两级闪蒸和闪蒸-双工质地热发电热力学比较

  地热资源按温度分级, 分为高温(?150℃)、中温(90~150℃)、低温(<90℃)三类, 世界上开发利用的地热资源都是水热型地热资源, 地热资源最能发挥优势的利用方式是地热发电. 我国高温地热资源仅分布在滇藏和川西地区, 大部分为中低温地热资源, 即温度低于150℃的地热资源. 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, 目前, 世界上仅有菲律宾莱特岛唐古纳地热电站、新西兰怀拉基地热电站和莫凯地热电站采用闪蒸-双工质地热发电系统, 我国西藏羊八井地热电站采用两级闪蒸发电系统, 广东丰顺邓屋地热电站采用单级闪蒸发电系统[1~3]. 相同热源和冷源条件下, 由于闪蒸-双工质联合发电系统采用两台发电机组, 所以其投资成本大于两级闪蒸发电系统. 为使地热资源能够得到高效利用, 可采用两级能量转换系统.

 

  从理论上讲, 热水发电的能量转换级数愈多, 发电量就愈大, 但级数越多, 发电量增加有限, 而设备投资则增加较大, 故一般以两级为好. 本文对两级地热闪蒸发电系统、闪蒸-双工质联合地热发电系统进行热力计算和比较[10~15], 并对选用条件进行论述.

 

  1 两级地热发电系统的热力计算

 

  1.1 两级地热闪蒸发电系统的热力计算

 

  两级地热闪蒸发电系统热力图, 如图1 所示. 由生井口出来的地热水, 直接进入第一级闪蒸器, 产生“一次蒸汽”后进入混压式汽轮机高压缸做功; 剩余的饱和水则进入第二级闪蒸器, 产生压力更低的“二次蒸汽”后进入同一台混压式汽轮机低压缸做功, 第二级闪蒸器闪蒸后的热水则进入回灌井.

 

  两级地热闪蒸发电系统的热力计算过程及其主要性能指标和两级闪蒸最佳闪蒸温度的计算公式.

 

  1.2 地热闪蒸-双工质联合发电系统的热力计算如图 2 所示, 地热闪蒸-双工质联合发电, 实际上是将闪蒸器产生的蒸汽直接用于发电, 而产生的饱和水则用于低沸点有机工质发电. 这种特殊的能量转换系统统包括闪蒸系统发电和双工质循环发电两部分, 能使地热资源得到充分利用.

 

  2 两级地热发电系统的比较

 

  为了进行比较, 根据系统的实际情况设定相应的参数, 利用公式(1)~(20)进行计算. 计算时热水温度范围为80~150℃, 冷却水进口温度为20℃, 传热端部温差取?tpp=5℃; 两级地热闪蒸发电系统的闪蒸温度取最佳值, 地热闪蒸-双工质联合发电系统的热力学参数取单位热水净发电量最大值时的数值; 两级闪蒸和闪蒸-双工质发电系统的闪蒸系统均采用直接冷却的方式. 取厂用电率X=0.3; 两级地热发电系统各效率取?oi=0.76, m=0.98, g=0.97; 双工质循环所用工质为R245fa.

 

  以电站单位热水净发电量、电站净效率、产汽率和尾水温度为性能指标, 分析地热水温度性能指标的影响, 其中对地热闪蒸-双工质联合发电系统, 分别单独计算闪蒸发电系统和双工质发电系统的电站净效率.

 

  2.1 两级地热发电系统单位热水净发电量的比较图 3 给出了地热水温度对两种不同发电系统单位热水净发电量的影响. 可以看出地热发电系统的单位热水净发电量随着地热水温度的增加而增加, 其中, 地热闪蒸-双工质联合发电系统的发电量随热水温度升高增加的更快, 当热源温度约为130℃时, 两级闪蒸发电系统和闪蒸-双工质联合发电系统的净发电量接近; 当热水温度在80~130℃时, 两级地热闪蒸发电系统的单位热水净发电量比闪蒸-双工质联合系统的单位热水净发电量多达19.4%; 当热水温度在130~150℃时, 闪蒸-双工质联合系统的单位热水净发电量比两级地热闪蒸发电系统的单位热水净发电量多达5.5%.

 

  2.2 两级地热发电系统净热效率的比较

 

  图 4 为地热水温度对两级闪蒸和联合发电系统中闪蒸发电净热效率的影响, 可以看出两级闪蒸的净热效率明显高于联合系统单级闪蒸的热效率, 随着地热水温度的升高, 两级闪蒸发电系统的发电净热效率逐渐增加, 闪蒸-双工质发电系统的闪蒸发电净热效率先增加后减小; 图5 为地热水温度对联合发电系统净热效率的影响, 闪蒸-双工质发电系统的双工质发电净热效率随着地热水温度的升高而增加,由于联合发电系统的最大发电量是由闪蒸和双工质发电两部分组成, 在给定地热水温度的情况下, 联合发电系统中闪蒸发电净热效率并不一定是最佳值,因此, 图4 中闪蒸-双工质发电系统的闪蒸发电净热效率是先增大后减小, 地热水温度越高, 对闪蒸-双工质联合发电系统中双工质发电就越有利.

 

  2.3 闪蒸-双工质联合发电系统闪蒸温度对发电量的影响图 6 为闪蒸-双工质联合发电系统中, 闪蒸温度对系统净发电量的影响. 闪蒸温度采用试选的方法,以观察其对发电功率的影响, 其范围在冷凝温度和热源温度之间. 在同一热源温度下, 随着闪蒸温度的升高, 联合发电系统的单位热水发电量先增大后减小. 当联合系统的单位热水发电量达到最大时的温度即为联合系统的最佳温度. 地热水温度不同, 联合系统最佳温度的取值也不同, 地热水温度越高, 联合系统最佳温度越高; 从图6 可以看出, 当热水温度为80℃和150℃时, 其最佳闪蒸温度为60℃和125℃.

 

  2.4 两级地热发电系统最佳闪蒸温度的比较

 

  图 7 为两级发电系统的最佳闪蒸温度和产汽率与地热水温度的关系, 闪蒸-双工质联合发电系统的最佳蒸发温度高于两级闪蒸发电系统, 最佳闪蒸温度越高, 系统的闪蒸压力也越大, 也有利于发电系统处于正压运行. 随着地热水温度越高, 两级闪蒸发电系统的闪蒸蒸汽量呈直线上升的趋势, 增加速度较快, 而闪蒸-双工质联合发电系统闪蒸发电的产汽量增加缓慢. 两级闪蒸发电系统一级产汽率为3.5%~8.8%, 二级产汽率约为3.1%~6.8%, 闪蒸-双工质联合发电系统的产汽率约为3.6%~5.8%, 两级闪蒸发电系统闪蒸发电产汽量总和约为闪蒸-双工质的2~3 倍,地热水温度越高, 两者之间的差值就越大.

 

  当热水温度低于130℃, 虽然两级地热闪蒸发电系统的单位热水净发电量较大, 但是由于两级闪蒸的压力都较低(尤其第二级), 整个机组都在负压下运行, 蒸汽的质量体积很大, 将造成设备体积庞大、设备造价过高; 而闪蒸-双工质联合发电系统的最佳蒸发温度不但提高, 而且闪蒸产生的蒸汽质量约为两级闪蒸发电系统的一半, 这不仅有利于减少设备体积还有利于双工质提高发电量和发电净热效率. 因此, 在热水温度低于130℃且水量较大时, 可以考虑采用地热闪蒸-双工质联合发电系统.

 

  当热水温度高于130℃, 地热两级闪蒸发电系统和闪蒸-双工质发电系统比较, 存在单位热水净发电量小的缺点, 但是两级闪蒸发电系统可以在正压下运行, 且资源利用率较高, 因此, 在热水高于130℃且不凝气体质量含量较少时, 可以考虑采用地热两级闪蒸发电系统. 我国西藏羊八井地热电站就是采用这种系统, 该系统在技术上已较为成熟, 能长期稳定运行, 具有较好的经济效益.

 

  2.5 两级地热发电系统尾水温度的比较

 

  图 8 为地热水温度对两级地热联合发电系统尾水温度的影响, 从图8 可以看出地热水温度越高, 尾水排放温度越高, 闪蒸-双工质联合系统的尾水温度排放温度比两级闪蒸系统高10℃左右, 因此, 可以考虑利用联合发电系统的尾水进行供热、洗浴等梯级利用, 提高地热资源利用率.

 

  3 结论

  为了有效地利用我国中低温地热资源和提高地热发电的经济性, 本文提出地热水发电的两级能量转换系统, 并对两级地热闪蒸和闪蒸-双工质联合发电系统的单位热水净发电量、电站净效率等热力学性能进行比较, 得出如下结论.

 

  (1) 地热闪蒸-双工质联合发电系统的单位热水净发电量随地热水温度的增加量比地热两级闪蒸发电系统大, 当热水温度在80~130℃时, 两级地热闪蒸发电系统的单位热水净发电量比闪蒸-双工质联合系统的单位热水净发电量多达19.4%; 当热水温度在130~150℃时, 闪蒸-双工质联合系统的单位热水净发电量比两级地热闪蒸发电系统的单位热水净发电量多达5.5%.

 

  (2) 随着地热水温度的升高, 两级闪蒸发电系统的发电净热效率逐渐增加, 闪蒸-双工质发电系统的闪蒸发电净热效率先增加后减小, 地热水温度越高,对闪蒸-双工质联合发电系统中双工质发电就越有利.

 

  (3) 两级地热闪蒸发电系统闪蒸产汽量总和约为闪蒸-双工质发电系统闪蒸产汽量的2~3 倍, 地热水温度越高, 两者之间的差值就越大.

 

  (4) 闪蒸-双工质地热联合发电系统的尾水温度高于两级闪蒸发电系统, 可以考虑地热尾水的梯级利用.