空冷工藝在肯尼亞地熱資源開發中的應用前景

蔡正敏 李煒杰 李剛 劉亮德

摘 要：本文對肯尼亞國家的地熱資源情況、地熱電站裝機容量進行了概述，并對主要使用的單級閃蒸凝氣式發電工藝和雙工質空冷式循環發電工藝進行了對比和分析。結合肯尼亞的自然環境及氣候條件，分析了減少水資源消耗和增加回灌的重要性和迫切性，提出了采用空冷工藝對有效的保證地熱資源可持續發展的重要性。

關鍵詞：地熱發電；水資源；空冷工藝

中圖分類號：TE933.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0156-02

肯尼亞是東非經濟發展最具活力的國家之一，近幾年來電力需求量以年均6.4%的速度遞增，然而電價過高、電力供應短缺成為制約其國民經濟發展的主要瓶頸之一。肯尼亞電力主要來源于三種能源：水力發電、火力發電和地熱發電，其中水力發電和地熱發電為環保型發電，不產生溫室氣體，且不存在燃料費用，發電成本較低。由于肯尼亞氣候分為旱季和雨季，受降雨量的影響，目前主要通過建立地熱電站來替代燃油發電和彌補水力發電的不足。整個肯尼亞裂谷已經證實的主要地熱遠景區有14個，肯尼亞的理論地熱潛力為7000～10000兆瓦。

在地熱資源的形成和開發過程中都離不開水資源，然而肯尼亞卻又是典型的水資源嚴重短缺的國家，全國多年平均總降水量約為3580億立方米，其中3328億立方米的降水被蒸發掉，地表水僅為246億立方米，地下水為6億立方米。肯尼亞一年有兩個雨季，長雨季一般在3～6月、短雨季在10～12月，其余均為旱季，人均年用水量只有650立方米，大幅低于全球人均1000立方米/年用水量。因此隨著地熱電站的大規模建設和運行，對水資源的合理利用越來越迫切，水資源的缺乏將越來越嚴峻。

1 肯尼亞地熱電站常見冷卻工藝簡介[1][2][3][4]

肯尼亞目前總地熱發電裝機容量為675MW，發電量約占全國發電量的50%。除集中式地熱電站外，肯尼亞還建有總裝機容量約81MW的井口地熱電站，另有小規模零散地熱電站，如表1。

根據裝機情況分析，肯尼亞地熱電站的發電模式分為采用單級閃蒸凝氣式汽輪發電機組和采用雙工質空冷發電機組的發電工藝。

1.1 單級閃蒸凝汽式發電工藝（濕式冷卻塔）

在采用單級閃蒸發電工藝流程中，如圖1所示，兩相地熱流體先進入汽水分離器分離為蒸汽和鹵水，鹵水就近輸送至回灌井進行回灌，蒸汽進入汽輪發電機組做功發電，乏汽進入混合式凝汽器冷卻成為凝結水，凝結水與冷卻水以混合狀態經凝結水泵抽出凝汽器。冷卻水經冷卻塔降溫后在凝汽器負壓引吸下重新進入凝汽器，實現循環冷卻。凝結水補充濕式冷卻塔的蒸發損失和排污損失，多余的水量在濕式冷卻塔水池溢流后用于回灌。肯尼亞單級閃發

電典型電站如圖2所示。

1.2 有機朗肯循環（ORC）空冷發電工藝（直接空冷塔）

在采用有機朗肯循環（ORC）空冷發電工藝流程中，如圖3所示，兩相地熱流體先進入汽水分離器，分離的蒸汽和鹵水均輸送至ORC地熱電站，用于加熱蒸發有機工質。經過回熱換熱器，再進入空冷凝氣器。經回熱器加熱的液態工質先進入預熱器，再進入蒸發器，由地熱蒸汽進一步加熱實現蒸發氣化，高溫高壓工質蒸汽輸送至有機工質汽輪機，推動汽輪發電機組做功發電。肯尼亞ORC發電典型電站如圖4所示。

2 地熱電站中空冷技術的優勢

目前，肯尼亞大多數的地熱電站采用濕式冷卻塔進行冷卻，用水作為循環冷卻劑，從系統中吸收熱量排放至大氣中，通過蒸汽揮發帶走熱量達到蒸發散熱的作用。因此在運行的過程中需要消耗大量的水，當前肯尼亞奧卡瑞地熱田中的地熱電站水源來自附近的納瓦沙（Naivasha）湖，通過管道輸送的方式將湖水供給地熱電站。

根據資料顯示，奧卡瑞地區常年平均溫度在25℃左右，這些電站每小時揮發到空氣中的蒸汽高的驚人，地熱電站長期運行會浪費大量的淡水資源，盡管由于地熱蒸汽在發電做功后凝結成水補充了一部分損失，但是隨著地下蒸汽的大規模開采需要地面進行回灌補充，否則難以保證地熱田能長期提供高品質的蒸汽，如果地下水補充不及時，會嚴重影響整個地熱田的資源品質，地熱蒸汽的壓力和溫度衰減的會非常快，目前納瓦沙湖水位下降進度很快，且水量有限。

因此，近幾年來肯尼亞政府一直鼓勵采用空冷技術的地熱電站建設，目前奧瑪特公司已建成140兆瓦的大型雙工質空冷式地熱電站。地熱電站的空冷系統包括直接空冷和間接空冷系統。

（1）直接空冷系統——系利用機械通風使汽輪機排出的工作介質在空冷凝汽器中凝結，一般由空冷器、風機和凝結泵等組成。

（2）間接空冷系統——系統由表面式凝汽器、空冷器、循環水系統與空冷塔等組成。

采用空冷技術具有實現全部回灌、防止腐蝕、不排放霧氣團、沒有熱污染、沒有淋水噪聲、整個地熱電廠實現廢水的零排放。

盡管間接空冷系統也會消耗一部分水，但是比起濕式冷卻塔還是節約了大量的蒸發掉的循環水。空冷技術是一個正在逐漸的取代冷卻塔這種需消耗大量淡水資源且會造成環境污染的技術，目前空冷技術在肯尼亞地熱電站的開發中越來越引起重視。

3 結語

綜上所述，盡管地熱能是一種清潔能源，但是開發利用過程中引起的水資源消耗問題是急需解決的問題，蒸發冷卻方式引起的環境問題得到持續的關注，空冷技術的優勢使其在地熱電站工藝的應用具有很廣闊的前景。

參考文獻

[1]蔡正敏，等.肯尼亞井口地熱電站的環境因素分析[J].科技視界，2015，（33）：84.

[2]蔡正敏，等.淺談基于肯尼亞Olkaria地熱資源的地熱電站環保措施[J].科技視界，2015，（11）：60.

[3]長城鉆探工程有限公司.中國石油集團長城鉆探工程有限公司肯尼亞地熱發電項目4×3MW井口先導試驗電站可行性研究報告，2014.

[4]（美）迪皮珀.地熱發電廠[M].北京：中國石化出版社，2016.