許志翔,舒崚峰,高 俊,李成軍
(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)
目前我國地?zé)岷凸鉄豳Y源的開發(fā)模式仍以單一開發(fā)為主,未見二者聯(lián)合開發(fā)的工程案例。西藏地區(qū)地?zé)岷凸鉄豳Y源豐富,具備地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電的基礎(chǔ)條件[1-3]。羊易電站位于西藏當(dāng)雄縣,該地地?zé)崮芗疤柲苜Y源具有較好的開發(fā)條件。本文將以羊易電站二期工程為研究對象,結(jié)合現(xiàn)有的資源條件,對地?zé)?光熱聯(lián)合開發(fā)方案進行初步探索。
根據(jù)地址勘測結(jié)果及現(xiàn)場條件,羊易電站二期工程設(shè)置三口地?zé)嵘a(chǎn)井,井口溫度180°C,井口壓力1.0 MPa,井口干度12.55%,單井地?zé)崃黧w流量160 t/h,回灌溫度70~80℃。工程場區(qū)歷年太陽總輻射量變化不大,多年平均太陽總輻射量為7 050 MJ/m2,鏡場面積1.65×105m2。根據(jù)羊易電站規(guī)劃,二期工程地?zé)岚l(fā)電裝機規(guī)模為16 MW[4],光熱發(fā)電裝機規(guī)模根據(jù)比選結(jié)果確認。
根據(jù)現(xiàn)有的資源條件,羊易電站二期工程可考慮ORC(有機朗肯循環(huán))和WRC(水蒸氣朗肯循環(huán))兩種發(fā)電方案。兩種發(fā)電方案除工作介質(zhì)不同外,換熱方式也有很大差異。下面從原理、結(jié)構(gòu)、運維和效益等方面進行綜合比較。
ORC發(fā)電方案原理見圖1,其工作介質(zhì)采用異戊烷。地?zé)崃黧w進入1號蒸發(fā)器,加熱臨近飽和的異戊烷。凝結(jié)后的地?zé)崃黧w進入1號預(yù)熱器,加熱從1號復(fù)熱器出來的異戊烷液體。光熱系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油依次通過2號蒸發(fā)器和2號預(yù)熱器,將從2號復(fù)熱器出來的臨近飽和的異戊烷加熱到過熱蒸汽狀態(tài)。兩股過熱異戊烷蒸汽在母管匯合后進入汽輪機做功,帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電[4-5]。
圖1 ORC發(fā)電方案原理簡圖
WRC發(fā)電方案原理見圖2,其工作介質(zhì)采用水/水蒸汽。地?zé)崃黧w首先入預(yù)熱器,加熱從冷凝器出來的水。預(yù)熱器出口的接近飽和狀態(tài)的水進入蒸發(fā)器吸熱后變成高溫高壓的過熱蒸汽。然后進入汽輪機中做功,帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電[6]。
圖2 WRC發(fā)電方案原理簡圖
ORC發(fā)電方案中有機工質(zhì)可以與地?zé)崃黧w和導(dǎo)熱油獨立進行換熱,因而采用兩套換熱設(shè)備獨立工作。光照充足時,光熱和地?zé)嵯到y(tǒng)同時工作,滿負荷運行;光照不足或者無光照時,主要由地?zé)嵯到y(tǒng)工作,部分負荷運行。WRC發(fā)電方案受制于光熱系統(tǒng),只有光照充足或儲熱充足時才能運行。通過增設(shè)儲熱系統(tǒng)可以增加整個系統(tǒng)的運行時間,但受制于光場面積,儲熱容量不大。
以羊易電站現(xiàn)有的地?zé)岷凸鉄豳Y源作為輸入條件,綜合考慮機組運行參數(shù)、光熱轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電效率、儲熱時間等因素,初步擬定ORC和WRC發(fā)電方案的基本參數(shù),并將兩種發(fā)電方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較,詳見表1。
表1 ORC和WRC發(fā)電方案技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)比較
由表1可以看出,雖然WRC發(fā)電方案有著更高的工質(zhì)運行參數(shù)和發(fā)電效率,但是受制于光熱系統(tǒng),年發(fā)電量相對較小,對地?zé)豳Y源的利用不夠充分??紤]到發(fā)電的連續(xù)性,WRC發(fā)電方案必須設(shè)置儲熱系統(tǒng),相應(yīng)的輔助設(shè)備及運維人員都要增加。同時,WRC發(fā)電方案采用水/水蒸氣作為運行工質(zhì),發(fā)電島相關(guān)輔助設(shè)備較多,建設(shè)及運行成本都將有所增加。
綜上,推薦羊易電站二期工程采用基于ORC原理的地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案。
在選定地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案采用ORC原理后,對光熱配置方案進行比選。在同樣的鏡場面積下(槽式集熱),通過配置不同的裝機容量和儲熱容量,會產(chǎn)生不同的工程方案。以羊易電站為例,采用ORC原理后,其光熱系統(tǒng)最大可提供約10 MW出力,若不設(shè)儲熱系統(tǒng),則光熱系統(tǒng)需配置10 MW的裝機容量;若設(shè)置一定容量的儲熱系統(tǒng),光熱系統(tǒng)配置的裝機容量會下降,但是發(fā)電小時數(shù)增加。不同的光熱配置方案,其效益、風(fēng)險、運維投入等都有所不同。為初步探索不同光熱配置方案的影響,擬對光熱裝機5 MW和10 MW兩個典型方案進行比較,儲熱容量根據(jù)計算結(jié)果確認。
以羊易電站光熱資源作為輸入條件,其鏡場面積為1.65×105m2,發(fā)電效率取15%,儲熱容量以儲熱時間等效表達,分別對光熱裝機5 MW與10 MW兩個典型方案進行了計算分析。
當(dāng)光熱裝機為5 MW時,在不同的儲熱時間下計算相應(yīng)的年發(fā)電量。儲熱時間在1 h以內(nèi),儲熱介質(zhì)通常使用油;儲熱時間大于1 h時,儲熱介質(zhì)通常使用熔融鹽。光熱5 MW裝機儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系見圖3~4??梢钥闯?,儲熱時間在1 h以內(nèi)時,光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加而增加;儲熱時間大于1 h時,光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加呈現(xiàn)先增后降的趨勢。當(dāng)儲熱時間為15 h時,光熱年發(fā)電量達到最大值約2.150×107kW·h。
圖3 光熱5 MW裝機油儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖
圖4 光熱5 MW裝機熔鹽儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖
采用與光熱裝機5 MW方案相同的分析方法,光熱10 MW裝機儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系見圖5~6。可以看出,當(dāng)光熱裝機為10 MW,儲熱時間在1 h以內(nèi)時,光熱年發(fā)電量雖有起伏,但差別很??;儲熱時間大于1 h時,光熱年發(fā)電量隨著儲熱時間的增加而減少。當(dāng)儲熱時間為0.2 h時,光熱年發(fā)電量達到最大值2.072×107kW·h,當(dāng)儲熱時間為0 h,光熱年發(fā)電量為2.063×107kW·h,兩者相差僅0.009×107kW·h,幾乎相同。因此,光熱裝機10 MW方案可不設(shè)儲熱系統(tǒng),其短時儲熱由膨脹罐實現(xiàn)。
圖5 光熱10 MW裝機油儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖
圖6 光熱10 MW裝機熔鹽儲熱時間與年發(fā)電量關(guān)系圖
2.3.1 發(fā)電量比較
光熱裝機5 MW方案和10 MW方案的儲熱時間和年發(fā)電量比較見表2。可以看出,光熱裝機5 MW方案需要配置可儲熱15 h的儲熱系統(tǒng),才能使年發(fā)電量達到最大2.150×107kW·h,而光熱裝機10 MW方案不用配置儲熱系統(tǒng)即可實現(xiàn)年發(fā)電量2.063×107kW·h,二者的年發(fā)電量僅相差0.087×107kW·h。光熱裝機5 MW方案在年發(fā)電量上略有優(yōu)勢,但不明顯。
表2 儲熱時間和年發(fā)電量比較
2.3.2 經(jīng)濟性比較
經(jīng)濟性主要從儲熱系統(tǒng)投資、儲熱防凝系統(tǒng)、運維投入、儲熱系統(tǒng)風(fēng)險方面進行定性分析,詳見表3??梢钥闯?,光熱裝機5 MW方案由于設(shè)置的儲熱系統(tǒng),其在儲熱系統(tǒng)投資、運維投入、系統(tǒng)風(fēng)險方面都明顯劣于光熱裝機10 MW方案。
表3 經(jīng)濟性比較
2.3.3 比較結(jié)論
根據(jù)上述比較結(jié)果可知,光熱裝機10 MW方案與5 MW方案相比年發(fā)電量幾乎一致,但在經(jīng)濟性方面卻有明顯的優(yōu)勢。其原因主要在于,地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用ORC原理,系統(tǒng)不再受光熱系統(tǒng)的制約,地?zé)嵯到y(tǒng)可以保證整個系統(tǒng)的連續(xù)發(fā)電,光熱系統(tǒng)相當(dāng)于是額外的出力補充。由于鏡場面積一致,光熱系統(tǒng)提供的年發(fā)電量也基本一致,儲熱系統(tǒng)無法有效增加光熱系統(tǒng)的年發(fā)電量,也無需通過它來保證系統(tǒng)的連續(xù)運行。因此,在羊易電站現(xiàn)有的光熱資源條件下,推薦配置10 MW的光熱裝機,且不設(shè)專用儲熱系統(tǒng)。結(jié)合羊易電站的地?zé)豳Y源條件,地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可配置26 MW裝機規(guī)模,其中16 MW由地?zé)嵯到y(tǒng)提供,10 MW由光熱系統(tǒng)提供。在光照充足的時候,滿負荷運行,在光照不足或者無光照時,部分負荷運行。
結(jié)合羊易電站現(xiàn)有的地?zé)岷凸鉄豳Y源條件,對地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案和光熱配置方案進行了初步計算和分析,結(jié)論如下:
1)地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用ORC發(fā)電方案更加合適,在光照充足時,光熱和地?zé)嵯到y(tǒng)同時工作,滿負荷運行;光照不足或者無光照時,部分負荷運行。ORC發(fā)電方案在系統(tǒng)組成、運維投入和電站效益等方面都明顯優(yōu)于WRC發(fā)電方案。
2)光熱裝機10 MW方案與5 MW方案年發(fā)電量幾乎一致,但在儲熱系統(tǒng)投資、運維投入和系統(tǒng)風(fēng)險方面卻有明顯的優(yōu)勢。
3)推薦羊易電站二期工程采用裝機規(guī)模26 MW,且不設(shè)置儲熱系統(tǒng)的ORC地?zé)?光熱聯(lián)合發(fā)電方案。