳蒸发温度及循环净功的影响不容忽略。图5为地热流体干度对最佳蒸发温度的影响,图6为tR1=150e时地热流体干度对系统净输出电功的影响。随着地热流体干度的增大,最佳蒸发温度增大,并且相同干度下,地热流体温度越大,随着地热流体干度的增大,系统净输出电功增大。这是因为地热流体干度越大,工质在蒸发器中吸收的地热流体的潜热越多,从而回收的总热量越多。从图5、图6可以看出地热流体虽然干度很低,但是对系统净输出功的影响却是相当大的,因此,在地热电站中,气-水两相流介质的输送是亟待解决的一个技术难题。
 
  213 地热流体温度和冷凝温度对最佳蒸发温度及系统净输出电功的影响.
 
  从前面的分析可知,对于同一种工质,同一地热流体干度时,当地热流体温度与冷凝温度确定后,最佳蒸发温度就唯一确定了。冷凝温度为32e时,地热流体温度对最佳蒸发温度及系统净输出功的影响,图8为地热流体温度为100e时,冷凝温度对最佳蒸发温度及系统净输出功的影响。从图中可以看出,地热流体温度升高,最佳蒸发温度和系统净输出电功都随之升高;冷凝温度升高,最佳蒸发温度升高,但是系统净输出电功随之降低。由此可见,当工质和地热流体干度一定时,地热流体温度越高,冷凝温度越低,系统净输出电功越大。从图中可以看出最佳蒸发温度大约位于地热流体温度和冷凝温度的中间。
 
  蒸发温度对系统的净输出电功影响很大,而最佳蒸发温度受到地热流体温度,冷却水温度的限制,本文讨论的地热流体温度是一定的,但是电站实际运行过程中,地热流体温度是时刻变化的,同样冷却水温度一年四季的变化也是很大的,冷水温度夏季最高可超过30e,冬季最低可能达到5e,冬夏季温差25e,因此在设计时要考虑地热流体温度变化,根据不同的季节来确定合适的最佳蒸发温度。
 
  214 工质对最佳蒸发温度及系统净输出电功的影响.
 
  最佳蒸发温度和系统净输出电功不仅和地热流体温度、冷凝温度有关,还和工质种类有关。在一定的循环方式下,工质选择的好坏直接影响到系统的发电能力。每一种低沸点工质的热力性质,传热性能及其他物理化学特性各不相同。应根据系统的具体情况选择合适的工质。一般来说,有以下基本要求:
 
  (1)良好的热力学性能,在相同的热源温度下能提供更多的动力;(2)比热容和密度较大,传热性能好,在相同条件下传热系数较大;(3)工质的压力水平适中,即在相应的热水温度下,工质的饱和压力不很高;在冷源温度下,不会出现高度真空;(4)从环保角度,工质应该是环境友好的,臭氧层衰减指数(ODP)为零,温室效应指数(GWP)尽可能小;(5)化学稳定性好,对金属的腐蚀性小,毒性小,不易燃易爆;来源丰富,价格低廉。
 
  在满足以上基本要求的基础上,还要求工质在吸热过程中液体热(q1=h5-h4)所占的比重越大越好,汽化潜热(r=h1-h5)所占的比重越小越好。这样在蒸发温度(t1)和最小传热温差($tpp)不变的条件下,工质将在预热器中更多的吸收热流体携带的热量,工质做工能力增大,即膨胀机输出电功增大。
 
  干流体(dT/dS>0)通常有较高的临界温度和沸点,工质螺杆机出口处于过热状态,如R600、R601;湿流体(dT/dS<0)通常临界温度,沸点较低,工质在螺杆机出口处于湿蒸汽状态,如R134a、R290。
 
  综合以上要求,本文在计算过程中将选取干流体R601、湿流体R134a作为候选工质,研究工质对最佳蒸发温度的影响,表1为候选工质热力特性。
 
  地热流体温度为80~120e时,对于相同的地热流体初温、干度,两种工质的最佳蒸发温度和系统净输出电功基本相同;随着地热流体初温的增大,最佳蒸发温度和系统净输出电功增大。地热流体温度大于120e时,R134a不存在最佳蒸发温度,并且系统的净输出电功R134a高于R601。这是由于R134a的临界温度较低,当系统最佳蒸发温度随着地热流体初温的升高而向临界温度靠近时,系统的汽化热r逐渐减小,液体热ql逐渐增大,从而使得更多的地热热量被工质所吸收而转变为功。当地热流体温度的增加导致系统最佳蒸发温度超过某一温度时,因系统#194#化 工 学 报   第62卷 工质流量的增加而导致膨胀机实际输出电功随着蒸发温度的增加而增大,即不存在最佳蒸发温度。地热流体温度在120~150e之间时,蒸发温度的选取可以根据实际情况,选择接近临界温度的值。例如R134a的蒸发温度可以选取97e。
 
  3 结 论.
 
  (1)本文针对ORC地热发电系统的特点,采用工程计算软件EES编制程序,对循环主要状态点的热力参数和热力性能进行了理论计算,确定了系统的最佳蒸发温度。
 
  (2)在同种工质的情况下,地热流体干度、温度升高,最佳蒸发温度和系统净输出电功随之升高;冷凝温度升高,最佳蒸发温度升高,但系统净输出电功降低。
 
  (3)地热流体温度为80~120e时,对于相同的地热流体初温、干度,干流体R601和湿流体R134a的最佳蒸发温度和系统净输出电功基本相同;随着地热流体初温的增大,最佳蒸发温度和系统净输出电功增大。地热流体温度大于120e时,R134a不存在最佳蒸发温度,并且系统的净输出电功R134a高于R601.