地热双工质发电系统设计

采用NH3₃ -H₂0混合工质的地热双工质发电系统的循环流程如《氨水混合工质动力循环流程图》所示。

该循环系统由发生器、换热器、汽轮机、吸收器、节流阀以及泵组成。压力为7. 5 xlOSPa，浓氨水溶液被冷却水冷却由状态1经过泵加压到状态2，进人换热器换热升温后，达到状态点3，然后送人发生器，由地热水加热混合工质，低沸点工质氨开始蒸发，并从混合物中分离出来。从发生器出来工质蒸气4进人汽轮机膨胀做功，汽轮机出口排气5进人吸收器被来自6的稀溶液吸收，释放的热量由冷却水带走，并回到状态1的浓氨水溶液。发生器出口7为稀氨水溶液，它首先通过换热器放热到状态8，再经过节流阀减压后进人吸收器，吸收来自汽轮机出口排气，完成整个循环过程。

用于发电的地热资源，目前主要有三种，即水热资源、地压资源和干热岩资源。但目前只有水热资源能用于商业发电，其余还处于试验阶段。实际应用的地热水发电主要是闪蒸系统和双工质循环系统。

要提高动力循环的发电效率，只有改善循环吸热过程和放热的换热温度匹配。采用水作工质的动力循环朗肯(Rankine)循环的蒸发和冷凝过程都是恒温的等温相变过程。这样，工质和热源及冷源的换热就不能达到最佳的温度匹配，引起较大的有效能损失。

非共沸混合物等压相变过程是一变温过程，如果以其作为动力循环的工质就可以与变温的热源和冷源达到满意的温度匹配，降低蒸发和冷凝过程的有效能损失，提高循环的发电效率 。

汽轮机的出口压力、吸收器的工作温度以及氨一水混合物的成分三个参数之间是相互影响的。随着汽轮机出口压力的升高，吸收器的工作温度也升高，而且在同一背压下，氨一水混合物中氨的质量分数越小，则吸收器工作温度也越高。

在热源温度和流量不变的情况下，系统循环热效率随汽轮机出口压力的变化曲线，随着汽轮机出口压力的升高，汽轮机进出口压差减小，汽轮机做功的能力下降。随着汽轮机出口压力的升高，效率降低，而且氨的成分越小，效率越低。

随着热源温度的升高，蒸发压力逐渐增加，汽轮机的进出口压差逐渐增大，系统的热效率逐渐提高。当热源的温度高于433 K时，系统热效率增加的比较缓慢，因为随着温度的进一步增加，蒸气量逐渐增加，发生器中的氨水溶液的浓度逐渐降低，继续增加热量，蒸发量逐渐减小，所以热效率增加比较缓慢。即存在一个最佳值热源温度，当低于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较快，当高于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较缓慢。

汽轮机出口压力和吸收器温度不变的情况下，系统发电功率随热源温度的变化曲线。随着热源温度的升高，系统的发电功率逐渐增加。当热源温度小于433 K时，系统的发电功率增加的较快，当热源的温度高于433 K时，系统热效率增加的比较缓慢。当系统的热源温度达到400 K时，双工质发电系统的功率可以达到175kW，进一步验证了地热水双工质发电系统存在一个最佳值热源温度，当低于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较快，当高于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较缓慢 。

沸点不同的混合工质在吸热蒸发过程中是变温过程，这可以大大降低换热过程的不可逆损失，因此，将混合工质用于动力循环可以提高效率。按照一定的边界条件，采用模拟计算的方法对以氨水溶液为工质的地热水双工质发电系统的动力循环进行了研究，以热力学性质图分析了操作参数对循环特性的影响。主要结论如下:

(1)以地热水和工业余热为热源，当热源温度为353K时，系统的热效率为10.4% ,相应的卡诺循环效率为14.16%，热力学完善度为73.4%。

(2)随着汽轮机出口压力的升高，系统循环热效率降低，而且氨的成分越小，效率越低。

(3)随着热源温度的升高，系统的热效率和发电功率逐渐增加，并且存在一个最佳热源温度。

(4)中低温的热力过程的不可逆程度对系统效率的影响不容忽视，良好的中低温过程匹配将为系统带来显著的效果。

以低沸点的氨一水溶液作为工质的地热水双工质发电系统的动力循环，在未来的节能领域和对工业余热的开发利用具有重要的参考价值。本文所做的工作只是理论上的分析和探讨，为系统在不同条件下的开发设计打下了基础，但还需要进一步的试验验证和改进 。2100433B

双循环地热发电系统的低沸点工质选择十分重要，它既要有化学稳定性以及有较好的热力学特性，又要有价廉、来源广、无毒、不易燃烧等特点。要满足上述所有要求的低沸点工质是难找的， 选择时只能根据设计要求抓其主要的方面。在现有的一些双循环地热电站中，采用较多的低沸点工质有异丁烷、正丁烷、氟里昂11、氟里昂114等。为了充分利用不同工质的不同优点，采用混合工质(如异丁烷和异戊烷)也是正在发展的有前途的一种选择。

双循环发电系统所采用的低沸点工质汽轮机一般为轴流式，特别是在单机功率较大时。对较小功率的汽轮机采用轴流式，可以获得很高的相对内效率。轴流式低沸点工质汽轮机的设计， 其原理与水蒸气汽轮机相同。然而，在应用地热流体的条件下，低沸点有机化合物的性质与水蒸气性质有着显著的差别， 因而设计也就存在某些不同之点。例如，低沸点工质蒸汽中的声速差不多是水蒸气声速的一半， 因而其汽轮机的设计应使其转子直径为水蒸气汽轮机转子直径的一半， 或者转速是后者的一半。此外，在相同温度范围内，低沸点工质蒸汽的密度比水蒸气高一个数量级， 而等熵焓降产生的功则少一个数量级。因此， 为了产生相同的功率， 低沸点工质的质量流量应比水蒸气的高一个数量级，虽然容积流量几乎是相等的。低沸点有机工质的高密度和小焓降，再加上不够理想的性质，对汽轮机设计有特殊要求。 2100433B

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,我们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地热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) 地热闪蒸地热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,闪蒸地热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,对闪蒸地热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地热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 .2100433B

我国中低温地热资源主要分布在东南沿海地区,主要用于洗浴等,使得大量热能白白浪费.为提高我国中低温地热资源的能量转换利用率,提出了两级地热闪蒸和地热闪蒸-双工质联合发电方式,以单位热水发电量、热效率和产汽率为性能指标,通过数值计算,分析地热水温度对两种不同地热发电系统的性能指标影响以及地热尾水温度的影响,并对两种发电系统的选用条件作了论述.结果表明,闪蒸地热发电系统的单位热水的发电量随温度升高的增加量大于两级闪蒸的增加量.

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,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.相同热源和冷源条件下,由于闪蒸地热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.对闪蒸地热发电系统进行热力计算和比较,并对选用条件进行论述 .