大容量地熱有機朗肯循環發電機組配置研究

高亭亭，尤清華，王春民，高 嵩

(1. 北京電力設備總廠有限公司，北京 102401；2. 中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

地熱發電是地熱能利用的重要方式之一。20世紀70年代，我國在廣東豐城建立了第一座地熱電站，發電功率僅0.1 MW[1]，之后又在西藏羊八井、西藏羊易、云南瑞麗、河北獻縣等地建設了地熱電站[2-3]。目前，我國地熱發電裝機容量仍不足70 MW，地熱發電裝機容量較小，技術發展緩慢，尚不能滿足可再生能源多樣化、平衡發展的要求。

有機朗肯循環(organic rankine cycle，ORC)發電系統熱源溫度最低可達80 ℃[4]，能更有效地利用80～200 ℃的地熱資源。ORC地熱發電系統利用地下熱水的熱量來加熱有機工質，使液態有機工質變為蒸汽，推動透平做功，由透平帶動發電機發電。ORC發電系統地熱發電系統主要設備包括預熱器、蒸發器、透平、發電機、回熱器、冷凝器及工質泵等，與常規火力發電相比，以地熱資源作為熱源，不需要設置龐大的鍋爐系統，系統構成簡單、布置緊湊。

本文以某地熱電站二期項目為例，通過對地熱資源品質分析，建立17.6 MW大容量ORC發電系統模型，對發電機組配置進行了研究，并對系統性能進行了預測分析。

1 項目概況

根據一期項目資料顯示，地熱井出口熱源為汽水混合物，共有1號及2號兩口地熱井，1號井口流體溫度最高可達159.3 ℃，壓力為0.58 MPa，2號井口流體溫度最高可達173.5 ℃，壓力為0.96 MPa，每口井可產地熱水431.35 t/h及地熱蒸汽40.8 t/h。井口出來的地熱流體首先進入汽水分離器，分離出的蒸汽和熱水分別通過廠外蒸汽母管和熱水母管送至廠區。廠區內ORC地熱發電系統流程如圖1所示，進入廠區內地熱流體設計溫度為143.3 ℃，設計壓力為0.4 MPa，地熱蒸汽及地熱水接至ORC地熱發電機組蒸發器與有機工質進行首次換熱。凝結后的地熱蒸汽經凝結水泵升壓并與換熱后的地熱水混合，進入預熱器與有機工質進行二次換熱，隨后進入地熱尾水回灌系統。

圖1 ORC地熱發電機組工藝流程

2 熱力系統計算

2.1 有機工質篩選

在ORC發電系統中，有機工質選擇是最重要的環節之一，有機工質的性質對熱源回收效率及系統設備選型有決定性作用[5]。有機工質選擇一般要考慮安全性、環保性、熱力循環特性三個方面。

1)安全性。一般來說，無毒且不可燃的有機工質是最好的，但完全符合條件的工質較少。在密封較好的條件下，可接受使用可燃工質，但具有毒性的工質是不可接受的[6]。

2)環保性。選用臭氧耗損潛值(ozone depletion potential，ODP)為0，全球變暖潛值(global warming potential，GWP)較小的工質。

3)熱力循環特性。主要考慮有機工質干濕性、臨界點、汽化潛熱等特性。根據工質在T-S圖中飽和蒸汽線的形狀，依照dT/dS值工質分為三類：干工質(dT/dS＞0)、濕工質(dT/dS＜0)和絕熱工質(dT/dS→±∞)。對于不采用過熱的ORC系統，為避免透平出現水擊現象，應使用干工質或絕熱工質。為防止有機工質凝結及保證循環過程能夠實現，工質熔點要低于ORC系統最低工作溫度，工質臨界溫度要高于冷凝溫度；為避免空氣進入到冷凝器中，工質冷凝壓力要大于10 kPa。在蒸發溫度及冷凝溫度一定的條件下，有機工質汽化潛熱越大，相變過程中吸收的熱量越多，透平輸出功越大；有機工質密度越大，輸出相同功率所需體積流量越小，設備尺寸也相應減小。要選擇汽化潛熱大、密度大的工質。

初步選出正戊烷、正己烷、異戊烷三種工質為研究對象，它們均為汽化潛熱大、密度大、無毒干工質，對臭氧層無破壞性，對全球變暖影響較小。

2.2 系統熱力計算模型

ORC系統工作過程與傳統水蒸氣朗肯循環工作過程相似，圖2所示為有機工質實際變化過程。點1、點2分別代表蒸發器出口、汽輪機出口有機工質狀態參數，點2'表示工質在絕熱膨脹過程中的理想狀態終點參數，1—2為飽和蒸汽在透平中實際做功的過程；點3'表示回熱器熱側出口有機工質狀態參數，2—3'為乏汽在回熱器中預冷過程；點3、點4分別表示冷凝壓力下有機工質飽和汽、飽和液參數，點5表示冷凝器出口有機工質狀態參數，3—5為乏汽在冷凝器中凝結過程；點6表示工質泵出口有機工質狀態參數，5—6為液態工質經工質泵升壓過程；點7、點8分別表示回熱器冷側出口及預熱器出口有機工質狀態參數，6—7為液態有機工質在回熱器中吸收乏汽熱量的過程，7—8為液態工質在預熱器中加熱過程；點9表示蒸發壓力下有機工質飽和液參數，8—1為液態工質在蒸發器中等壓吸熱成為飽和蒸汽的過程。

圖2 ORC系統T-S圖

系統計算模型如下：

1)工質流量：

式中：mI為工質質量流量，kg/s；Wwf為透平輸出功率，kW；ηis為透平等熵效率與機械效率乘積；h1、h2分別為透平進出口工質焓值，kJ/kg。

2)回熱器換熱量：

式中：Qrx為工質泵出口液態工質在回熱器中吸熱量，kW；Qrf為透平出口乏汽在回熱器中放熱量，kW；h6、h7分別為回熱器冷側進出口工質焓值，kJ/kg；h2、h3'分別為回熱器熱側進出口工質焓值，kJ/kg。

3)預熱器換熱量：

式中：Qpx為工質在預熱器中吸熱量，kW；h7、h8分別為預熱器工質側進出口工質焓值，kJ/kg。

4)蒸發器換熱量：

式中：Qex為工質在蒸發器中吸熱量，kW；h8、h1分別為蒸發器工質側進出口工質焓值，kJ/kg。

5)冷凝器換熱量：

式中：Qcf為工質在冷凝器中放熱量，kW；h3'、h5分別為冷凝器進出口工質焓值，kJ/kg。

6)工質泵功耗：

式中：Wp為工質泵功耗，kW；h6、h5分別為工質泵進出口工質焓值，kJ/kg；ηp為工質泵效率。

7)冷卻內機功耗：

式中：ma為冷卻內量，m3/s；ρ為內機入口空氣密度，kg/m3；Wa為冷卻內機功耗，kW；k為電機儲備系數，取1.1；Pa為內機全壓，Pa；ha、ha'分別為透平進出口工質焓值，kJ/kg；η0為內機內效率；η1為內機機械效率；η2為電動機效率。

8)系統循環熱效率：ORC系統動力循環熱效率是衡量地熱能利用和轉換效益的重要指標，熱效率等于ORC系統凈輸出功率與有機工質從熱源中實際吸收的熱量的比值。

式中：ηth為系統循環熱效率。

2.3 有機工質熱力循環特性計算

參考當地冷源、熱源條件及項目一期設計參數，在蒸發溫度127.2 ℃，冷凝溫度24.4 ℃，汽輪機額定發電功率8.8 MW的條件下，根據2.2節熱力系統計算模型，對初選的三種工質熱力學循環特性進行計算，設計條件下計算結果見表1。

表1 工質熱力學循環特性表

由表1可知，采用正戊烷作為有機工質時循環熱效率最小，采用正已烷與異戊烷作為有機工質熱效率相差不大，但異戊烷體積流量遠小于正已烷。綜合考慮各方面因素，確定采用異戊烷作為有機工質。

3 設備配置選型

3.1 預熱器和蒸發器

ORC系統常用換熱器有管殼式和板式兩種[5]。管殼式與板式換熱器相比，換熱系數小且占地面積大，但是由于具有容量大、泄漏少等優點，因此更適合該電站工質情況。

液態有機工質先后在預熱器和蒸發器內吸收熱量，最終轉換成為飽和蒸汽。預熱器和蒸發器全部采用管殼式，機組共配置1臺有效換熱面積為3 192.9 m2的蒸發器和2臺有效換熱面積為2 881 m2的預熱器。

3.2 透平

透平的主要作用是將有機工質蒸汽的內能轉換為機械能，是ORC系統的核心設備，主要有螺桿式、軸流式、徑流式等形式。螺桿式透平屬于容積型透平，一般功率較小，適用于小型ORC系統；徑流式和軸流式屬于速度型透平，流量及輸出功率大于容積式透平，其中，軸流式透平輸出功率最大。由于有機工質本身可能存在易燃易爆(烷烴類)、有毒、對環境有害等特點，有機工質透平對密封系統的要求更加苛刻[7]。

系統采用二拖一的方案，選用2臺臥式軸流式透平同軸驅動1臺發電機，透平額定功率8.8 MW，額定轉速1 500 r/min，設計進口壓力1.245 MPa，出口壓力0.094 MPa，采用雙端面機械密封的方式。

3.3 發電機

發電機是將機械能轉換為電能的設備，設計選型需滿足透平在不同工況下運行。為保證透平機械能全部傳遞給發電機,不會因產生剩余機械能產生超速，一般發電機功率要大于透平功率。

選用1臺額定功率24 MW的發電機，額定電壓6.3 kV，額定頻率50 Hz。

3.4 回熱器

工質泵出口液態工質在進預熱器之前，先通過回熱器吸收自身在乏汽狀態時放出的熱量。機組共配置2臺有效換熱面積為1 600 m2的管殼式回熱器。

3.5 冷凝器

項目所在地夏季月均最高溫度不超過13 ℃，當地水資源嚴重短缺，適合采用直接空冷的冷卻方式。機組設計室外氣溫0℃，機組發電負荷主要取決于室外氣溫情況。空冷冷凝器采用不銹鋼管加鋁翅片管，5排管布置，共分為28個帶內機的換熱單元，總換熱面積為187 590 m2。

3.6 工質泵

工質泵是ORC系統中提升壓力的設備，ORC系統中常用的有葉片式離心泵、軸流泵和容積式隔膜泵等幾種形式。隔膜泵結構較復雜，體積大，造價高；離心泵和軸流泵結構簡單，造價低，離心泵適用于小流量、大揚程的場合；軸流泵適用于大流量、小揚程的場合，可將軸流泵做成多級形式以提高揚程。為適應電廠變負荷運行的情況，工質泵一般需采用變頻控制。

選用4臺立式軸流透平泵，流量為6.77 m3/min，揚程為293.8 m，額定轉速為1 490 r/min，額定功率為355 kW，級數為14級。

4 系統性能分析

本項目ORC系統采用直接空冷的冷卻方式，可使發電廠節約80%的用水[8]。軸流透平額定發電功率高于其他形式透平發電功率，表2列出了不同形式透平在地熱發電項目中的應用情況，單臺軸流透平額定功率8.8 MW，系統采用2臺透平同軸驅動1臺發電機的方式，機組發電功率高達17.6 MW，容量高于目前國內其他地熱發電機組。

表2 不同形式透平在地熱電站中應用情況表

表3中列出了項目所在地每月平均氣溫情況[9]及對應環境溫度下現場運行數據預測值。圖3顯示了ORC系統循環熱效率隨不同月份環境溫度變化的情況。可以看出，系統發電功率及循環熱效率隨環境溫度升高而減小。ORC系統設計環境溫度0 ℃，總發電功率17.6 MW。室外溫度大于0 ℃時，最小發電功率為12.31 MW，熱效率能保持在12.66%以上。當室外溫度小于0 ℃時，機組可滿負荷運行，最高發電功率可達19 MW以上，循環熱效率最高可達15.29%。電站年發電量可達12 573萬kWh。

圖3 不同月份ORC系統循環熱效率變化圖

表3 運行情況預測數據表

5 結語

本文針對某地熱電站二期項目，通過建立大容量ORC發電機組熱力系統計算模型的方法，對機組進行了系統配置及性能預測研究，結果表明，系統采用異戊烷作為有機工質綜合性能最好，系統發電功率及循環熱效率隨環境溫度升高而減小，最高發電功率可達19 MW以上，發電機組裝機容量高于目前國內其他地熱發電機組，可以在一定程度上改善我國地熱發電裝機容量小的現狀。