槽式太陽能與地熱能聯合運行系統設計

■ 仲旻 黃秀勇 王瑞林 王登文

(1. 南京南瑞太陽能科技有限公司；2. 江蘇省太陽能技術重點實驗室(東南大學)；3. 南京帕偌特太陽能有限公司)

0 引言

太陽能發電和地熱發電都屬于可再生的清潔能源發電，但都存在各自較為明顯的缺陷。太陽能聚光成本較高，發電量受輻射強度不穩定的限制；而地熱能發電成本較低，發電量最高溫度的限制，且效率不高。研究人員對太陽能與地熱能的綜合利用做了許多研究，如：郭長城等[1]總結了太陽能-地源熱泵系統應用與建筑溫室、沼氣工程領域的研究歷程及各種技術的發展；胡曉微等[2]提出的綜合利用太陽能與地熱能的采暖空調系統將節能、安全、環保等優點集于一身，具有開發利用的現實意義和巨大的市場潛能；鄭宋平等[3]提出了一種新穎的太陽能與地熱能結合利用的吸收式制冷與供熱系統，使制冷工況的熱機子循環溫差增大，熱泵子循環溫差減小。但是，鮮有學者對綜合利用太陽能和地熱能進行熱發電做過研究。

本文旨在對太陽能聯合地熱能發電研究做出嘗試，希望為以后的研究提供參考。對于地熱能，引入一種高品位的能源作為其頂部循環，可大幅提高其熱效率和電力產出；對太陽能而言，一個穩定底部循環的參與將在一定程度上穩定其出力，提高其發電穩定性，如果該底部循環的電力成本較低，對降低其總體成本亦有益。所以，太陽能和地熱能循環耦合使太陽能地熱能聯合循環成為一種有效利用可再生能源的方法，同時也是能量梯級利用原則的體現。此外，我國西藏地區同時擁有高品質的地熱資源和太陽能資源，但傳統化石能源儲量有限，并且交通運輸條件有限，該地區發展太陽能地熱能聯合循環電站是因地制宜合理利用資源的明智選擇，同時也是穩定邊疆、推進邊疆經濟和維護社會穩定的利民之舉。

1 槽式太陽能熱發電和地熱雙循環發電技術

1.1 槽式太陽能熱發電技術

槽式太陽能熱發電系統全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，其工作過程為：在跟蹤控制系統的作用下，槽式拋物反射鏡將太陽輻射能聚焦于安裝有真空集熱管的焦線處，加熱集熱管內部的傳熱載體。受熱后的高溫傳熱載體加熱工質，接著高溫高壓的工質進入汽輪機中膨脹做功，完成發電[4]。這樣的熱發電系統稱為雙回路加熱系統，主要由聚光集熱子系統、蓄熱子系統、二次換熱系統和動力發電子系統等子系統構成。

1.1.1 聚光集熱子系統

聚光集熱子系統主要由聚光器、集熱器和跟蹤裝置組成。

聚光器把低密度的太陽能輻射聚焦集中成高能量密度光束的裝置。反射鏡將入射的太陽光全部反射到聚光器的焦線處，即集熱管線處。槽式太陽能主要使用的集熱器為直通式金屬－玻璃真空集熱管，見圖1。真空集熱管是一根表面帶有選擇性吸收涂層的金屬管，外面套有一根抽真空的玻璃管，兩端采用金屬波紋管，可伐合金及法蘭將玻璃管和金屬管相連。

圖1 真空集熱管結構圖

對于槽式太陽能熱發電技術來說，聚光集熱器及時跟蹤太陽，使入射光和拋物面光軸平行，保證陽光能夠很好地聚焦于集熱管線處，對于提高太陽能利用效率有很大意義。對于槽式熱發電系統來說，單軸跟蹤系統是更加合適的一種選擇[5]。

1.1.2 蓄熱子系統

蓄熱子系統是太陽能熱發電系統中重要的組成部分，對于保證槽式太陽能熱電站在云遮天氣時穩定出力有著重要作用，對于夜間和陰雨天則需借助于輔助能源系統。一般的蓄熱方式主要有顯熱蓄熱、相變蓄熱和化學蓄熱3種方式[6]。

顯熱蓄熱是利用材料升溫吸熱、降溫放熱的原理實現系統的蓄熱和放熱。槽式太陽能熱發電系統的蓄熱系統一般有兩種布置形式：直接蓄熱和間接蓄熱。相變蓄熱的蓄熱原理主要是物質在相變過程中會吸收或釋放相變潛熱。化學蓄熱的指導思想是利用可逆化學反應實現熱能與化學能的轉換，進而達到蓄熱作用。化學蓄熱優點較多，蓄熱密度大、蓄熱時間長、便于輸運；但也存在明顯的缺陷，如技術復雜、投資較大等。現階段化學蓄熱仍處于實驗室階段。

1.1.3 換熱子系統

在雙回路系統中，從太陽能集熱管處吸收熱量的合成油會在換熱系統中把吸收來的熱量傳給工質。換熱子系統的布置會根據系統要求進行調節，一般有預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器幾種，另外還配有加壓泵和膨脹箱保證導熱油按照要求穩定流動。

1.1.4 動力發電子系統

太陽能熱發電系統中的動力發電子系統同傳統火電廠的動力發電子系統類似，也是由汽輪機、凝汽器、給水泵等一系列裝置組成，具體進口參數可根據聚光集熱器的參數來選擇。同時，也可采用其他的如卡琳娜循環、有機郎肯循環等新型循環作為動力發電子系統的主要循環。

1.2 地熱發電技術

1.2.1 干蒸汽發電系統

干蒸汽發電就是把地熱蒸汽直接從地熱井中引入到汽輪機中進行發電的技術。具體工作流程為：從生產井中引出的地熱蒸汽進入分離器剔除掉巖屑和水蒸汽后進入汽輪機膨脹做功，帶動發電機發電。為防止地熱井塌陷和保證地熱井出水的穩定，做功后的乏汽和從分離器分離出來的水滴一道進入回灌井完成回灌。

干蒸汽發電系統裝置相對比較簡單，熱效率約為10%～15%，廠用電效率約為 12%。對于地熱井的出口參數要求較高[7]。

1.2.2 擴容蒸汽發電系統

擴容蒸汽發電系統也是把地熱井中工質直接引入膨脹機中進行發電的一種技術，但是它針對的工質不是干蒸汽，而是指地熱熱水或干度較低的地熱混合蒸汽。工作流程和原理為：將地熱井出口的熱水引入壓力較低的密閉容器中降壓擴容(壓力應低于出口熱水溫度所對應的飽和壓力)，使熱水迅速沸騰變成蒸汽，然后將該蒸汽引入汽輪機進行做功。做功后的廢水和閃蒸過程中的鹵水會混合并回灌回地熱井。

1.2.3 中間介質地熱水發電系統

中間介質法地熱水發電系統與上面兩種發電方法間最大的不同就是地熱水不會直接引入膨脹機中進行做功，而是用來加熱另外一種工質，而把這種工質引入汽機發電。一般來說都會選擇加熱一種較低沸點的有機工質來進行加熱。中間介質法同樣也可分為單級中間介質法和雙(多)級中間介質法。多級中間介質法類似于傳統火電廠中再熱裝置，將做一部分功的工質重新引入換熱器吸熱，然后再進行做功。

單機中間介質法系統較多級也簡單，但是熱效率和做功量都更低，熱效率比起雙級也是低了約 20%。中間介質法由于采用沸點較低的有機工質進行做功，所以在溫度較低的時候仍能夠保持一定的效率，比較適合于約100 ℃的地熱水進行發電。但是中間介質法的有機工質一般都對環境有害，所以對整個裝置的氣密性有相當高的要求。

2 聯合循環的形式

太陽能熱發電采用技術較成熟的槽式太陽能熱發電方式。地熱能形式有干蒸汽、閃蒸和雙工質循環3種。考慮到我國最多的是中溫和中低溫地熱能，故不考慮干蒸汽形式；因閃蒸的循環壓力受到出口溫度的限制和提高工質參數的設備復雜度較雙工質更大，故地熱能循環將會采用雙工質循環。

3 系統設計

3.1 朗肯循環系統設計

基于朗肯循環設計的聯合運行系統是以田素樂[9]30 MW槽式太陽能為原型改造而成，系統模型如圖2所示。

圖2 朗肯循環聯合運行系統示意圖

系統中，槽式太陽能和地熱能都采用雙循環模式。太陽能子系統由太陽能鏡場、導熱油HTF、膨脹箱、泵和各級換熱器組成。太陽能鏡場將太陽能的熱量傳給導熱油，導熱油再進入膨脹箱，一部分導熱油用來加熱再熱器，另一部分導熱油沿途經過過熱器、蒸汽發生器和預熱器，兩股導熱油在換熱完成后匯合重新進入太陽能鏡場重新受熱完成循環。

地熱能供熱子系統比較簡單，地熱鹵水從地熱生產井引出后經泵加壓進入加熱器，加熱器加熱冷凝水到預定參數，加熱完成后的鹵水被引入地熱回灌井完成回灌。

系統的動力子系統同傳統火電機組相似，主汽機進入高壓缸做功后進入再熱器加熱，重新加熱后進入低壓缸做功，做功完成后的乏汽在冷凝器中冷凝。冷凝器中排除的冷凝水在地熱預熱器中受熱，接著進入除氧器，除氧完成后加壓，經過1#、2#回熱器后升至預定參數，經過太陽能預熱器、蒸汽發生器和過熱器重新進入主蒸汽做功。

3.2 聯合循環同單一能源循環的比較

本文所涉及的聯合循環系統是從文獻[9]和文獻[10]中設計的槽式太陽能熱發電系統改造而來的。原系統同改造的系統出口參數等方面完全一致。為便于比較，表1列出原循環和單一循環系統的結果。

表1 聯合系統和原系統運算結果比較

從中我們可以看出，原系統的熱效率比起聯合系統來更高，因為地熱加熱器替代了原系統中的回熱加熱器，地熱加熱器的效用相當于一個簡單的預熱器，自然會降低整個系統的效率。但是地熱加熱器的加入明顯提高了電力產量，根據西藏地區的自然條件，以及初始條件汽輪機機組功率30 MW和地熱鹵水溫度150 ℃計算，約提高了8.9%。

原有的太陽能系統如果達成同樣目的，只能采用兩種措施：1)提高入口參數，但由于槽式太陽能自身的溫限，提高入口參數的方式比較有限；2)增大汽耗量，增大供熱量，這也就意味著更大的太陽能鏡場面積，但由于太陽能鏡場高昂的成本，這一措施顯然是比較不經濟的。

滲透檢測:利用毛細現象，通過滲透劑覆蓋在試件表面來顯示放大缺陷痕跡。滲透檢測設備簡單、攜帶方便、適合野外工作，適用于陶瓷、玻璃、塑料、粉末煉金等各種材料制造的零部件表面開口缺陷的檢測。

從該例中我們可看出，太陽能的引入對于提高地熱電站熱效率的重大意義。地熱電站自身由于受到溫限的限制，就算采用在低溫條件下效率較高的有機朗肯循環，效率仍然較低，但是在引入太陽能循環后，地熱能自身熱量得到了更好的利用，這一點上凸顯了聯合循環相較于單一循環電站的優勢所在。

4 卡琳娜循環系統

4.1 卡琳娜循環簡介

卡琳娜循環是俄裔美國人Alexander I. Kalina于80年代中期提出的，相較于傳統的朗肯循環，該循環沒有采用單一工質作為循環工質，而是采用了水氨混合物作為整個循環的工質。水氨混合物工質同以往單一工質最大區別為變溫吸熱和變溫放熱。相較于傳統的朗肯循環，變溫吸熱可有效降低傳熱溫差，減少可用能損失，這一點是卡琳娜循環最大優勢。

采用混合工質的卡琳娜循環可有效減少吸熱過程的可用能損失[11]，但由于混合工質的放熱過程亦是一個變溫過程，要使混合工質在大氣溫度下完全冷凝為液體，汽輪機的排氣溫度就會很高，造成冷凝過程的火用損極大，兩相比較下往往得不償失。

卡琳娜最重要的貢獻便是成功解決了混合工質動力循環在冷凝過程中過大的可用能損失的問題。以最基本的一級蒸餾卡琳娜循環為例。

如圖3所示，以比例為50:50的氨水混合比為例，為保證輸出功足夠，要使混合物在 58.7 kPa下自然冷凝，則需要大氣溫度為-17 ℃，這自然不可能達到。若提高背壓，則明顯會增大損。卡琳娜采用回熱蒸溜措施解決了該問題。透平T排氣首先經11-12在回熱器R處降溫。然后經2在噴淋吸收器中同分餾器D重分流出的富水溶液混合成氨水比為1:3的基本溶液，該基本溶液泡點為21 ℃，在常溫下可完全冷凝，基本容易在低壓冷凝器LC完全冷凝后進入低壓泵15升壓，升壓后的溶液泡點升高，經3同分餾器D中經6分離出來的富氨蒸汽混合后重新成為1:1的正常工質，而該工質因壓力足夠高而可在常溫下完全冷凝。混合后工質經4進入高壓冷凝器HC繼續冷凝，之后在泵8升壓到工作壓力進入鍋爐B中經9-10受熱。分餾器中的溶液來源于升壓后的基本成分，應該注意的是，基本成分的流量比起鍋爐中的工質流量要大，根據質量守恒，本例中的基本工質流量約為鍋爐流量的2.7倍。這樣的冷凝方式氣態線上看比較平坦，可很好地減少排熱過程的損失。

圖3 Kalinan 循環示意圖

作為燃氣輪機底部循環時，卡琳娜循環的效率是傳統循環的1.16倍，熱效率可提高約1.3～1.6倍[8]。在熱源溫度為400～550 ℃時，卡琳娜循環的熱經濟性都要高于朗肯循環，熱效率至少可以提高3%[4]。同朗肯循環相比，卡琳娜循環的換熱器、泵等設備在結構工藝上相差不大。又因為水和氨的相對分子質量區別也很小，所以在汽輪機設計上也比較接近。所以，在熱力系統設計中，設備自身并不存在技術問題[12]。冰島的Husavfk地熱電站采用卡琳娜循環，而所有的器件都采用標準件，這一點便是卡琳娜循環設備通用性好的例證。

雖然卡琳娜循環有著諸多優點，但在其運行中仍有需注意的地方。首先，氨是有毒物質，需在運行中保證密封，由于氨是有異味的物質，故氨氣泄漏可很快被發現，這一點對于運行的影響不會很大。氨對于材料有一定的腐蝕性，為了防止這一點，可行的一個方式是使鋼材在500～540 ℃的情況下氨化。在較高溫度下，氨氣可能會分解出不凝氣體，這一點需要注意，但是在實際運行中，這一點并沒有得到驗證[13]。

4.2 卡琳娜循環系統設計

為便于同郎肯循環比對，參考了文獻[11]中數據，確定了卡琳娜循環進出口參數。為便于計算，卡琳娜循環的分餾冷凝系統采用最為簡單的一級蒸餾式的卡琳娜循環，不考慮再熱機組。水氨混合物的物性參數由軟件reprop8.0計算獲得。聯合運行系統如圖4所示。

圖4 卡琳娜循環聯合運行系統設計

以卡琳娜循環為聯合電站系統的動力循環重新設計了整套系統，并針對系統進行了計算。從計算結果中我們可看出，卡琳娜循環的循環效率較朗肯循環的循環效率要高出2.4%，整體的全廠效率高出了 0.94%。僅從本算例分析，卡琳娜循環的循環效率明顯較高，但是全廠效率比起朗肯循環并無特別明顯的優勢。不過考慮到本次計算中為了簡化計算，卡琳娜循環未采用回熱加熱器，也僅采用了單級分餾冷凝裝置，所以，卡琳娜循環在效率上還有一定提升空間。總體來說，卡琳娜循環在效率上優勢更大。

在成本上比較兩個循環，卡琳娜循環中，地熱能處供熱量占整體供熱量的16.1%，而朗肯循環的吸熱量占11.3%。這說明卡琳娜循環能更好地利用較低品位的熱源，這主要歸功于混合工質的變溫吸熱對傳熱溫差的有效減少。由于吸收了更多地熱能的熱量，相應太陽能處吸熱量也可降低，這可很大程度上減少太陽能鏡場面積，減少聚光集熱器的數量。從這一點可很好地降低成本。當然，卡琳娜循環的冷凝設備較為復雜，裝置可能需另外設計(可能性不大)等問題都會額外增加成本，所以在成本問題上，卡琳娜循環聯合系統并不一定有太多優勢。

從上述一些比較中可看到，同朗肯循環的聯合運行系統相比，卡琳娜循環具有一定的優勢。但是，卡琳娜循環從上世紀80年代才開始提出，至今沒有能夠大規模應用，針對該循環足夠的運行等其他方面的經驗較為短缺，所以，建設卡琳娜循環為主的聯合循環電站需要謹慎考慮。

5 總結

針對槽式太陽能熱發電技術成本較高、不能連續穩定發電和地熱能發電效率較低的缺陷，對原有的槽式太陽能熱發電系統進行了改進，設計出了槽式太陽能和地熱能聯合運行的發電系統，并針對新的聯合發電系統進行了熱力計算。具體工作主要有：

1)在原有 30 MW 的槽式太陽能熱發電系統基礎上，建立了槽式太陽能和地熱能聯合運行發電系統。針對該系統進行了熱力學計算，確立了循環熱效率，一、二級加熱器和除氧器的抽汽份額等參數。對聯合系統的太陽能加熱回路和地熱能回路進行了計算，得到了太陽能集熱場面積、導熱油流量；地熱能的進出口參數和鹵水流量等參數。

2)取同聯合系統同樣參數，另外進行了地熱能發電站的系統計算和槽式太陽能發電站的補充計算。分析比較了聯合電站和兩個單獨運行電站的優缺點，得出聯合電站可更加有效地利用地熱能的熱量、增大槽式太陽能電站的出力，同時基本不影響槽式太陽能熱電站的熱效率的結論，證明了聯合電站的優越性。

3)提出了新的以卡琳娜循環為基礎的聯合循環系統，并完成了相關熱力計算和系統計算。通過對比卡琳娜循環系統和朗肯循環系統，得到了卡琳娜循環聯合系統在效率上更高，可更好地利用低溫地熱能資源的結論。同時也提到了卡琳娜循環運行經驗不足，工質具有腐蝕性且有毒等可能增加運行成本的危害。

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