肯尼亞分布式井口地?zé)犭娬撅L(fēng)耗分析

蔡正敏++張文明++杭國敏++李亞

【摘 要】肯尼亞位于非洲東部，處于熱帶季風(fēng)區(qū)，大部分地區(qū)屬于熱帶草原氣候和熱帶季風(fēng)氣候，隨著人口的大幅增長、環(huán)境惡化特別是氣候變化使得水資源不斷減少。本文對地?zé)犭娬具\行過程中的水資源消耗進(jìn)行了分析，以肯尼亞奧卡瑞地區(qū)井口地?zé)犭娬緸槔M(jìn)行了循環(huán)水風(fēng)耗的定量計算，為有效地控制地?zé)犭娬具\行中的水資源的消耗提供了理論依據(jù)，可保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】井口電站 水資源 風(fēng)耗

【Abstract】In this article the consumption of water is analysed in the operation process of the geothermal power unit. A typical wellhead geothermal power unit in Kenya is selected as an example to make a wind consumption quantitative calculation and analysis of circulating water. This article provides theoretical evidence for effectively controlling and preventing the water waste in the operation of geothermal power unit and ensure the sustainable development of geothermal resource.

【Key words】 Wellhead power unit；water resource； wind consumption

1 引言

肯尼亞位于非洲東部，處于熱帶季風(fēng)區(qū)，大部分地區(qū)屬于熱帶草原氣候和熱帶季風(fēng)氣候，隨著人口的大幅增長、環(huán)境惡化特別是氣候變化使得水資源不斷減少。預(yù)計到2025年可再生利用的淡水資源量將下降至不足全球水平的23%，根據(jù)報告顯示，當(dāng)前可再生利用的淡水總量是210億立方米，人均年用水量約為650立方米，肯尼亞國內(nèi)的安全用水量約占總用水量的57%，低于全球年人均年用水總量少于1000立方米，已經(jīng)被列為缺水國家。

隨著肯尼亞蓄水區(qū)進(jìn)一步受到污染、全球變暖、落后的耕作方式、環(huán)境退化和人口增長等的嚴(yán)重破壞，對以水電裝機(jī)為主的肯尼亞電力造成嚴(yán)重影響。

截止2013年，肯尼亞全國裝機(jī)容量約為1672MW，其中水電裝機(jī)容量約為820MW，根據(jù)肯尼亞電力照明有限公司公布的數(shù)據(jù)顯示，從2011年到2013年，肯尼亞電力需求峰值增加到1334MW，以大約8%遞增，因此一旦出現(xiàn)干旱等缺水現(xiàn)象就會引起發(fā)電量嚴(yán)重不足。

為了解決水力發(fā)電的不足，肯尼亞政府目前大力推進(jìn)開發(fā)地?zé)豳Y源，肯尼亞位于東非大裂谷，地?zé)豳Y源十分豐富，地?zé)岚l(fā)電潛力估計為10000MW，目標(biāo)在近幾年將地?zé)岚l(fā)電能力由現(xiàn)在的255 MW提高到約600MW。然而隨著肯尼亞地?zé)犭娬鹃_發(fā)大規(guī)模的開展，環(huán)境問題尤為突出，其中地?zé)犭娬鹃_發(fā)中對水資源的消耗等問題越來越引起人們的重視。

2 地?zé)犭娬镜娘L(fēng)耗[1][2]

典型地?zé)犭娬緹崃ο到y(tǒng)由八大部分組成：地?zé)嵴羝敿胺趴障到y(tǒng)、主蒸汽系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、回灌水系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、調(diào)節(jié)保安潤滑油系統(tǒng)。其中地?zé)犭娬镜挠盟饕獮闄C(jī)組啟動時循環(huán)冷卻系統(tǒng)的注水，對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的耗水量進(jìn)行科學(xué)控制，循環(huán)使用，大大節(jié)約水資源。

地?zé)犭娬局兄饕h(huán)過程由以下幾部分組成：

首先，循環(huán)冷卻水和熱力系統(tǒng)中的冷凝器中的濕蒸汽換熱，然后溫度較高的循環(huán)水流到冷卻水塔頂部，通過安裝在塔頂?shù)牟妓鬟M(jìn)入冷卻水塔，經(jīng)過布水器均勻噴淋在塔內(nèi)填料上，依靠重力穿過填料流向塔底，同時安裝在塔頂?shù)娘L(fēng)機(jī)從塔底側(cè)面抽進(jìn)塔外的冷空氣自下而上與被冷卻的熱循環(huán)水在塔內(nèi)填料中逆向接觸進(jìn)行熱量交換，冷卻后的循環(huán)水進(jìn)入塔底通過管線回到循環(huán)水池。

在上述循環(huán)過程中，冷卻塔外冷空氣是低濕度的，進(jìn)塔前空氣中的水蒸汽含量較少，在冷卻塔運行過程中，空氣和水經(jīng)過冷卻塔填料層時，空氣和水充分接觸混合，冷空氣中水的分壓達(dá)到了當(dāng)時溫度所對應(yīng)的飽和壓力，進(jìn)入冷卻塔的冷空氣變成為了飽和熱濕空氣，分布在冷卻水塔內(nèi)布水器上部空間，在冷卻水塔風(fēng)扇的作用下，飽和的熱濕空氣在塔內(nèi)逐漸上升，越向塔外靠近，與塔外的冷空氣接觸越多，濕空氣溫度逐漸下降，并逐步呈過飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)成水霧，形成小水滴，至塔頂處時濕空氣溫度基本接近大氣溫度，水蒸汽凝結(jié)達(dá)到最大程度，就會形成霧汽團(tuán)甚至是小水滴，上升過程中遇到凝結(jié)核以后，形成的小水滴會凝結(jié)形成大水滴。

在冷卻水塔冷卻過程中塔內(nèi)排出的濕熱空氣所攜帶的水分一部分是混合于空氣中的水蒸汽，稱為蒸發(fā)損失；一部分是隨氣流帶出來的水滴，稱為風(fēng)吹損失。這兩部分的總損失量是非常大的，如果損失的這部分水能回收起來并利用，這對節(jié)約生產(chǎn)成本、設(shè)備和環(huán)境保護(hù)都有積極的作用。

3 肯尼亞奧卡瑞井口電站風(fēng)耗實例分析[3][4]

肯尼亞唯一商業(yè)開發(fā)的奧卡瑞地?zé)崽?，平均海拔高度約為2000米，全年降雨量分布受熱帶輻合帶運動的影響，形成了雙峰降雨分布模式，長歷時降雨出現(xiàn)于3月、4月和5月，短歷時降雨出現(xiàn)于10月、11月，年平均降雨量為714mm。

目前該地?zé)崽镏械牡責(zé)犭姀S水源取自附近Naivasha湖，湖泊周邊區(qū)域年蒸發(fā)量約為1700mm，采用管道輸送的方式將湖水供給地?zé)犭娬尽？夏醽唺W卡瑞典型的井口電站，位于奧卡瑞（Olkaria）地?zé)崽飽|北區(qū)，預(yù)裝機(jī)容量12MW，熱機(jī)部分電站安裝4臺3MW純凝式地?zé)崞啺l(fā)電機(jī)組，單元制運行。

該電站的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用開式流程，濃縮倍數(shù)按大于等于5，為電站的混合式凝汽器和一些輔助設(shè)備提供冷卻水。冷卻水進(jìn)入混合式凝汽器與蒸汽凝結(jié)水混合，經(jīng)凝結(jié)水泵加壓進(jìn)入冷卻塔冷卻。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)同時設(shè)有循環(huán)水泵為發(fā)電機(jī)空冷器、冷油器、真空泵等輔助設(shè)備供給冷卻水。在凝汽器中蒸汽不斷地被凝結(jié)成水，凝結(jié)水與冷卻水一同進(jìn)入冷卻塔水池，作循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的補(bǔ)充水。

地?zé)犭娬局懈餮b置冷卻水用水量見下表1，表2和表3分別給出了循環(huán)冷卻水設(shè)計參數(shù)及冷卻塔揮發(fā)水量參數(shù)。

根據(jù)資料顯示，奧卡瑞地區(qū)的常年平均溫度在25℃左右，根據(jù)計算和測量該井口電站每小時揮發(fā)到空氣中的蒸汽就達(dá)96噸左右，地?zé)犭娬鹃L期運行會浪費大量的淡水資源，盡管由于地?zé)嵴羝诎l(fā)電做功后凝結(jié)成水補(bǔ)充了一部分損失，但是隨著地下蒸汽的大規(guī)模開采需要地面進(jìn)行回灌補(bǔ)充，否則難以保證地?zé)崽锬荛L期提供高品質(zhì)的蒸汽，因此降低電站循環(huán)水的風(fēng)耗是不容忽視的。

4 結(jié)語

綜上所述，盡管地?zé)崮苁且环N清潔能源，但是開發(fā)利用過程中引起的水資源消耗問題是急需解決的問題，必須采取各種有效的技術(shù)措施來消除。

首先應(yīng)重視冷卻塔的日常維護(hù)工作，因為若冷卻塔的冷卻效果較差會引起冷卻塔的出水溫度上升，這不但會增加其耗水量，同時還導(dǎo)致風(fēng)耗升高。

其次，安裝地?zé)犭娬纠鋮s塔除霧裝置等，減小水蒸氣的損失，既可以節(jié)約用水，又可以保護(hù)環(huán)境，將冷卻后用于循環(huán)冷卻系統(tǒng)后多余的回灌到地下，保證地?zé)崽镎羝目沙掷m(xù)開采。

參考文獻(xiàn)：

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