ORC發(fā)電系統(tǒng)在干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電中的應(yīng)用

李 翔， 齊曉飛， 上官拴通， 蘇 野， 田小鳳， 田蘭蘭， 潘苗苗， 宋國(guó)梁

(河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)(河北省干熱巖研究中心)，河北邢臺(tái) 054001)

0 引言

在我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的環(huán)境下，京津冀地區(qū)對(duì)可再生能源的需求量不斷加大[1]。國(guó)內(nèi)干熱巖地?zé)豳Y源的賦存規(guī)模非?？捎^。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)大陸區(qū)域3～10 km干熱巖地?zé)豳Y源賦存數(shù)量約2.5×1025J(合856 萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤)，若按百分之二的利用率計(jì)算，是國(guó)內(nèi)2010年全國(guó)一次性能耗總量的5 300倍[2]。這些干熱巖地?zé)豳Y源如果能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用，將對(duì)全球能源格局產(chǎn)生重大影響。

國(guó)際上對(duì)干熱巖地?zé)豳Y源的研究已經(jīng)超過(guò) 40年歷史，美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等國(guó)均開(kāi)展了干熱巖開(kāi)發(fā)利用工程，且法國(guó)在2013年通過(guò)EGS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)發(fā)電[3-9]。國(guó)內(nèi)對(duì)干熱巖地?zé)豳Y源的研究比國(guó)外相對(duì)晚一些，現(xiàn)在還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開(kāi)發(fā)，目前僅我隊(duì)實(shí)施的河北省唐山市馬頭營(yíng)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電[10]。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于干熱巖發(fā)電系統(tǒng)的研究主要是基于地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的性能原理進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對(duì)于干熱巖發(fā)電系統(tǒng)的專題研究較少，且缺少示范工程進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。本文對(duì)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)進(jìn)行了對(duì)比，選擇了適合馬頭營(yíng)干熱巖系項(xiàng)目的ORC發(fā)電系統(tǒng)，從六種常用的ORC系統(tǒng)工質(zhì)中對(duì)比選用了環(huán)保工質(zhì)R245fa，為未來(lái)同類型的干熱巖開(kāi)發(fā)工程提供技術(shù)支持。

1 國(guó)內(nèi)干熱巖發(fā)電進(jìn)展

我國(guó)干熱巖研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，中國(guó)地震局和日本中央電力研究所合作開(kāi)展的干熱巖發(fā)電研究試驗(yàn)[11]。2012年，由吉林大學(xué)、清華大學(xué)、中科院廣州能源所實(shí)施的國(guó)家863計(jì)劃，為干熱巖發(fā)電和綜合利用擬定了初步方案[12]。2017年，由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和青海省國(guó)土資源廳實(shí)施的青海共和干熱巖勘查項(xiàng)目鉆獲了溫度高達(dá)236 ℃的干熱巖體[13]，儲(chǔ)層為花崗巖是我國(guó)干熱巖研究的重要突破，目前也在開(kāi)展干熱巖發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)[14]。

2018—2019年，由河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)(河北省干熱巖研究中心)承擔(dān)，河北省煤田地質(zhì)局組織實(shí)施的“河北省樂(lè)亭縣馬頭營(yíng)區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源地質(zhì)調(diào)查孔”項(xiàng)目，在3 965m處鉆獲了溫度超過(guò)150℃的干熱巖體，儲(chǔ)層為變質(zhì)巖。基于此項(xiàng)目成果，河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)(河北省干熱巖研究中心)對(duì)儲(chǔ)層改造、儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)、換熱取熱、發(fā)電試驗(yàn)等干熱巖開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建了“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗(yàn)井組，選擇了適合該地區(qū)的ORC發(fā)電系統(tǒng)，在2021年6月實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電，為干熱巖這一清潔能源的開(kāi)發(fā)利用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 發(fā)電系統(tǒng)選擇

目前地?zé)岚l(fā)電常用的發(fā)電系統(tǒng)主要有閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)，主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[15]。

表1 常見(jiàn)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)對(duì)比

本項(xiàng)目位于河北省唐山市馬頭營(yíng)鎮(zhèn)一帶，現(xiàn)已完成兩口干熱巖地?zé)峋你@探施工、儲(chǔ)層改造、儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)、循環(huán)試驗(yàn)等工作，構(gòu)建了“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗(yàn)井組。干熱巖井底溫度高于150℃，通過(guò)循環(huán)試驗(yàn)得出該井組能夠穩(wěn)定、持續(xù)提供100～110℃循環(huán)熱水，屬于中低溫、低干度地?zé)崃黧w?；诖隧?xiàng)目溫度、流量、干度等特點(diǎn)，綜合考慮系統(tǒng)的熱力學(xué)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性等關(guān)鍵因素，本項(xiàng)目干熱巖發(fā)電試驗(yàn)選用ORC發(fā)電系統(tǒng)。本項(xiàng)目地處環(huán)渤海灣北岸，東側(cè)、南側(cè)臨海，淡水資源豐富，因此，冷凝器選用水冷方式較風(fēng)冷的換熱效率高，可提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)主要為：地?zé)崴髁?20～150t/h，地?zé)崴肟跍囟?00～110℃，地?zé)崴毓鄿囟?0℃，地?zé)崴M(jìn)機(jī)組壓力1.6MPa，汽機(jī)進(jìn)口壓力0.89MPa，汽機(jī)出口壓力0.87MPa。

綜合以上各項(xiàng)參數(shù)，本項(xiàng)目干熱巖發(fā)電試驗(yàn)采用單臺(tái)模塊化撬裝式設(shè)計(jì)ORC發(fā)電機(jī)組，主要包含蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵和透平-發(fā)電機(jī)等。

蒸發(fā)器和冷凝器是該ORC發(fā)電機(jī)組的換熱部分，為提高換熱量，本次選用了釬焊板換熱器，它的優(yōu)勢(shì)是換熱面積大、便于安裝、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱系數(shù)高、污垢系數(shù)低且耐壓。根據(jù)擬選循環(huán)介質(zhì)水質(zhì)(該地區(qū)淡水資源)特征，蒸發(fā)器和冷凝器材料選用碳鋼銅鎳合金管材。透平和發(fā)電機(jī)采用無(wú)泄漏的一體化設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的安全性，負(fù)荷波動(dòng)范圍較廣，能夠在 40%～110%穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)選擇

ORC發(fā)電系統(tǒng)的整體性能受所選用工質(zhì)的影響較大，工質(zhì)的類型、臨界溫度、物性參數(shù)都會(huì)直接影響ORC發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率。根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家對(duì)ORC系統(tǒng)的最新研究成果，以熱力學(xué)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性為選擇原則，結(jié)合馬頭營(yíng)干熱營(yíng)干熱巖井組流體參數(shù)和環(huán)境條件，從地?zé)崃黧w溫度(80～120℃)、地?zé)崃黧w流量(80～150t/h)、冷凝水溫度(10～35℃)三個(gè)影響發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的因素對(duì)ORC發(fā)電系統(tǒng)常用的六種工質(zhì)(R245fa、R152a、R161、isobutane、R123以及R601)進(jìn)行優(yōu)選。本次工質(zhì)選擇通過(guò)建立ORC工質(zhì)綜合性能評(píng)價(jià)模型來(lái)篩選。選用的六種工質(zhì)熱物性如表2所示。

表2 工質(zhì)物性參數(shù)

3.1 地?zé)崴疁囟葘?duì)發(fā)電機(jī)組的影響

圖1是以地?zé)崃黧w流量100t/h和25℃冷凝水條件下模擬而得。由圖1可知，ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率隨著地?zé)崃黧w溫度的增加而遞增，且采用R245fa、R601、R123為工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠(yuǎn)高于其他三種工質(zhì)。

圖1 地?zé)崃黧w溫度對(duì)ORC機(jī)組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 1 Curve indicated impact from geothermal fluidtemperature on ORC set net power generation

3.2 冷凝水溫度對(duì)ORC發(fā)電機(jī)組性能的影響

圖2是以地?zé)崃黧w流量100t/h和溫度110℃條件下模擬而得。由圖2可知，冷凝水溫度對(duì)ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率的影響直接體現(xiàn)到對(duì)工質(zhì)冷凝溫度的影響，冷凝溫度越低，對(duì)應(yīng)的飽和壓力就越低，透平出口壓力就越低，工質(zhì)在透平內(nèi)膨脹的更加徹底，從而產(chǎn)生更大的功率，且采用R245fa、R601、R123為工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠(yuǎn)高于其他三種工質(zhì)。

圖2 冷凝水溫度對(duì)ORC機(jī)組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 2 Curve indicated impact from condensate watertemperature on ORC set net power generation

3.3 地?zé)崃黧w流量對(duì)ORC發(fā)電機(jī)組性能的影響

圖3是以地?zé)崃黧w溫度110℃和25℃冷凝水條件下模擬而得。由圖3可知，ORC發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率隨著地?zé)崃黧w流量的增大而遞增，且采用R245fa、R601、R123為工質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電功率相近且遠(yuǎn)高于其他三種工質(zhì)。

圖3 地?zé)崃黧w流量對(duì)ORC機(jī)組凈發(fā)電功率影響曲線Figure 3 Curve indicated impact from geothermal fluidflow on ORC set net power generation

由此可以看出，R245fa、R601、R123三種工質(zhì)發(fā)電性能相差不大。R601化學(xué)成分是正戊烷，無(wú)毒易燃。R123化學(xué)成分是三氟二氯乙烷，低毒不可燃。R245fa化學(xué)成分是五氟丙烷，低毒不可燃，且價(jià)格便宜，在ORC發(fā)電系統(tǒng)使用最廣泛。結(jié)合六種工質(zhì)的熱力學(xué)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性，本項(xiàng)目ORC發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)選用R245fa。

4 試驗(yàn)性發(fā)電

該ORC發(fā)電機(jī)組于2021年6月在唐山市馬頭營(yíng)“一注一采”干熱巖發(fā)電試驗(yàn)井組中進(jìn)行了ORC發(fā)電試驗(yàn)。地面發(fā)電系統(tǒng)由注入井、生產(chǎn)井、地面輸熱管道、發(fā)電機(jī)組和配套設(shè)施組成。井組循環(huán)熱水進(jìn)入注入井-生產(chǎn)井吸收熱量，溫度升高后，進(jìn)入蒸發(fā)器對(duì)蒸發(fā)器中工質(zhì)(R245fa)進(jìn)行加熱，放熱后的地?zé)崴倩氐阶⑷刖醒h(huán)。蒸發(fā)器中工質(zhì)(R245fa)吸收地?zé)崴疅崃孔優(yōu)楦邷馗邏旱恼羝?，之后蒸汽通過(guò)透平發(fā)電機(jī)膨脹做功成為低壓蒸汽，透平所做的功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。離開(kāi)透平發(fā)電機(jī)的低壓工質(zhì)蒸汽進(jìn)入冷凝器經(jīng)冷卻水冷卻成低壓液體，然后進(jìn)入工質(zhì)泵中加壓，再進(jìn)入蒸發(fā)器完成整個(gè)循環(huán)[16]。發(fā)電循環(huán)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 ORC發(fā)電機(jī)組發(fā)電循環(huán)示意Figure 4 Schematic diagram of ORC set power generation cycles

本次發(fā)電試驗(yàn)前先進(jìn)行了兩天循環(huán)連通試驗(yàn)，循環(huán)連通試驗(yàn)后，蒸發(fā)器水側(cè)入口循環(huán)溫度超過(guò)100℃，流量超過(guò)80m3，滿足選擇的ORC發(fā)電機(jī)組運(yùn)行條件，開(kāi)始進(jìn)行發(fā)電試驗(yàn)，完成了國(guó)內(nèi)第一次干熱巖試驗(yàn)性發(fā)電，獲得了壓力、溫度等技術(shù)參數(shù)，詳見(jiàn)表3。

表3 ORC發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

基于發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)發(fā)電工況參數(shù)，對(duì)該發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)計(jì)算與分析。透平等熵效率由下式確定：

ηi=(h2-h3r)/(h2-h3s)=84%

(1)

式中：ηi為透平等熵效率，%；h2為蒸發(fā)器出口焓值，kJ/kg；h3r為膨脹機(jī)出口焓值，kJ/kg；h3s為膨脹機(jī)出口焓值(等熵條件)，kJ/kg。

發(fā)電功率由下式確定：

Wg=morc×(h2-h3r)×ηm×ηe=201kw

(2)

式中：Wg為發(fā)電功率，kW；morc為有機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ηm為機(jī)械效率，%；ηe為發(fā)電機(jī)發(fā)電效率，%。

將相關(guān)參數(shù)代入上式可知，選用的ORC發(fā)電機(jī)組在本次發(fā)電試驗(yàn)中透平等熵效率達(dá)到了84%，發(fā)電功率為201kW，表現(xiàn)了良好的熱力學(xué)性能，適合于干熱巖發(fā)電。

5 結(jié)論

1)對(duì)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)(ORC)、卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Kalina)進(jìn)行了對(duì)比，選擇了適合馬頭營(yíng)干熱巖項(xiàng)目的ORC發(fā)電系統(tǒng)。

2)根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家對(duì)ORC系統(tǒng)的最新研究成果，以熱力學(xué)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境友好及安全性為選擇原則，結(jié)合馬頭營(yíng)干熱營(yíng)干熱巖井組流體參數(shù)和環(huán)境條件，考慮地?zé)崃黧w溫度、地?zé)崃黧w流量、冷凝水溫度三個(gè)因素，選擇了適合馬頭營(yíng)干熱巖的發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)R245fa。

3)本次ORC機(jī)組完成了我國(guó)干熱巖首次試驗(yàn)性發(fā)電，試驗(yàn)計(jì)算所得透平等熵效率為84%，表現(xiàn)了良好的熱力學(xué)性能，為以后同類型干熱巖地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。