中低溫地熱雙循環發電技術發展與應用     

  1、引言

        步入21世紀，人類對能源的依賴程度持續加大，化石能源消耗量的激增和由此帶來的環境污染，已引起*的重視。近幾十年來，各種可再生能源發電技術得到越來越多的關注，其中，應用相對較早、發展較為成熟的地熱能發電技術，呈現向中低溫地熱源取熱發電的趨勢。

世界上只有不足1/4的地熱源屬于高溫地熱源，以我國為例，已探明的高溫地熱田僅約150處，多集中分布在地中海－喜馬拉雅地熱帶一線和環太平洋地熱帶一線（中國臺灣地區），而剩余廣大的國土面積蘊含的地熱源多屬于中低溫地熱源 。我國某些擁有中低溫地熱資源的邊遠地區，迫切需要電能來促進當地居民的經濟活動，提高居民生活質量，但由于各種原因導致電網近期難以普及，而中低溫地熱發電電站可以有效解決此類局部地區的供電情況，對社會穩定和經濟發展做出一定貢獻。

           ２、地熱雙循環發電技術

                    圖1 區別示意圖

      地熱雙循環發電技術，又名中間介質地熱發電法，與其他地熱發電技術大的區別在于使用兩種流體作為發電系統的工質。如圖1所示，其他地熱發電技術通常是地熱水蒸汽（或汽水混合物）直接或閃蒸進入發電系統做功轉換為電能。對于中低溫地熱資源，產生蒸汽的參數低，其做功能力不足等特點限制了地熱發電的應用。而地熱雙循環發電系統，地熱流體攜熱進入熱交換器，將熱傳遞給另一種工質（通常為低沸點工質），該種工質得熱蒸發進入汽輪機做功。兩者相比，后者更適合中低溫地熱源發電，且有避免地下水污染等優勢。

      現今使用的地熱雙循環發電技術，按照所應用的循環不同主要分為兩類：

      1）  有機朗肯循環

                        圖2 有機朗肯循環系統示意圖

      有機朗肯循環，示意圖如圖2所示，通常使用低沸點有機工質，如氯乙烷、正戊烷和異戊烷等，利用中低溫地熱流體與低沸點有機工質換熱，使后者蒸發，產生具有較高壓力的蒸汽推動汽輪機做功發電。在T—S圖上對比了水蒸汽循環和有機工質朗肯循環各自的特點，并歸納出后者在低溫熱源發電上相較前者的若干優勢。

      2）  卡林納循環

                                                        圖3 卡林納循環系統示意圖

      卡林納循環，使用氨水混合物作為工質，其基本過程類似于有機朗肯循環，如圖3所示，但有兩點重要的區別：1）在熱源吸熱時，非共沸的氨水混合物與變熱源溫度有良好的匹配性，減少了熱量傳遞過程的不可逆性；2）在冷源放熱時，通過改變混合工質成分濃度的方法，減少了混合工質在“冷端”的不利性，實現較低壓力下混合工質的*冷凝。為了在“冷端”實現變混合工質成分濃度的目的，卡林納循環利用吸收式制冷技術和回熱技術，在設備成本投入上高于有機朗肯循環。

      對比以上兩種循環，卡林納循環在熱源的匹配性上較有機朗肯循環更好，如圖4所示，因此在熱源側不可逆損失較少。文獻選取了卡林納循環的一種形式建立了模型，并在相同邊界條件下對比有機朗肯循環進行了計算，結果顯示前者整體效率高于后者15%，而Canoga Park卡林納試驗電站的運行數據顯示前者較后者凈效率至少可以提高3%。

3. 研究進展

 3.1 國內研究進展

      我國開展地熱雙循環發電研究在時間上大致分為三個階段。

      *階段為70年代初至80年代中期。此階段中，在全國各地陸續建成地熱雙循環發電實驗性機組多臺，對地熱雙循環發電做出了初步嘗試，但由于地熱資源（水溫偏低）的限制或是技術上的不完善，這些電站陸續停產或是拆除。

      第二階段為80年代中期至90年代中期。此階段，沒有進行自主技術的地熱雙循環實驗性電站的建立。1993年西藏地區所建成的雙循環地熱電站（聯合國開發計劃署援助項目），使用機組為以色列ORMAT公司產品，裝機容量為1MW，井口溫度為110°C 。此外，中國臺灣土場地區在1983年建成雙循環地熱電站一座，井口溫度為173°C，裝機容量0.3MW。

      1983年，卡林納循環公開，地熱雙循環發電技術有了突破。全國有地熱研究基礎的高校和研究機構，陸續對卡林納循環進行了初步研究，對其在1991年建造的實驗電站運行參數進行了分析。呂燦仁等對卡林納循環進行了熱力學分析，通過“P”準則分析了卡林納循環相較朗肯循環效率較高的原因，強調其工質與熱源匹配性上的優勢；薄涵亮等提出了卡林納循環所應用到的氨水混合物熱力性質的高精度計算方法，在此基礎上通過分析和計算得出結論：特定工況下，卡林納循環存在優透平背壓和優氨水混合物配比。

      第三階段為90年代中期至今。自93年至03年10年間，我國沒有新建地熱電站，地熱研究普遍集中于高溫地熱資源，中低溫地熱發電技術研究處于摸索階段。楊嘉祥等人進行了可適用于地熱源的低溫余熱發電小型設備實物化，劉齊壽、鄭丹星和金紅光等研究人員陸續提出一些以氨水混合物為工質、基于卡林納循環的復合循環，并對這些循環進行了模擬計算和分析，結果顯示此類循環普遍擁有較好的應用前景。

3．2 國外研究進展

      1967年，前蘇聯在帕拉唐卡（Paratunka）建立了世界上*座地熱雙循環電站，裝機容量500kW，使用有機工質。目前該電站還在擴容，隨著四號機的完善，總裝機容量將達到18MW。美國自70年代開始，在雙循環發電技術實用領域一直處于，陸續在加州和愛德華州等地建成多個地熱雙循環發電站，裝機容量從10kW至1500kW，再至10MW，至80年代仍不斷擴大。近幾年，美國除夏威夷地區新建雙循環地熱發電機組外，并無相關報道。

      90年代以前，雙循環發電技術主要應用有機朗肯循環（ORC）。代表性企業為始建于1965年的奧馬特（ORMAT）公司，其機組主要對應低溫熱源（工業余熱等），可以利用90°C左右載熱體進行發電。自80年代中期，卡林納循環也被引入地熱雙工質發電系統之中。1991年，該循環發明人Dr.Alex Kalina的Exergy公司在美國能源部（D.O.E）的支持下，在加州CanogaPark建造了3MW的試驗電站，并進行了現場運行測試。其后，意大利Ansaldo能源公司獲得授權，將卡林納循環技術商業化應用于地熱電站。目前，*所知的應用卡林納循環技術的商業地熱發電站為冰島Húsavík電站。

      截至2005年，雙循環地熱發電總裝機容量已達685MW，占地熱發電總裝機容量的8%，共有機組192臺，占機組總數（469臺）的41%，有越來越多的國家加入地熱雙循環發電研究的隊伍中來。

4.應用實例及存在問題

4.1 國內應用實例—豐順鄧屋異丁烷雙循環地熱試驗電站（有機朗肯循環）

      豐順鄧屋雙循環地熱試驗電站，于1977年4月建成投入運行，其二號機組是我國*臺采用異丁烷作為工質的地熱試驗機組，整體系統設計簡圖如圖5所示。該機組所使用地熱源為91°C地熱水，其經兩次調試和改裝，出力穩定在180kW，高出力200kW。1978年，該電站進行了初步運行測試，解決了機組振動、機械密封和油路調節等問題，其后進行了自發自用試驗和并網發電試驗，證明了異丁烷雙循環地熱發電在技術上的可行性。

                                                  圖5 豐順鄧屋異丁烷雙循環地熱試驗電站熱力系統設計簡圖

1、*級預熱器 2、*級蒸發器 3、第二級蒸發器 4、汽輪發電機組 5、冷凝器 6、第二級預熱器 7、循環水泵 8、第二級工質泵 9、*級工質泵 10、深井泵

該機組系統簡單，啟動迅速，運行穩定，維護簡單，但受限于設計經驗和經濟性等各種因素，于上世紀80年代停運。

 4.2 國外應用實例—Húsavík地熱電站（卡林納循環）

      Húsavík地熱電站位于冰島，于2000年交付使用，現發電容量為1700kW，總投資370萬歐元。其系統簡圖如圖6所示：

                                                                                     圖6  Húsavík地熱電站卡林納循環系統簡圖（含運行參數）

      為了證明卡林納循環的通用性，該電站所使用的設備元件均為標準工業元件。其中，汽輪發電機為德國KKK廠生產，熱交換器是美國生產，蒸發器換熱面積1600 m2，板式冷凝器換熱面積為2×750 m2，如考慮使用特殊設計的裝置，發電功率還可提升。

      在經濟性上，目前該電站還不具備優勢，對比同期歐洲市場條件，常規發電成本為4歐分/kWh，同類項目建設成本通常控制在1000美元/kW。該電站在預算設計時，成本約為1440美元/kW，其中汽輪機發電機組占總投資的30%~35%。為了保證其競爭力，Valdimarsson教授提出以下可能的若干解決方案[4]：1）參考德國對利用可再生能源發電進行的補貼政策，給予該電站1.65歐分/kWh的政府補貼；2）對于由于使用可再生能源或是利用余熱發電所帶來的CO2減排給予鼓勵政策，將減排效果進行核算量化，轉化為鼓勵資金，可給該電站帶來1.8~2.2歐分/kWh的獎金支持；3）適當延長綠色發電項目的回收期。

4.3 存在問題及解決方法

中低溫地熱雙循環發電電站目前存在以下主要問題：

      1）經濟性較差。應用低品位大容量地熱源發電的電站，受限于地源溫度低等自然條件，普遍存在效率較低的問題，進而難以保證經濟性，這成為限制中低溫地熱發電技術發展的主要原因。但對于我國電網難以近期普及而又擁有豐富中低溫地熱資源的偏遠地區，其迫切需要電能來提高當地人民生活質量。因此，開發中低溫地熱雙循環發電小型模塊化機組，滿足此類地區的需求，已不單單是一個電站的經濟性問題，而是維護整個地區社會穩定、提升一方人民生活質量、帶動整個地區經濟上升和提高邊遠地區人民素質的綜合問題。

      2）缺乏性設備。以汽輪機發電機組為例，中低溫雙循環發電技術所應用的汽輪機，普遍較常規發電汽輪機功率小，且應用多為有機工質，在已有示范性項目中，大多通過改造面向水蒸汽工質設計的設備來運行低沸點工質。采用并非依據實際工況進行設計的設備進行改造，難以達到設計效率，且低沸點工質有其自身特性，在密封防爆等因素上對設備提出了更高要求。因此，研究適合中低溫地熱雙循環發電的設備，總結此類設備的設計經驗，可以在一定程度上提升發電效率。

      3）運行管理問題。由于中低溫地熱雙循環發電電站相對傳統地熱發電電站復雜，且多使用有機工質，因此，對運行管理提出了更高的要求。對此，一方面，需總結此類電站運行經驗，編寫較為細致的運行手冊，對從業人員進行專業培訓，另一方面，需實現中低溫雙循環地熱發電系統自控化，實現自動化操作，減少人力運行成本。

5 、發展前景

      中低溫地熱雙循環發電技術的發展主要呈現以下兩方面的發展趨勢：

     1）大型化趨勢。中低溫地熱雙循環發電站（或是聯合循環發電電站）的大型化，可以集中利用大容量地熱資源，相對節約投資成本，一定程度上彌補低品位地熱源的不足，同時也順應世界發電電站大型化的趨勢。目前，應用于地熱源和工業余熱源的有機朗肯循環大型發電設備應經在*得到廣泛應用。

  2）小型化趨勢。小型發電機組相對大型發電機組效率普遍偏低，且應用至中低溫地熱源，經濟性有待研究。但面對我國地熱源分布的具體情況和邊遠地區的切實需求，開發適宜農村地區使用的小型中低溫地熱雙循環發電機組，可以有效提升局部地區的用電情況。

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