地?zé)豳Y源按溫度分級(jí), 分為高溫(?150℃)、中溫(90~150℃)、低溫(<90℃)三類, 世界上開發(fā)利用的地?zé)豳Y源都是水熱型地?zé)豳Y源, 地?zé)?/a>資源最能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的利用方式是地?zé)岚l(fā)電. 我國(guó)高溫地?zé)豳Y源僅分布在滇藏和川西地區(qū), 大部分為中低溫地?zé)豳Y源, 即溫度低于150℃的地?zé)?/a>資源. 熱水發(fā)電有兩種基本的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng), 即閃蒸系統(tǒng)和低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的雙工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng), 目前, 世界上僅有菲律賓萊特島唐古納地?zé)犭娬?/a>、新西蘭懷拉基地?zé)犭娬?/a>和莫?jiǎng)P地?zé)犭娬?/a>采用閃蒸-雙工質(zhì)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng), 我國(guó)西藏羊八井地?zé)?/a>電站采用兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng), 廣東豐順鄧屋地?zé)犭娬?/a>采用單級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)[1~3]. 相同熱源和冷源條件下, 由于閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組, 所以其投資成本大于兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng). 為使地?zé)豳Y源能夠得到高效利用, 可采用兩級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng).

 

  從理論上講, 熱水發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)愈多, 發(fā)電量就愈大, 但級(jí)數(shù)越多, 發(fā)電量增加有限, 而設(shè)備投資則增加較大, 故一般以兩級(jí)為好. 本文對(duì)兩級(jí)地?zé)?/a>閃蒸發(fā)電系統(tǒng)、閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算和比較[10~15], 并對(duì)選用條件進(jìn)行論述.

 

  1 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的熱力計(jì)算

 

  1.1 兩級(jí)地?zé)?/a>閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的熱力計(jì)算

  兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)熱力圖, 如圖1 所示. 由生井口出來(lái)的地?zé)崴?/a>, 直接進(jìn)入第一級(jí)閃蒸器, 產(chǎn)生“一次蒸汽”后進(jìn)入混壓式汽輪機(jī)高壓缸做功; 剩余的飽和水則進(jìn)入第二級(jí)閃蒸器, 產(chǎn)生壓力更低的“二次蒸汽”后進(jìn)入同一臺(tái)混壓式汽輪機(jī)低壓缸做功, 第二級(jí)閃蒸器閃蒸后的熱水則進(jìn)入回灌井.

 

  兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的熱力計(jì)算過程及其主要性能指標(biāo)和兩級(jí)閃蒸最佳閃蒸溫度的計(jì)算公式.

 

  1.2 地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力計(jì)算如圖 2 所示, 地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電, 實(shí)際上是將閃蒸器產(chǎn)生的蒸汽直接用于發(fā)電, 而產(chǎn)生的飽和水則用于低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)發(fā)電. 這種特殊的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)統(tǒng)包括閃蒸系統(tǒng)發(fā)電和雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電兩部分, 能使地?zé)豳Y源得到充分利用.

 

  2 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的比較

 

  為了進(jìn)行比較, 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的參數(shù), 利用公式(1)~(20)進(jìn)行計(jì)算. 計(jì)算時(shí)熱水溫度范圍為80~150℃, 冷卻水進(jìn)口溫度為20℃, 傳熱端部溫差取?tpp=5℃; 兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸溫度取最佳值, 地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)取單位熱水凈發(fā)電量最大值時(shí)的數(shù)值; 兩級(jí)閃蒸和閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸系統(tǒng)均采用直接冷卻的方式. 取廠用電率X=0.3; 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)各效率取?oi=0.76, m=0.98, g=0.97; 雙工質(zhì)循環(huán)所用工質(zhì)為R245fa.

 

  以電站單位熱水凈發(fā)電量、電站凈效率、產(chǎn)汽率和尾水溫度為性能指標(biāo), 分析地?zé)崴疁囟?/a>性能指標(biāo)的影響, 其中對(duì)地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng), 分別單獨(dú)計(jì)算閃蒸發(fā)電系統(tǒng)和雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的電站凈效率.

 

  2.1 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)單位熱水凈發(fā)電量的比較圖 3 給出了地?zé)崴疁囟?/a>對(duì)兩種不同發(fā)電系統(tǒng)單位熱水凈發(fā)電量的影響. 可以看出地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量隨著地?zé)崴?/a>溫度的增加而增加, 其中, 地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量隨熱水溫度升高增加的更快, 當(dāng)熱源溫度約為130℃時(shí), 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)和閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電量接近; 當(dāng)熱水溫度在80~130℃時(shí), 兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量比閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量多達(dá)19.4%; 當(dāng)熱水溫度在130~150℃時(shí), 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量比兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量多達(dá)5.5%.

 

  2.2 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)凈熱效率的比較

 

  圖 4 為地?zé)崴疁囟?/a>對(duì)兩級(jí)閃蒸和聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中閃蒸發(fā)電凈熱效率的影響, 可以看出兩級(jí)閃蒸的凈熱效率明顯高于聯(lián)合系統(tǒng)單級(jí)閃蒸的熱效率, 隨著地?zé)崴疁囟?/a>的升高, 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸發(fā)電凈熱效率先增加后減小; 圖5 為地?zé)崴?/a>溫度對(duì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)凈熱效率的影響, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的雙工質(zhì)發(fā)電凈熱效率隨著地?zé)崴?/a>溫度的升高而增加,由于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最大發(fā)電量是由閃蒸和雙工質(zhì)發(fā)電兩部分組成, 在給定地?zé)崴疁囟鹊那闆r下, 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中閃蒸發(fā)電凈熱效率并不一定是最佳值,因此, 圖4 中閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸發(fā)電凈熱效率是先增大后減小, 地?zé)崴疁囟仍礁? 對(duì)閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中雙工質(zhì)發(fā)電就越有利.

  2.3 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)閃蒸溫度對(duì)發(fā)電量的影響圖 6 為閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中, 閃蒸溫度對(duì)系統(tǒng)凈發(fā)電量的影響. 閃蒸溫度采用試選的方法,以觀察其對(duì)發(fā)電功率的影響, 其范圍在冷凝溫度和熱源溫度之間. 在同一熱源溫度下, 隨著閃蒸溫度的升高, 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水發(fā)電量先增大后減小. 當(dāng)聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水發(fā)電量達(dá)到最大時(shí)的溫度即為聯(lián)合系統(tǒng)的最佳溫度. 地?zé)崴疁囟炔煌? 聯(lián)合系統(tǒng)最佳溫度的取值也不同, 地?zé)崴疁囟仍礁? 聯(lián)合系統(tǒng)最佳溫度越高; 從圖6 可以看出, 當(dāng)熱水溫度為80℃和150℃時(shí), 其最佳閃蒸溫度為60℃和125℃.

 

  2.4 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)最佳閃蒸溫度的比較

 

  圖 7 為兩級(jí)發(fā)電系統(tǒng)的最佳閃蒸溫度和產(chǎn)汽率與地?zé)崴疁囟鹊年P(guān)系, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)溫度高于兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng), 最佳閃蒸溫度越高, 系統(tǒng)的閃蒸壓力也越大, 也有利于發(fā)電系統(tǒng)處于正壓運(yùn)行. 隨著地?zé)崴疁囟仍礁? 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸蒸汽量呈直線上升的趨勢(shì), 增加速度較快, 而閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)閃蒸發(fā)電的產(chǎn)汽量增加緩慢. 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)一級(jí)產(chǎn)汽率為3.5%~8.8%, 二級(jí)產(chǎn)汽率約為3.1%~6.8%, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的產(chǎn)汽率約為3.6%~5.8%, 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)閃蒸發(fā)電產(chǎn)汽量總和約為閃蒸-雙工質(zhì)的2~3 倍,地?zé)崴疁囟仍礁? 兩者之間的差值就越大.

 

  當(dāng)熱水溫度低于130℃, 雖然兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量較大, 但是由于兩級(jí)閃蒸的壓力都較低(尤其第二級(jí)), 整個(gè)機(jī)組都在負(fù)壓下運(yùn)行, 蒸汽的質(zhì)量體積很大, 將造成設(shè)備體積龐大、設(shè)備造價(jià)過高; 而閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)溫度不但提高, 而且閃蒸產(chǎn)生的蒸汽質(zhì)量約為兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的一半, 這不僅有利于減少設(shè)備體積還有利于雙工質(zhì)提高發(fā)電量和發(fā)電凈熱效率. 因此, 在熱水溫度低于130℃且水量較大時(shí), 可以考慮采用地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng).

 

  當(dāng)熱水溫度高于130℃, 地?zé)醿杉?jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)和閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)比較, 存在單位熱水凈發(fā)電量小的缺點(diǎn), 但是兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)可以在正壓下運(yùn)行, 且資源利用率較高, 因此, 在熱水高于130℃且不凝氣體質(zhì)量含量較少時(shí), 可以考慮采用地?zé)醿杉?jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng). 我國(guó)西藏羊八井地?zé)?/a>電站就是采用這種系統(tǒng), 該系統(tǒng)在技術(shù)上已較為成熟, 能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行, 具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

 

  2.5 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)尾水溫度的比較

 

  圖 8 為地?zé)崴疁囟葘?duì)兩級(jí)地?zé)崧?lián)合發(fā)電系統(tǒng)尾水溫度的影響, 從圖8 可以看出地?zé)崴疁囟仍礁? 尾水排放溫度越高, 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統(tǒng)的尾水溫度排放溫度比兩級(jí)閃蒸系統(tǒng)高10℃左右, 因此, 可以考慮利用聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的尾水進(jìn)行供熱、洗浴等梯級(jí)利用, 提高地?zé)豳Y源利用率.

 

  3 結(jié)論

  為了有效地利用我國(guó)中低溫地?zé)豳Y源和提高地?zé)岚l(fā)電的經(jīng)濟(jì)性, 本文提出地?zé)崴l(fā)電的兩級(jí)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng), 并對(duì)兩級(jí)地?zé)衢W蒸和閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量、電站凈效率等熱力學(xué)性能進(jìn)行比較, 得出如下結(jié)論.

 

  (1) 地?zé)衢W蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量隨地?zé)崴疁囟鹊脑黾恿勘鹊責(zé)醿杉?jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)大, 當(dāng)熱水溫度在80~130℃時(shí), 兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量比閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量多達(dá)19.4%; 當(dāng)熱水溫度在130~150℃時(shí), 閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量比兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)的單位熱水凈發(fā)電量多達(dá)5.5%.

 

  (2) 隨著地?zé)崴疁囟鹊纳? 兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電凈熱效率逐漸增加, 閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的閃蒸發(fā)電凈熱效率先增加后減小, 地?zé)崴疁囟仍礁?對(duì)閃蒸-雙工質(zhì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中雙工質(zhì)發(fā)電就越有利.

 

  (3) 兩級(jí)地?zé)衢W蒸發(fā)電系統(tǒng)閃蒸產(chǎn)汽量總和約為閃蒸-雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)閃蒸產(chǎn)汽量的2~3 倍, 地?zé)崴疁囟仍礁? 兩者之間的差值就越大.

 

  (4) 閃蒸-雙工質(zhì)地?zé)崧?lián)合發(fā)電系統(tǒng)的尾水溫度高于兩級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng), 可以考慮地?zé)嵛菜?/a>的梯級(jí)利用.