雙循環地熱發電系統淺析

李翔

（河北省煤田地質局第二地質隊，河北 邢臺 054000）

0 引言

現今，隨著經濟社會的不斷發展，世界能源危機和環境問題日益嚴峻，開發儲藏量大且環境友好的新型替代能源逐漸受到各國政府和科學家的重視。地熱資源以其極高的清潔性、運行穩定性和空間分布廣泛性已成為世界各國重點研究和開發的新型清潔能源，并且逐漸被應用到了發電技術中。地熱發電技術可分為很多種，其中雙循環地熱發電系統可以降低地熱發電的能源利用溫度，提高地熱發電資源總量，具有很好發展潛力。

1 雙循環地熱發電系統

目前在地熱發電中最為常見的技術就是雙循環地熱發電系統，該系統是通過對地下熱水的利用，實現對某種低沸點工質的加熱，并進入汽輪機中工作的地熱發電系統。此類循環系統的出現成為了較閃蒸地熱發電系統更加完善的循環系統[1]。該系統在地面上采用深井泵抽取地下熱水到蒸發器中后，通過換熱實現對某一沸點較低的介質的加熱，使低沸點工質蒸發，然后進入汽輪機，為汽輪機工作提供動力并轉化為電能。汽輪機釋放出的乏汽通過冷凝器的冷凝作用轉變為液體，然后借助工質泵再次回到蒸發器進行二次加熱，進而實現循環利用。為了實現對地熱水余熱的充分利用，地熱水在蒸發器中排出后，會先進入到預熱器中對來自冷凝器的低沸點工質液體進行預熱，提升其溫度，直到與蒸發器內飽和工質的溫度接近后再進入蒸發器。想要避免地熱井中抽取的地熱水在輸送期間不閃蒸為蒸汽，并且溶解在水中的氣體不溢出，則管路中的熱水壓力要始終大于其溫度對應的飽和壓力[2]。

目前雙循環地熱發電系統按其應用原理可分為兩類循環系統：

1.1 有機朗肯循環

有機朗肯循環系統可以實現熱能-動能-電能的轉化，屬于典型的雙循環地熱發電系統之一，且其結構較為簡單，運行維護較為方便，具有良好的研究價值和市場潛力。有機朗肯循環的性能受選用工質的影響很大，工質類型、化學性能、物理性能、臨界值等因素都會直接影響有機朗肯循環的結構和運行條件。目前，有機朗肯循環多使用氯乙烷以及正戊烷等低沸點有機工質，在換熱工作中所采用的地熱流體和有機工質為中低溫型和低沸點型，后者在經過蒸發后能夠產生壓力較高的蒸汽，進而推動汽輪機工作產生電能[3]。

1.2 卡琳娜循環

卡琳娜循環所采用的工質為氨水混合物，其最大的特點是變溫相變，能夠減少傳熱過程中的不可逆損失，提高熱利用效率，因此在溫度較高的地熱資源中，可以提高余熱的利用率。卡琳娜循環有著與有機朗肯相似的循環過程，然而兩者有著如下區別：

（1）在熱源吸收熱量時，氨水混合物在還沒有完全沸騰的情況下，具有能夠與變熱源良好匹配的溫度，實現了對更多熱量的逆向傳遞。

（2）在冷源釋放熱量時，通過對混合工質成分濃度的改變，能夠減少“冷端”給混合工質帶來的影響，促進混合工質在低壓力下的完全冷凝。通過對比以上兩種循環系統能夠得知，采用卡琳娜循環系統進行循環能夠更好的匹配熱源，減少熱源的不可逆損失。但是其在制冷和回熱階段比有機朗肯循環系統對設備的要求更高，需要有更多的成本投入[4]。

2 雙循環地熱發電系統的優勢

相比閃蒸系統來說，雙循環地熱發電系統具有如下特點：

（1）由于所采用的工質沸點并不高，因此減壓擴容后的閃蒸系統能夠容納的蒸汽體積更小，而末級葉輪的大小和排氣管的大小，決定著需要采用的汽輪機的大小，而在雙循環地熱發電系統中使用的管道與排氣管十分接近，也無需過高的造價。

（2）地下熱水在蒸發器內與低沸點工質的換熱是間接的，熱力階段并沒有直接涉及到地熱水，所以地熱水在汽輪機內不會受到氣體雜質和固體雜質帶來的影響而出現腐蝕。

（3）對于不同化學類型的地下熱水都能夠適用。

（4）對于地下熱水的溫度要求不高[5]。

（5）一旦地熱排水在地下回灌，無法凝于水的氣體依然存在于熱水中，并且會一同在地下回灌，不會對地面大氣造成污染。由于地熱井中抽出的熱水會不斷回灌到地下，并保持壓力不變，因此并不會析出水中所包含的各類結垢，井管和管道系統間也不會產生結垢。

3 雙循環地熱發電系統的影響因素

3.1 蒸發溫度

循環工質在蒸發器中與熱源換熱，所能達到的最高溫度就是蒸發溫度。循環工質的熱效率與蒸發溫度的高低成正比，當蒸發溫度升高，循環系統的吸熱溫度也會升高，循環工質氣體的做功能力也越大，熱功轉化能力越強，循環工質的熱效率也會明顯上升。循環工質蒸發溫度的高低，不僅取決于蒸發器的結構、換熱方式、節點溫差的大小，還與熱源的溫度和形式（氣體或者液體）有關。

3.2 冷凝溫度

循環工質在冷凝器中由氣體凝結成液體的溫度就是冷凝溫度。循環工質的熱效率與冷凝溫度高低成反比，當冷凝溫度升高，循環系統的吸熱量減少，造成循環系統輸出的功率減少，從而循環工質的熱效率也會降低。同時，冷凝溫度限制了螺桿機的背壓，一定程度上決定了工質的最大膨脹比，從而間接影響了系統的做功能力。所以，選用較低的冷凝溫度能夠提高循環系統的熱效率。

3.3 膨脹比

循環工質氣體經過膨脹機，膨脹向外做功，將從熱源處回收的熱能轉化為機 械能。因此，膨脹機相當于低溫發電系統的“心臟”，它是整個熱力循環中不可或 缺的關鍵環節。膨脹比是指出膨脹機出口處工質氣體的體積，與膨脹機進口處工質氣體的體積之比。膨脹比代表了工質的膨脹做功能力，膨脹比越大，工質蒸汽膨脹的倍數越大，則所能輸出的機械功越多。

綜上，膨脹比是影響發電系統的一個重要因素。系統設計要努力做到蒸發溫度、冷凝溫度以及螺桿膨脹機膨脹比相互匹配，才能確保系統運行的穩定性，從而最大限度的發揮雙循環地熱發電系統的潛力。

4 雙循環地熱發電系統的發展趨勢

4.1 低沸點工質選擇

雙循環地熱發電系統的低沸點工質選擇十分重要，需要具備良好的熱傳導性能、良好的發電性能、適中的飽和壓力、穩定的化學性能、低廉的價格等要求。但是在實際應用中，同時滿足上述所有要求的低沸點工質是很少的，只能選擇在實際系統運行條件下各項性能相對較好的物質作為循環工質。目前常用的低沸點工質有異丁烷、正丁烷、氟里昂11、氟里昂114等。為了充分利用不同工質的不同優點，采用混合工質也是未來發展的一種選擇。

4.2 雙循環地熱發電系統小型化

我國中低溫地熱資源大多集中在偏遠地區，而該地區往往急需為人們的生產生活提供電能。因此，在未來發展中，不僅要保證電站的經濟性，并且需要為社會穩定和人們生活水平的提升提供保障[6]。以小型模塊化為目標，對中低溫雙循環地熱發電機組進行開發研究，以此來實現對人們需求的滿足，不僅能提升電站經濟性，而且有利于偏遠地區人們綜合素質的提升[7]。

4.3 雙循環地熱發電站(或是聯合循環發電電站)大型化

集中利用地熱資源相對來說可以節約投資成本，在一定程度上能夠彌補中低溫地熱資源低品位的不足，同時也符合國際上地熱電站大型化的發展方向。目前，在國際上，有機朗肯循環大型發電設備已廣泛應用于地熱源和工業余熱源[8]。

5 結語

雙循環地熱發電系統通過對地下熱水的利用，實現對某種低沸點工質的加熱，并進入汽輪機中工作的地熱發電系統。此類循環系統按其應用原理可分為有機朗肯循環和卡琳娜循環。雙循環地熱發電系統的影響因素主要有蒸發溫度、冷凝溫度、膨脹比等。系統設計要努力做到與蒸發溫度、冷凝溫度以及螺桿膨脹機膨脹比相互匹配，才能確保系統運行的穩定性，從而最大限度的發揮雙循環地熱發電系統的潛力。 在未來的發展中，我們要逐漸對雙循環地熱發電系統進行優化，對其低沸點工質選擇、雙循環地熱發電系統小型化及雙循環地熱發電站（或是聯合循環發電電站）大型化發展進行深入研究。