低溫地熱有機朗肯循環(huán)發(fā)電供熱系統(tǒng)性能比較研究

王釗 朱明峰 朱文

中海油節(jié)能環(huán)保服務有限公司

一、緒論

（一）研究背景

隨著化石能源的開采和利用，化石能源供應短缺逐漸成為近些年來的一大問題，環(huán)境污染和氣候變化等問題也日益突出，上述問題嚴重阻礙了我國經濟、社會的發(fā)展，更威脅到人類生存和全球性生態(tài)平衡，所以人們亟待從能源更替角度開拓出一條資源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展之路。在這條路上，可再生能源的發(fā)展無疑為解決當今世界所面臨的能源危機和環(huán)境問題提供了良好契機，我國對地熱、太陽能、風能等可再生的清潔綠色能源利用愈發(fā)重視。地熱能是無污染的清潔能源，在熱量的提取速度不超過補充速度的情況下，熱能還是可再生的[1]。地熱能大部分來自地球深處，源于地球內部的熔融熔巖和放射性物質的衰變，高溫的熔巖將附近的地下水加熱，地下水把熱量從地下層帶到近表層，如今，我國很多地方已開發(fā)利用地熱能為建筑供熱和制冷，大大減少了建筑區(qū)域的一次能源消耗量，少數(shù)地區(qū)的優(yōu)質地熱資源還可用來發(fā)電[2]。

（二）研究現(xiàn)狀

在我國的地熱資源開發(fā)中，直接利用地熱水進行建筑供熱等利用途徑也得到了較快發(fā)展，其中包括了以天津和西安為代表的地熱供熱。除地熱供熱技術發(fā)展迅猛外，經過多年的技術積累，地熱發(fā)電效益提升尤為顯著，以西藏羊八井為代表的地熱發(fā)電為國家?guī)砹司薮蟮慕洕б鎇3]。對于地熱發(fā)電的開發(fā)，李克旭等[4]介紹了除地熱水發(fā)電外，利用地熱蒸汽、干熱巖和巖漿等發(fā)電技術的工作原理，并對其進行了比較。秦詳熙等[5]在河北滄州搭建了有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電機組，使用地熱水源進行了試運行，試運行期間整體效果較好且運行穩(wěn)定，發(fā)電效率高于我國已有中低溫地熱發(fā)電項目與部分國外中低溫ORC地熱發(fā)電項目，文中還提出使用發(fā)電后膨脹機凝水進行建筑供熱、地熱生態(tài)園的三級利用方案。國內外的學者針對ORC技術進行了豐富研究，其中包括對工質的選擇、運行參數(shù)的優(yōu)化以及系統(tǒng)的改進等方面。王輝濤等[6]選擇了10種地熱能ORC中作為發(fā)電工質的干流體有機工質，比較了系統(tǒng)循環(huán)?效率及主要熱力參數(shù)；席奐等[8]人以?效率作為目標函數(shù)，采用了遺傳算法和粒子群算法對響應系統(tǒng)進行了優(yōu)化，改善了運行參數(shù)，使系統(tǒng)運行效率得到提高；博洛尼亞大學的Ancona M A等[7]通過小型ORC實驗臺，研究了不同操作條件下，生物質余熱鍋爐的余熱回收情況，獲取了ORC系統(tǒng)的循環(huán)熱力性能。

本文模擬研究了常用的地熱間接供熱系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，在此基礎上，提出并研究了一種回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分析了四種工藝系統(tǒng)的熱力參數(shù)及系統(tǒng)性能，為低溫地熱資源的熱、電利用提供理論基礎。

二、系統(tǒng)流程

（一）地熱間接供熱系統(tǒng)

當?shù)責崴|不適合直接供熱時，常采用地熱水間接供熱，該系統(tǒng)堅持“只取熱，不取水”的原則，降低對環(huán)境的影響，地熱間接供熱系統(tǒng)如圖1所示。地熱水由地熱井內潛水泵抽出后，直接進入換熱器與冷流換熱，利用后的地熱水被注入回灌井內，回灌水溫度不應低于25℃。供熱循環(huán)水通過換熱器被加熱后向熱用戶提供熱量，參考《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》，年運行費用較經濟的供回水溫度可取65℃/55℃。

（二）地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)

地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)如圖2，地熱水由地熱井內潛水泵抽出后，直接進入蒸發(fā)器與冷流換熱，利用后的地熱水被注入回灌井內。有機工質在蒸發(fā)器中獲取熱量被加熱至氣態(tài)，隨后進入膨脹機做功，膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電。膨脹機出口的乏氣進入冷凝器冷卻至液態(tài)，通過工質泵加壓后，返回蒸發(fā)器，完成工質循環(huán)。冷凝器中冷流一般為循環(huán)冷卻水，冷卻水通過冷卻塔或蒸發(fā)式冷卻器將大量熱量排向環(huán)境。

（三）地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)

地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)如圖3，與地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)不同之處在于該系統(tǒng)對經蒸發(fā)器換熱后的地熱水進一步熱利用，通過供熱換熱器再次回收其熱量，產生電力和熱水產品，是對地熱資源的梯級利用。

（四）回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)

在ORC系統(tǒng)中，膨脹機排出的高溫乏氣在冷凝器中被冷卻水冷卻，冷卻水通常是循環(huán)水，由冷卻塔或蒸發(fā)冷卻器冷卻換熱，使其供、回水溫度維持在工藝要求的范圍內。對于以低溫熱水為熱源的ORC系統(tǒng)，其冷凝負荷往往巨大，如果能將這部分冷凝熱回收，利用它產出更多的熱水，可滿足熱用戶更大的熱水或供暖需求，是可行的用熱方案之一。

圖4為滿足上述需求的回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，在圖3的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)的基礎上，該系統(tǒng)回收利用了冷凝器的熱量。循環(huán)水在水泵出口分成兩股流，一股進入冷凝器中先被膨脹機排出的工質加熱，換熱后的流股與水泵出口的另一流股匯流進入供熱換熱器被地熱水加熱。經兩次提溫后的循環(huán)水溫可滿足供暖水溫要求。

三、模擬建立

本文以天津地區(qū)某低溫地熱資源為設計依據(jù)，地熱取水溫度為95℃，水流量為200t/h，回灌水溫為63℃。結合上述的地熱間接供熱系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)以及回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，分別對該低溫地熱資源加以利用，并分別展開系統(tǒng)流程的模擬研究。在ORC系統(tǒng)中，選用R245fa為系統(tǒng)循環(huán)工質，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 R245fa物性參數(shù)

各系統(tǒng)中的換熱器均采用逆流換熱，考慮到換熱器的成本及加工工藝限制，窄點溫差不宜小于5℃，地熱間接供熱系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)以及回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)模擬設定值匯總于表2。對于同一地熱熱源，取回灌溫度一致，保證了各個系統(tǒng)從熱源獲取的總熱量相同；冷卻水溫度參考冷卻塔工藝要求；膨脹機、水泵和工質泵的能效參考設備的設計參數(shù)。

四、結果分析

在ORC系統(tǒng)中，蒸發(fā)溫度的選取受熱源溫度、蒸發(fā)器窄點溫差、冷凝溫度等因素的影響。尤其是當熱源是低溫熱水而非蒸汽時，蒸發(fā)器換熱窄點溫差的影響顯著，這是由于工質側存在相變，而熱源側為單相換熱，那么在整個換熱過程中，單相流體溫度隨換熱量成線性變化，而兩相區(qū)流體溫度恒定，溫度窄點往往出現(xiàn)在工質的兩相區(qū)位置，換熱工況不合適時易出現(xiàn)換熱器溫度交叉的問題。通過運用軟件的靈敏度分析和設計規(guī)定相結合，可找到使系統(tǒng)質能達到平衡的最佳運行參數(shù)。

流量200t/h，溫度95℃的地熱水，當回灌水溫為63℃時，各個系統(tǒng)可獲取總熱量均為7.5MW。如圖5，當通過地熱間接供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)一）使低溫地熱水全部用來產供熱水時，可獲得65℃熱水662m3/h，供熱循環(huán)水供回溫度為65℃/55℃，按一般住宅采暖熱指標60w/m2計算，供熱面積可達12.6萬平。系統(tǒng)三和系統(tǒng)四的供熱面積分別達8.7萬平和12.4萬平。

如圖6，當不考慮系統(tǒng)換熱損失時，利用地熱間接供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)一）可將全部熱量用于供熱，回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)四）也可獲取較多熱量。地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)（系統(tǒng)二）可獲得約284kW的發(fā)電量，而系統(tǒng)四在發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電最少，僅有75kW，地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)（系統(tǒng)三）是對地熱資源的梯級利用方案，可產出164kW電力及5.2MW的供熱量。此外，系統(tǒng)二向環(huán)境排放的廢熱量最多，系統(tǒng)四由于回收利用了全部冷凝換熱量，不向環(huán)境排熱，但系統(tǒng)四對冷凝換熱量的回收削弱了其發(fā)電性能。

五、結論

通過模擬研究地熱間接供熱系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)、地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)和回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)，可獲得四種工藝系統(tǒng)的熱力參數(shù)及系統(tǒng)性能，當?shù)責豳Y源主要用于供熱時，應采用地熱間接供熱系統(tǒng)；當期望得到更多電能時，應采用地熱ORC發(fā)電系統(tǒng)；采用地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)可滿足用戶發(fā)電和供熱的需求；回收冷凝熱的地熱ORC發(fā)電聯(lián)合供熱系統(tǒng)適合于熱負荷大，對電能需求小的情況。