地熱電站凝汽器真空系統的技術經濟性分析

蔡正敏 章文英 劉俊 張立國

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務公司,北京 100101)

地熱電站凝汽器真空系統的技術經濟性分析

蔡正敏 章文英 劉俊 張立國

(中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程服務公司,北京 100101)

本文分析了真空系統對地熱電站高效運行的重要意義,介紹了射汽抽氣器及水環式真空泵兩類真空系統的工作原理,并基于肯尼亞某地熱井井口電站參數,對兩級抽氣器和兩級水環式真空泵的當量能耗進行了技術經濟性對比分析,給出了地熱電站真空系統優選建議,為真空系統的優化提供了科學依據。

地熱電站 抽氣器 水環式真空泵 技術經濟分析

1 引言

與火電相比，地熱電站的蒸汽中含有相對較多的不凝性氣體[1]，從汽輪機組排出的乏汽在凝汽器中凝結，蒸汽凝結成液體的過程中其體積減小幾千倍，在凝汽器中形成較大的真空，同時隨著蒸汽的凝結，不凝性氣體逐漸聚集，使得凝汽器真空度下降，這將明顯提高熱力循環的冷端溫度，從而降低地熱電廠的整體熱效率， 導致主蒸汽能源利用效率降低[2]。通常可以認為，凝汽器真空是由凝汽器建立，抽真空系統維持，特別是對于地熱電站而言，蒸汽中含有不凝性氣體含量相對較高，要依靠抽真空系統不斷將不凝結氣體抽出，才能保持凝汽器內的真空度[3]。凝汽器內壓力的建立是一個動態平衡過程，不管循環水溫度的高低，真空系統的抽吸壓力必須低于凝汽器的壓力，才能把凝汽器內的不凝結氣體抽走，抽真空系統作為地熱電站的主要輔助設備，其系統優化對于整個電站的初投資和運行維護費用產生直接影響[4]。本文將對地熱電站射汽抽氣器和水環式真空泵兩類系統的技術特點進行對比分析，在此基礎上，以肯尼亞某地熱井機組參數為基礎，對兩類不同技術方案的兩級真空系統能耗進行技術經濟性計算分析，以給出真空系統的優選建議。

2 射汽抽氣器及水環式真空泵的工作原理及技術特點

表1 肯尼亞某井口地熱電站兩級抽氣器參數

凝汽器真空維持系統總體上可分為兩大類，即被動式系統和主動式系統，被動式系統無需外界輸入能量，僅靠高壓蒸汽驅動，通常采用射汽(水)抽氣器[5]；主動式真空系統需要額外消耗電功率，通常采用不同形式的機械真空泵，地熱電站中常用水環式真空泵[6]。下面分別對兩類真空系統原理和技術特點進行對比分析。

2.1 射汽抽氣器

圖1給出了射汽抽氣器的原理結構示意圖及其工作過程中的壓力、速度變化曲線示意圖。抽氣器由高壓流體噴嘴、混合室、拉伐爾噴管組成，高壓驅動蒸汽進入噴嘴后壓力能轉換為動能，壓力降低，速度增加，高速氣流在混合室內對周圍的低壓蒸汽形成攜帶抽吸，在拉法爾噴管喉部之前的漸縮段，混合氣體仍加速，在喉部，混合氣體速度和壓力均保持恒定，到擴張段后，速度降低，動能轉換為壓力勢能。在地熱電站中，射汽抽氣器直接采用井口蒸汽作為高壓驅動蒸汽，無需泵等耗能裝置，但同時會導致進入汽輪機的蒸汽量減小。

2.2 水環式真空泵

水環式真空泵屬機械式真空泵，是帶有多葉片的轉子偏心裝在泵殼內，當它旋轉時，把液體拋向泵殼并形成與泵殼同心的水環，水環同轉子葉片形成了容積周期變化的旋轉變容真空泵。如圖2所示，在泵體中裝有適量的水作為工作液。當葉輪按圖中指示的方向順時針旋轉時，水被葉輪拋向四周，由于離心力的作用，水形成了一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環。水環的下部分內表面恰好與葉輪輪轂相切，水環的上部內表面剛好與葉片頂端接觸(實際上葉片在水環內有一定的插入深度)。此時葉輪輪轂與水環之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成葉片數目相等的若干個小腔。如果以葉輪的下部0°為起點，那么葉輪在旋轉前180°時小腔的容積由小變大，且與錐輪上的吸氣口相通，此時氣體被吸入，當吸氣終了時小腔則與吸氣口隔絕；當葉輪繼續旋轉時，小腔由大變小，使氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時，氣體便被排出泵外。水環式真空泵是靠泵腔容積的變化來實現吸氣、壓縮和排氣的，因此它屬于變容式真空泵。水環泵具有以下優點：(1)結構簡單，制造精度要求不高；(2)壓縮氣體基本上是等溫的，即壓縮氣體過程溫度變化很小；(3)由于泵腔內沒有金屬磨擦表面，無須對泵內進行潤滑，而且磨損很小；(4)轉動件和固定件之間的密封可直接由水封來完成；(5)吸氣均勻，工作平穩可靠，操作簡單，維修方便。

水環式真空泵也有其缺點，包括效率低，一般在30%左右，較好的可達50%。真空度低，這不僅是因為受到結構上的限制，更重要的是受工作液飽和蒸氣壓的限制，用水作工作液，極限壓強只能達到2～4kPa，但用油作工作液，可達130Pa。

3 射汽抽氣器及水環式真空泵的能耗對比分析

3.1 兩級射汽抽氣器組成的真空系統

針對肯尼亞某地熱井井口電站的機組參數，兩級射汽抽氣器真空系統的系統流程如圖3所示，運行參數如表1所示，該井口的高壓飽和蒸汽即驅動蒸汽的壓力為0.6MPa，兩級抽氣器消耗蒸汽量分別為500kg/h和800kg/h，共計消耗蒸汽量1300kg/h，根據機組汽耗率8.35kg/kWh，抽氣器耗氣量折合電功率為1300(kg/h)/8.35 (kg/kWh)=155.69kW。

3.2 兩級水環式真空泵組成的真空系統

根據圖3所示的系統參數，用兩級真空泵替代射汽抽氣器，兩級真空泵的能耗均按照公式1進行計算：

其中γ為不凝性氣體的比熱比，mg不凝性氣體的質量流速，Ru為氣體常數8.314 kJ/(kmol K)，Tcond為凝汽器內的溫度，ηvpump為真空泵的效率，Mgas為不凝性氣體的摩爾質量，Patm和Pcond分別為大氣壓力及凝汽器工作壓力。

(1)γ為CO2在凝汽器運行壓力6.2kPa下的比熱比，mg不凝性氣體的質量流速250kg/h，Ru為氣體常數8.314kJ/(kmol K)，Tcond為凝汽器內的溫度310K，ηvpump為真空泵的效率取0.4，Mgas為不凝性氣體的摩爾質量44，Patm和Pcond分別為34kPa和6.2kPa；根據式1可得出一級水環式真空泵的功耗為(假設電機功率為85%)。

(2)γ為CO2在凝汽器運行壓力34kPa下的比熱比，mg不凝性氣體的質量流速330kg/h，Ru為氣體常數8.314kJ/(kmol K)，Tcond為凝汽器內的溫度345K，ηvpump為真空泵的效率取0.4，Mgas為不凝性氣體的摩爾質量44，Patm和Pcond分別為105kPa和34kPa；根據式1可得出第二級水環式真空泵的功耗為

因此兩級水環真空泵的總功耗為24.56+22.48=47.04 kW，由此可見，因此，單從技術能耗的角度，水環真空泵系統具有較低的能耗。

3.3 地熱電站真空系統選擇的經濟性因素

在實際生產過程中，由于地熱蒸汽是天然能源，不消耗外界能量，真空技術選用除了考慮自身能耗外，還需考慮地熱井產量等因素，從經濟方面考慮，假設蒸汽量與電站機組的額定進汽量相比仍有足量的過余蒸汽，此時，易于選用射汽抽氣器方案作為真空維持系統，從而減少采用真空泵是的電廠自用電水平，否則過余蒸汽的直接排放造成資源浪費，真空本能耗也會提高地熱電站的自用電水平；當地熱資源不穩定并且蒸汽產量較低時，必須采用真空泵技術方案，以避免汽輪機組進汽的分流損失，從而減少機組的發電量。

4 結論及建議

本文對比分析了地熱電站兩類真空系統的技術特點，并基于肯尼亞某地熱電站機組參數，對兩類真空系統的能耗進行了對比計算與分析，發現真空泵的能耗遠低于射汽抽氣器的能耗，并進一步指出地熱電站由于受地熱資源參數的影響，真空系統的選擇需綜合能耗與地熱資源的參數特點進行優選，以實現地熱資源的最大利用率。從定性角度，地熱電站真空系統的優選應結合以下因素綜合考慮。

(1)不凝性氣體含量對抽真空系統的選擇起決定作用，當不凝性含量相對較低時(2%以下)，選擇抽氣器真空系統；不凝性氣體含量較高時，采用機械式真空泵。

(2)對于汽水分離器壓力(驅動壓力的影響)，通常認為當驅動壓力較高(＞5bara)時，傾向于采用抽氣器；當驅動壓力較低時，建議選擇機械式真空泵。

(3)對于凝汽器壓力，通常凝汽器壓力低于10kPa時，都可考慮采用射汽抽氣器真空系統。

(4)考慮技術經濟性，需綜合評價地熱電站所在地區的蒸汽汽源價格、電價及抽氣器系統和機械真空泵系統的投資、運行及維護成本對技術方案進行經濟性分析。

[1]周大吉,西藏羊八井地熱發電站的運行、問題及對策.電力建設, 2003,24(10),1-9.

[2]地熱和地熱發電技術指南,西藏地熱工程處(譯).水利電力出版社, 1988年2月,第一版.

[3]Coskun C.,Oktay Z.,Dincer I.,Performance evaluations of a geothermal power plant,Applied Thermal Engineering,2011,31 (17-18),4074-4082.

[4]DiPippo R,Geothermal Power plant Principles,Applications,Case Studies and Environmental Impact,Third Edition,2012,Elsevier.

[5]徐奇煥,楊子臨,徐明.射汽抽氣器和射水抽氣器的能耗分析與計算.能源技術,2005,26(2),87-88.

[6]俞健,楊建明.水環式真空泵對凝汽器經濟性的影響.熱力發電, 2009,38(10),29-32.

The significance of vacuum system for geothermal power station was analyzed. The working mechanisms of two types of vacuum system‘steam ejector and water ring vacuum pump’ have been elaborated. Based on the operating parameters of a geothermal power plant in Kenya,the energy consumption of these two types of vacuum systems was calculated and analyzed comparatively. Suggestions for optimum selection of vacuum system in geothermal power plant have been presented. This paper provides a scientific base for the design and operation of vacuum systems in geothermal power station.

geothermal power plant steam ejector liquid ring vacuum pump technical economical analysis

該項目為中國石油集團“可再生能源技術開發與應用研究”科研項目,課題名稱“:肯尼亞地熱開發技術研究與現場試驗”,項目號:2012A-4906。

蔡正敏,博士后,高級工程師,副總工程師。