超臨界二氧化碳熱動力技術應用于地熱發電的研究及展望

周 康 趙國斌 Hassan Jafari 吳俊翔

浙江普朗特洛新能源有限責任公司

地球上理論可開發的地熱能大約為1.4×1026J，遠大于目前全球化石能源的總和[1]。但地熱能的商業化開發利用僅局限于地幔隆起、地幔柱（熱點）、火山帶或者大陸生長邊界等地域，包括美國加州海岸山脈的蓋瑟爾斯，新西蘭北島拉基地熱田，冰島的雷克雅未克地熱田及中國西藏的羊八井地熱電站。

我國的干熱巖資源集中在東北、西南（包括云南、西藏和青海）及東南沿海地區[2]，巖層的類型為火成巖和花崗巖，而浙江及長三角地區未列入其中。從全國范圍來看，浙江省的地熱資源及溫泉的數量不占優，其溫泉數量排在新疆、西藏之后，在青海和內蒙之前，在已經查明地熱熱泉儲量的26個省區中，排名在第22位[3]。然而，研究表明，浙北地區地熱能的應用前景不容小覷：平均地熱梯度4.19℃/100 m(杭嘉湖地區),與我國東部地區主要新生代沉積盆地比較相對較高，異常面積可達860余平方公里[4]。開發龐大的地熱資源儲存在幾乎沒有地熱傳熱介質的“干熱巖”（Hot Dry Rock），建造干熱巖地熱發電系統，面臨深鉆和水力壓裂等許多難點，使地熱發電受到了地域限制。最新研發的超臨界CO2熱動力技術對開發利用干熱巖及其它類型的地熱資源具有廣闊的前景。

1 系統設計方案

研究發現，中低溫地熱資源儲量更大、分布更廣、埋深更淺、開發更為經濟[5]，其溫度范圍適合使用超臨界CO2而不是水作為傳熱介質和工作流體[6]。2014年至2017年間，我們逐步研發出一套名為“深巖玫瑰”的地熱發電系統終端設計方法，旨在針對中低溫工程地熱系統（EGS）找出合適發電的一般性策略。該系統使用了超臨界CO2·作為主要工作流體，首次嘗試將熱交換器替換成流體混合步驟；通過凱瑟琳輪整合了壓氣機、噴射泵、汽輪機組、及冷凝和分離設備，形成一套連貫緊湊的熱動力系統。該系統配合超臨界CO2與相關工質的傳熱、傳質屬性進行設計，顯示出提升地熱發電效率的潛力。

圖1 SITMAP（Solar Integrated Thermal Management and Power）循環

圖2 深巖玫瑰核心：噴射泵及汽化室截面示意圖

深巖玫瑰包含一個超臨界CO2的跨臨界循環和一個有機工質的朗肯循環，見圖1。兩個并聯循環通過流體混合后合為一路，在流程設計上參考了SITMAP的環路：借用噴射泵(Jet Pump)提高了廢熱自身溫度實現了高效的輻射散熱和系統整體溫控[7]。深巖玫瑰的噴射泵與此類似，當作為地熱流體的CO2——井口溫度在80～140℃，壓力在100～200 Bar之間甚至更高，處于超臨界態[8]——流經噴射泵，會在噴射泵的文丘里管頸部出現低壓區，產生類似引射的效果，見圖2；使用軸流式壓氣機及腔體旋轉離心的方式會使流體加速，引射效果更加明顯。如此時將第二種處于飽和狀態且沸點明顯低于CO2溫度的工質引射入腔體，流體間的熱傳遞會使該工質處于過熱狀態，并且在過渡到下一個低壓區之前沸騰汽化。這和傳統的“蒸汽機”大相徑庭，表現在：1）從地熱流體到第二種工質，傳熱使用直接接觸，而非熱交換器，能量傳遞更高效完全（雖然仍然有能量的損失）；2） 超臨界CO2氣化時在噴管處產生的低壓，使得過熱或飽和的第二種工質在遠低于其飽和壓力的情況下蒸發汽化，其效果類似于閃蒸，但因為有來自sc CO2持續的熱流，蒸發完全而迅速。

超臨界CO2為高壓系統。絕熱升壓時，它的溫度會上升而可以保持焓值不變；絕熱降壓時，溫度也會隨著壓力下降，而焓值仍保持不變。當sc CO2從細小的噴嘴噴出、從超臨界態變為氣態——會產生非常顯著的降溫，超臨界CO2的這項屬性使其被運用于金屬切削[9]，用于被切削構件的冷卻——因而同樣可以用于地熱發電過程中工質的冷卻。原則上，我們可以通過sc CO2的這一屬性，通過調整其壓力來控制其溫度，使得混合流體以高于熱儲原始溫度的狀態進入汽輪機，提高汽輪機入口處的溫度；它的“自冷卻”性能，也可以用于地熱發電時工質的降溫：最終降低汽輪機組出口處的溫度。按照卡諾循環的基本原理，η=1-T2/T1, T2為氣體離開汽輪機時的溫度（單位為K），T1為氣體進入汽輪機時的溫度,理論上T2降至越低，T1升至越高，系統效率的上限便可得到提升。深巖玫瑰的核心設計思想便是基于對超臨界CO2的熱力學屬性的調整，進而提升系統的卡諾循環的效率，提高地熱發電效率的上限，使得更多的地熱能能夠轉化為發電所需的機械能。

系統的流程見圖3。

圖3 深巖玫瑰地熱發電系統流程圖

全套系統可描述如下：將CO2泵送至深度在2 000～3 000 m之間的熱儲，在超臨界CO2完成了地下傳熱以后，其自身的密度下降，體積膨脹，從生產井回流至地表；輔助以軸流式壓氣機/“壓縮機”的抽吸和凱瑟琳輪的高速自轉，將其引至位于地表的地熱發電系統內。壓氣機內的超臨界CO2因受到壓縮而顯著升壓升溫，加快速度進入到噴射器中，并且在噴射器的頸部的位置到達混合前最大速度和相對的低壓，然后通過引射作用完成與另一種處于飽和或者過熱狀態的有機工質混合。在混合腔內，因混合受熱，原本飽和的有機工質受熱變為過熱的液體，與超臨界CO2處于互溶或者微溶的狀態。兩者一齊通過擴壓室，被進一步地加熱，并一直向汽化室/蒸發室移動。在連接擴壓區與低壓區的狹小截面，第二種工質因過熱而快速沸騰，變為蒸汽；超臨界CO2因失壓降溫也從超臨界態變為氣態，兩者一齊變為氣體?；旌蠚怏w首先通過一組軸流式汽輪機做功，然后進入懸臂，經由凱瑟琳輪的一組尾噴管噴出，形成噴射流，推動凱瑟琳輪朝一個方向旋轉發電，而第一組軸流式汽輪機產生的能量會用于自身所在的腔體的入口處的超臨界CO2的溫度及壓力的調整。懸臂中的氣體通過雙組分之間的熱交換，增大混合氣體溫降降幅，最終在收集環中，兩種工質出現兩相分離，在幾乎不需要水的冷凝器中完成了冷凝（condenser），被分別泵送至地熱熱儲和貯存罐中貯存。此處便完成了跨臨界CO2與有機朗肯循環的復合循環。

該系統設計模型見圖4，目標可概括為7個方面：

圖4 深巖玫瑰系統模型圖-Hassan Jafari建模

1）更加有效的熱交換；2）盡量提高進入動力系統工質的溫度，降低工質離開動力系統的溫度；3）流體作用于汽輪機可產生更大的推力；4）更有效的蒸發；5）可以實時調節輸出功率系統；6）更節約水資源；7）作為閉路系統更加環保安全，可用于傳導型和對流型的地熱系統。

經過基于流體極性和密度的初步篩選，丙烷、乙醇、異丁烷可以作為適合于該過程的第二種有機工質，具體的工質選用及流量依據熱源溫度和CO2流量進行設計和優化。按照相變焓進行估算，一定流量的丙烷可因sc CO2沸騰而全部變為蒸汽[10]。另一方面，雙組分工質增大了流經系統的氣體流量；軸流式汽輪機在產生能量的同時降低了氣流的流速，有助于提升凱瑟琳輪的噴氣式發動機的整體的推進效率[11]，進而提高凱瑟琳輪熱動力轉化的效率。雙組分蒸汽氣體亦能提高朗肯循環的效率[12]。因此在該系統中，朗肯循環與CO2跨臨界循環都出現了有助于彼此效率提升的現象。實驗室階段的小型深巖玫瑰熱動力系統示意圖見圖5。超臨界CO2在絕熱加壓減壓時，溫度隨著等焓線變化見圖6。

圖5 實驗室階段的小型深巖玫瑰熱動力系統 折剖面圖

圖6 超臨界CO2在絕熱加壓減壓時，溫度隨著等焓線變化

2 現階段未解決問題：

目前還存在以下6個方面的問題，有待進一步研究解決：

（1）sc CO2在熱儲中的行為(溫度、壓力、流場)是否能做到完全受控，并與地震監測相結合？

（2）sc CO2自降溫對混合氣體溫度影響的強度區間；

（3）如何確保雙組分的工質蒸發/氣化的完全，不會損壞汽輪機？

（4）懸臂內部，雙組分的工質是否會冷凝？在收集環中，雙組分氣體是否會自動分離，是否需要額外的冷卻塔或冷卻設備？

（5）兩種工質的混合是否會改變各組分的沸點和/或臨界點？

（6）系統的理論與實際效率。

3 結論

深巖地熱發電的研究仍處在剛起步階段，但該裝置已經顯著提高了有機朗肯循環-跨臨界CO2復合循環的系統效率，其中提升效率的關鍵點包括：

（1）通過分別調節雙組分工質的溫度與壓力，增加了進入汽輪機的氣流溫度。

（2）利用超臨界CO2的自冷卻效應降低氣流離開汽輪機組的溫度，并使得汽輪機組出口溫度盡可能地低；最大程度地將流體的內能、動能與勢能轉化為熱動力系統的機械能使用雙組分蒸汽提升系統的有機朗肯循環的效率；增大了反動式汽輪機的推力。

（4）通過調整雙組分工質的壓力、流量和溫度，讓該系統原型機能夠適應不同的地熱熱儲的環境，更加具有普適性。

地熱成井的成本占整個地熱工程總成本的50%以上[13]。因此，通過提高中低溫地熱發電系統終端的效率降低發電系統對熱源最低溫度的要求，減少地熱鉆井的最小深度，從而有力地增強該類型工程地熱系統的的可行性，有助于在浙江省盡早實現真正的地熱發電，助推我國CO2減排與新能源的開發利用。

[1] 姚興佳 劉國喜 朱家玲 等人 《可再生能源及發電技術》P410 ISBN 978-7-03-027952-1

[2] Technology Roadmap Geothermal Heat and Power. International Energy Agency

[3] 郝召劍 關于山西地熱資源開發利用的研究 山西建筑 第41卷 第5期

[4] 浙江省地熱資源及其開發前景 陳維君 物探與化探 第21卷第3期，1997年6月

[5] Souheil et al. Laser Enhanced Drilling for Subsurface EGS Application.Lawrence Livermore National Laboratory. GRC Transaction Vol. 36,2012

[6] Mario Magliocco, et al. Laboratory Investigation of Supercritical CO2 Use in Geothermal Systems, University of California, Berkeley. Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Feb. 11-13, 2013

[7] William E. Lear, et al. Weight Optimization of Active Thermal Management Using a Novel Heat Pump. Contract number 4507460; Award Number NAG3-2630

[8] Karsten Pruess, Enhanced geothermal systems (EGS) using CO2 as working fluid- A novel approach for generating renewable energy with simultaneous sequestration of carbon. Geothermics 35 (2006) 351-367

[9] 來自項目組專家趙國斌、黃宓蘭口述，及大連卓爾高科技有限公司網站 www.joel.cn

[10] 與項目組專家黃宓蘭通訊信息，2016年6月

[11] 王云 《航空發動機原理》北京航空航天大學出版社 2009年3月 P77 ISBN 978-7-81124-557-8

[12] B H Kahn, 2nd Edition, Non-Conventional Energy Resources. ISBN 978-7-302-23271-1

[13] P. P. Woskov, Reaching Underground Resources- No drilling Required.24, Energy Futures, MIT Energy Initiative, Spring 2012