超臨界二氧化碳熱動力技術(shù)應(yīng)用于地?zé)岚l(fā)電的研究及展望

周 康 趙國斌 Hassan Jafari 吳俊翔

浙江普朗特洛新能源有限責(zé)任公司

地球上理論可開發(fā)的地?zé)崮艽蠹s為1.4×1026J，遠(yuǎn)大于目前全球化石能源的總和[1]。但地?zé)崮艿纳虡I(yè)化開發(fā)利用僅局限于地幔隆起、地幔柱（熱點(diǎn)）、火山帶或者大陸生長邊界等地域，包括美國加州海岸山脈的蓋瑟爾斯，新西蘭北島拉基地?zé)崽铮鶏u的雷克雅未克地?zé)崽锛爸袊鞑氐难虬司責(zé)犭娬尽?/p>

我國的干熱巖資源集中在東北、西南（包括云南、西藏和青海）及東南沿海地區(qū)[2]，巖層的類型為火成巖和花崗巖，而浙江及長三角地區(qū)未列入其中。從全國范圍來看，浙江省的地?zé)豳Y源及溫泉的數(shù)量不占優(yōu)，其溫泉數(shù)量排在新疆、西藏之后，在青海和內(nèi)蒙之前，在已經(jīng)查明地?zé)釤崛獌α康?6個省區(qū)中，排名在第22位[3]。然而，研究表明，浙北地區(qū)地?zé)崮艿膽?yīng)用前景不容小覷：平均地?zé)崽荻?.19℃/100 m(杭嘉湖地區(qū)),與我國東部地區(qū)主要新生代沉積盆地比較相對較高，異常面積可達(dá)860余平方公里[4]。開發(fā)龐大的地?zé)豳Y源儲存在幾乎沒有地?zé)醾鳠峤橘|(zhì)的“干熱巖”（Hot Dry Rock），建造干熱巖地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，面臨深鉆和水力壓裂等許多難點(diǎn)，使地?zé)岚l(fā)電受到了地域限制。最新研發(fā)的超臨界CO2熱動力技術(shù)對開發(fā)利用干熱巖及其它類型的地?zé)豳Y源具有廣闊的前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

研究發(fā)現(xiàn)，中低溫地?zé)豳Y源儲量更大、分布更廣、埋深更淺、開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)[5]，其溫度范圍適合使用超臨界CO2而不是水作為傳熱介質(zhì)和工作流體[6]。2014年至2017年間，我們逐步研發(fā)出一套名為“深巖玫瑰”的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)終端設(shè)計方法，旨在針對中低溫工程地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）找出合適發(fā)電的一般性策略。該系統(tǒng)使用了超臨界CO2·作為主要工作流體，首次嘗試將熱交換器替換成流體混合步驟；通過凱瑟琳輪整合了壓氣機(jī)、噴射泵、汽輪機(jī)組、及冷凝和分離設(shè)備，形成一套連貫緊湊的熱動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合超臨界CO2與相關(guān)工質(zhì)的傳熱、傳質(zhì)屬性進(jìn)行設(shè)計，顯示出提升地?zé)岚l(fā)電效率的潛力。

圖1 SITMAP（Solar Integrated Thermal Management and Power）循環(huán)

圖2 深巖玫瑰核心：噴射泵及汽化室截面示意圖

深巖玫瑰包含一個超臨界CO2的跨臨界循環(huán)和一個有機(jī)工質(zhì)的朗肯循環(huán)，見圖1。兩個并聯(lián)循環(huán)通過流體混合后合為一路，在流程設(shè)計上參考了SITMAP的環(huán)路：借用噴射泵(Jet Pump)提高了廢熱自身溫度實(shí)現(xiàn)了高效的輻射散熱和系統(tǒng)整體溫控[7]。深巖玫瑰的噴射泵與此類似，當(dāng)作為地?zé)崃黧w的CO2——井口溫度在80～140℃，壓力在100～200 Bar之間甚至更高，處于超臨界態(tài)[8]——流經(jīng)噴射泵，會在噴射泵的文丘里管頸部出現(xiàn)低壓區(qū)，產(chǎn)生類似引射的效果，見圖2；使用軸流式壓氣機(jī)及腔體旋轉(zhuǎn)離心的方式會使流體加速，引射效果更加明顯。如此時將第二種處于飽和狀態(tài)且沸點(diǎn)明顯低于CO2溫度的工質(zhì)引射入腔體，流體間的熱傳遞會使該工質(zhì)處于過熱狀態(tài)，并且在過渡到下一個低壓區(qū)之前沸騰汽化。這和傳統(tǒng)的“蒸汽機(jī)”大相徑庭，表現(xiàn)在：1）從地?zé)崃黧w到第二種工質(zhì)，傳熱使用直接接觸，而非熱交換器，能量傳遞更高效完全（雖然仍然有能量的損失）；2） 超臨界CO2氣化時在噴管處產(chǎn)生的低壓，使得過熱或飽和的第二種工質(zhì)在遠(yuǎn)低于其飽和壓力的情況下蒸發(fā)汽化，其效果類似于閃蒸，但因?yàn)橛衼碜詓c CO2持續(xù)的熱流，蒸發(fā)完全而迅速。

超臨界CO2為高壓系統(tǒng)。絕熱升壓時，它的溫度會上升而可以保持焓值不變；絕熱降壓時，溫度也會隨著壓力下降，而焓值仍保持不變。當(dāng)sc CO2從細(xì)小的噴嘴噴出、從超臨界態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)——會產(chǎn)生非常顯著的降溫，超臨界CO2的這項(xiàng)屬性使其被運(yùn)用于金屬切削[9]，用于被切削構(gòu)件的冷卻——因而同樣可以用于地?zé)岚l(fā)電過程中工質(zhì)的冷卻。原則上，我們可以通過sc CO2的這一屬性，通過調(diào)整其壓力來控制其溫度，使得混合流體以高于熱儲原始溫度的狀態(tài)進(jìn)入汽輪機(jī)，提高汽輪機(jī)入口處的溫度；它的“自冷卻”性能，也可以用于地?zé)岚l(fā)電時工質(zhì)的降溫：最終降低汽輪機(jī)組出口處的溫度。按照卡諾循環(huán)的基本原理，η=1-T2/T1, T2為氣體離開汽輪機(jī)時的溫度（單位為K），T1為氣體進(jìn)入汽輪機(jī)時的溫度,理論上T2降至越低，T1升至越高，系統(tǒng)效率的上限便可得到提升。深巖玫瑰的核心設(shè)計思想便是基于對超臨界CO2的熱力學(xué)屬性的調(diào)整，進(jìn)而提升系統(tǒng)的卡諾循環(huán)的效率，提高地?zé)岚l(fā)電效率的上限，使得更多的地?zé)崮苣軌蜣D(zhuǎn)化為發(fā)電所需的機(jī)械能。

系統(tǒng)的流程見圖3。

圖3 深巖玫瑰地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)流程圖

全套系統(tǒng)可描述如下：將CO2泵送至深度在2 000～3 000 m之間的熱儲，在超臨界CO2完成了地下傳熱以后，其自身的密度下降，體積膨脹，從生產(chǎn)井回流至地表；輔助以軸流式壓氣機(jī)/“壓縮機(jī)”的抽吸和凱瑟琳輪的高速自轉(zhuǎn)，將其引至位于地表的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)內(nèi)。壓氣機(jī)內(nèi)的超臨界CO2因受到壓縮而顯著升壓升溫，加快速度進(jìn)入到噴射器中，并且在噴射器的頸部的位置到達(dá)混合前最大速度和相對的低壓，然后通過引射作用完成與另一種處于飽和或者過熱狀態(tài)的有機(jī)工質(zhì)混合。在混合腔內(nèi)，因混合受熱，原本飽和的有機(jī)工質(zhì)受熱變?yōu)檫^熱的液體，與超臨界CO2處于互溶或者微溶的狀態(tài)。兩者一齊通過擴(kuò)壓室，被進(jìn)一步地加熱，并一直向汽化室/蒸發(fā)室移動。在連接擴(kuò)壓區(qū)與低壓區(qū)的狹小截面，第二種工質(zhì)因過熱而快速沸騰，變?yōu)檎羝怀R界CO2因失壓降溫也從超臨界態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，兩者一齊變?yōu)闅怏w。混合氣體首先通過一組軸流式汽輪機(jī)做功，然后進(jìn)入懸臂，經(jīng)由凱瑟琳輪的一組尾噴管噴出，形成噴射流，推動凱瑟琳輪朝一個方向旋轉(zhuǎn)發(fā)電，而第一組軸流式汽輪機(jī)產(chǎn)生的能量會用于自身所在的腔體的入口處的超臨界CO2的溫度及壓力的調(diào)整。懸臂中的氣體通過雙組分之間的熱交換，增大混合氣體溫降降幅，最終在收集環(huán)中，兩種工質(zhì)出現(xiàn)兩相分離，在幾乎不需要水的冷凝器中完成了冷凝（condenser），被分別泵送至地?zé)釤醿唾A存罐中貯存。此處便完成了跨臨界CO2與有機(jī)朗肯循環(huán)的復(fù)合循環(huán)。

該系統(tǒng)設(shè)計模型見圖4，目標(biāo)可概括為7個方面：

圖4 深巖玫瑰系統(tǒng)模型圖-Hassan Jafari建模

1）更加有效的熱交換；2）盡量提高進(jìn)入動力系統(tǒng)工質(zhì)的溫度，降低工質(zhì)離開動力系統(tǒng)的溫度；3）流體作用于汽輪機(jī)可產(chǎn)生更大的推力；4）更有效的蒸發(fā)；5）可以實(shí)時調(diào)節(jié)輸出功率系統(tǒng)；6）更節(jié)約水資源；7）作為閉路系統(tǒng)更加環(huán)保安全，可用于傳導(dǎo)型和對流型的地?zé)嵯到y(tǒng)。

經(jīng)過基于流體極性和密度的初步篩選，丙烷、乙醇、異丁烷可以作為適合于該過程的第二種有機(jī)工質(zhì)，具體的工質(zhì)選用及流量依據(jù)熱源溫度和CO2流量進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。按照相變焓進(jìn)行估算，一定流量的丙烷可因sc CO2沸騰而全部變?yōu)檎羝鸞10]。另一方面，雙組分工質(zhì)增大了流經(jīng)系統(tǒng)的氣體流量；軸流式汽輪機(jī)在產(chǎn)生能量的同時降低了氣流的流速，有助于提升凱瑟琳輪的噴氣式發(fā)動機(jī)的整體的推進(jìn)效率[11]，進(jìn)而提高凱瑟琳輪熱動力轉(zhuǎn)化的效率。雙組分蒸汽氣體亦能提高朗肯循環(huán)的效率[12]。因此在該系統(tǒng)中，朗肯循環(huán)與CO2跨臨界循環(huán)都出現(xiàn)了有助于彼此效率提升的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)室階段的小型深巖玫瑰熱動力系統(tǒng)示意圖見圖5。超臨界CO2在絕熱加壓減壓時，溫度隨著等焓線變化見圖6。

圖5 實(shí)驗(yàn)室階段的小型深巖玫瑰熱動力系統(tǒng) 折剖面圖

圖6 超臨界CO2在絕熱加壓減壓時，溫度隨著等焓線變化

2 現(xiàn)階段未解決問題：

目前還存在以下6個方面的問題，有待進(jìn)一步研究解決：

（1）sc CO2在熱儲中的行為(溫度、壓力、流場)是否能做到完全受控，并與地震監(jiān)測相結(jié)合？

（2）sc CO2自降溫對混合氣體溫度影響的強(qiáng)度區(qū)間；

（3）如何確保雙組分的工質(zhì)蒸發(fā)/氣化的完全，不會損壞汽輪機(jī)？

（4）懸臂內(nèi)部，雙組分的工質(zhì)是否會冷凝？在收集環(huán)中，雙組分氣體是否會自動分離，是否需要額外的冷卻塔或冷卻設(shè)備？

（5）兩種工質(zhì)的混合是否會改變各組分的沸點(diǎn)和/或臨界點(diǎn)？

（6）系統(tǒng)的理論與實(shí)際效率。

3 結(jié)論

深巖地?zé)岚l(fā)電的研究仍處在剛起步階段，但該裝置已經(jīng)顯著提高了有機(jī)朗肯循環(huán)-跨臨界CO2復(fù)合循環(huán)的系統(tǒng)效率，其中提升效率的關(guān)鍵點(diǎn)包括：

（1）通過分別調(diào)節(jié)雙組分工質(zhì)的溫度與壓力，增加了進(jìn)入汽輪機(jī)的氣流溫度。

（2）利用超臨界CO2的自冷卻效應(yīng)降低氣流離開汽輪機(jī)組的溫度，并使得汽輪機(jī)組出口溫度盡可能地低；最大程度地將流體的內(nèi)能、動能與勢能轉(zhuǎn)化為熱動力系統(tǒng)的機(jī)械能使用雙組分蒸汽提升系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)的效率；增大了反動式汽輪機(jī)的推力。

（4）通過調(diào)整雙組分工質(zhì)的壓力、流量和溫度，讓該系統(tǒng)原型機(jī)能夠適應(yīng)不同的地?zé)釤醿Φ沫h(huán)境，更加具有普適性。

地?zé)岢删某杀菊颊麄€地?zé)峁こ炭偝杀镜?0%以上[13]。因此，通過提高中低溫地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)終端的效率降低發(fā)電系統(tǒng)對熱源最低溫度的要求，減少地?zé)徙@井的最小深度，從而有力地增強(qiáng)該類型工程地?zé)嵯到y(tǒng)的的可行性，有助于在浙江省盡早實(shí)現(xiàn)真正的地?zé)岚l(fā)電，助推我國CO2減排與新能源的開發(fā)利用。

[1] 姚興佳 劉國喜 朱家玲 等人 《可再生能源及發(fā)電技術(shù)》P410 ISBN 978-7-03-027952-1

[2] Technology Roadmap Geothermal Heat and Power. International Energy Agency

[3] 郝召劍 關(guān)于山西地?zé)豳Y源開發(fā)利用的研究 山西建筑 第41卷 第5期

[4] 浙江省地?zé)豳Y源及其開發(fā)前景 陳維君 物探與化探 第21卷第3期，1997年6月

[5] Souheil et al. Laser Enhanced Drilling for Subsurface EGS Application.Lawrence Livermore National Laboratory. GRC Transaction Vol. 36,2012

[6] Mario Magliocco, et al. Laboratory Investigation of Supercritical CO2 Use in Geothermal Systems, University of California, Berkeley. Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Feb. 11-13, 2013

[7] William E. Lear, et al. Weight Optimization of Active Thermal Management Using a Novel Heat Pump. Contract number 4507460; Award Number NAG3-2630

[8] Karsten Pruess, Enhanced geothermal systems (EGS) using CO2 as working fluid- A novel approach for generating renewable energy with simultaneous sequestration of carbon. Geothermics 35 (2006) 351-367

[9] 來自項(xiàng)目組專家趙國斌、黃宓蘭口述，及大連卓爾高科技有限公司網(wǎng)站 www.joel.cn

[10] 與項(xiàng)目組專家黃宓蘭通訊信息，2016年6月

[11] 王云 《航空發(fā)動機(jī)原理》北京航空航天大學(xué)出版社 2009年3月 P77 ISBN 978-7-81124-557-8

[12] B H Kahn, 2nd Edition, Non-Conventional Energy Resources. ISBN 978-7-302-23271-1

[13] P. P. Woskov, Reaching Underground Resources- No drilling Required.24, Energy Futures, MIT Energy Initiative, Spring 2012