羊易電站地熱光熱聯合發電方案比選

許志翔，舒崚峰，高 俊，李成軍

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

目前我國地熱和光熱資源的開發模式仍以單一開發為主，未見二者聯合開發的工程案例。西藏地區地熱和光熱資源豐富，具備地熱/光熱聯合發電的基礎條件[1-3]。羊易電站位于西藏當雄縣，該地地熱能及太陽能資源具有較好的開發條件。本文將以羊易電站二期工程為研究對象，結合現有的資源條件，對地熱/光熱聯合開發方案進行初步探索。

根據地址勘測結果及現場條件，羊易電站二期工程設置三口地熱生產井，井口溫度180°C，井口壓力1.0 MPa，井口干度12.55%，單井地熱流體流量160 t/h，回灌溫度70～80℃。工程場區歷年太陽總輻射量變化不大，多年平均太陽總輻射量為7 050 MJ/m2，鏡場面積1.65×105m2。根據羊易電站規劃，二期工程地熱發電裝機規模為16 MW[4]，光熱發電裝機規模根據比選結果確認。

1 聯合發電方案比選

根據現有的資源條件，羊易電站二期工程可考慮ORC(有機朗肯循環)和WRC(水蒸氣朗肯循環)兩種發電方案。兩種發電方案除工作介質不同外，換熱方式也有很大差異。下面從原理、結構、運維和效益等方面進行綜合比較。

1.1 ORC發電方案

ORC發電方案原理見圖1，其工作介質采用異戊烷。地熱流體進入1號蒸發器，加熱臨近飽和的異戊烷。凝結后的地熱流體進入1號預熱器，加熱從1號復熱器出來的異戊烷液體。光熱系統中的導熱油依次通過2號蒸發器和2號預熱器，將從2號復熱器出來的臨近飽和的異戊烷加熱到過熱蒸汽狀態。兩股過熱異戊烷蒸汽在母管匯合后進入汽輪機做功，帶動發電機旋轉發電[4-5]。

圖1 ORC發電方案原理簡圖

1.2 WRC發電方案

WRC發電方案原理見圖2，其工作介質采用水/水蒸汽。地熱流體首先入預熱器，加熱從冷凝器出來的水。預熱器出口的接近飽和狀態的水進入蒸發器吸熱后變成高溫高壓的過熱蒸汽。然后進入汽輪機中做功，帶動發電機旋轉發電[6]。

圖2 WRC發電方案原理簡圖

1.3 兩種方案比較

ORC發電方案中有機工質可以與地熱流體和導熱油獨立進行換熱，因而采用兩套換熱設備獨立工作。光照充足時，光熱和地熱系統同時工作，滿負荷運行；光照不足或者無光照時，主要由地熱系統工作，部分負荷運行。WRC發電方案受制于光熱系統，只有光照充足或儲熱充足時才能運行。通過增設儲熱系統可以增加整個系統的運行時間，但受制于光場面積，儲熱容量不大。

以羊易電站現有的地熱和光熱資源作為輸入條件，綜合考慮機組運行參數、光熱轉換效率、發電效率、儲熱時間等因素，初步擬定ORC和WRC發電方案的基本參數，并將兩種發電方案進行技術經濟比較，詳見表1。

表1 ORC和WRC發電方案技術經濟參數比較

由表1可以看出，雖然WRC發電方案有著更高的工質運行參數和發電效率，但是受制于光熱系統，年發電量相對較小，對地熱資源的利用不夠充分。考慮到發電的連續性，WRC發電方案必須設置儲熱系統，相應的輔助設備及運維人員都要增加。同時，WRC發電方案采用水/水蒸氣作為運行工質，發電島相關輔助設備較多，建設及運行成本都將有所增加。

綜上，推薦羊易電站二期工程采用基于ORC原理的地熱/光熱聯合發電方案。

2 光熱配置方案比選

在選定地熱/光熱聯合發電方案采用ORC原理后，對光熱配置方案進行比選。在同樣的鏡場面積下(槽式集熱)，通過配置不同的裝機容量和儲熱容量，會產生不同的工程方案。以羊易電站為例，采用ORC原理后，其光熱系統最大可提供約10 MW出力，若不設儲熱系統，則光熱系統需配置10 MW的裝機容量；若設置一定容量的儲熱系統，光熱系統配置的裝機容量會下降，但是發電小時數增加。不同的光熱配置方案，其效益、風險、運維投入等都有所不同。為初步探索不同光熱配置方案的影響，擬對光熱裝機5 MW和10 MW兩個典型方案進行比較，儲熱容量根據計算結果確認。

以羊易電站光熱資源作為輸入條件，其鏡場面積為1.65×105m2，發電效率取15%，儲熱容量以儲熱時間等效表達，分別對光熱裝機5 MW與10 MW兩個典型方案進行了計算分析。

2.1 光熱裝機5 MW方案

當光熱裝機為5 MW時，在不同的儲熱時間下計算相應的年發電量。儲熱時間在1 h以內，儲熱介質通常使用油；儲熱時間大于1 h時，儲熱介質通常使用熔融鹽。光熱5 MW裝機儲熱時間與年發電量關系見圖3～4。可以看出，儲熱時間在1 h以內時，光熱年發電量隨著儲熱時間的增加而增加；儲熱時間大于1 h時，光熱年發電量隨著儲熱時間的增加呈現先增后降的趨勢。當儲熱時間為15 h時，光熱年發電量達到最大值約2.150×107kW·h。

圖3 光熱5 MW裝機油儲熱時間與年發電量關系圖

圖4 光熱5 MW裝機熔鹽儲熱時間與年發電量關系圖

2.2 光熱裝機10 MW方案

采用與光熱裝機5 MW方案相同的分析方法，光熱10 MW裝機儲熱時間與年發電量關系見圖5～6。可以看出，當光熱裝機為10 MW，儲熱時間在1 h以內時，光熱年發電量雖有起伏，但差別很小；儲熱時間大于1 h時，光熱年發電量隨著儲熱時間的增加而減少。當儲熱時間為0.2 h時，光熱年發電量達到最大值2.072×107kW·h，當儲熱時間為0 h，光熱年發電量為2.063×107kW·h，兩者相差僅0.009×107kW·h，幾乎相同。因此，光熱裝機10 MW方案可不設儲熱系統，其短時儲熱由膨脹罐實現。

圖5 光熱10 MW裝機油儲熱時間與年發電量關系圖

圖6 光熱10 MW裝機熔鹽儲熱時間與年發電量關系圖

2.3 兩種方案比較

2.3.1 發電量比較

光熱裝機5 MW方案和10 MW方案的儲熱時間和年發電量比較見表2。可以看出，光熱裝機5 MW方案需要配置可儲熱15 h的儲熱系統，才能使年發電量達到最大2.150×107kW·h，而光熱裝機10 MW方案不用配置儲熱系統即可實現年發電量2.063×107kW·h，二者的年發電量僅相差0.087×107kW·h。光熱裝機5 MW方案在年發電量上略有優勢，但不明顯。

表2 儲熱時間和年發電量比較

2.3.2 經濟性比較

經濟性主要從儲熱系統投資、儲熱防凝系統、運維投入、儲熱系統風險方面進行定性分析，詳見表3。可以看出，光熱裝機5 MW方案由于設置的儲熱系統，其在儲熱系統投資、運維投入、系統風險方面都明顯劣于光熱裝機10 MW方案。

表3 經濟性比較

2.3.3 比較結論

根據上述比較結果可知，光熱裝機10 MW方案與5 MW方案相比年發電量幾乎一致，但在經濟性方面卻有明顯的優勢。其原因主要在于，地熱/光熱聯合發電系統采用ORC原理，系統不再受光熱系統的制約，地熱系統可以保證整個系統的連續發電，光熱系統相當于是額外的出力補充。由于鏡場面積一致，光熱系統提供的年發電量也基本一致，儲熱系統無法有效增加光熱系統的年發電量，也無需通過它來保證系統的連續運行。因此，在羊易電站現有的光熱資源條件下，推薦配置10 MW的光熱裝機，且不設專用儲熱系統。結合羊易電站的地熱資源條件，地熱/光熱聯合發電系統可配置26 MW裝機規模，其中16 MW由地熱系統提供，10 MW由光熱系統提供。在光照充足的時候，滿負荷運行，在光照不足或者無光照時，部分負荷運行。

3 結 語

結合羊易電站現有的地熱和光熱資源條件，對地熱/光熱聯合發電方案和光熱配置方案進行了初步計算和分析，結論如下：

1)地熱/光熱聯合發電系統采用ORC發電方案更加合適，在光照充足時，光熱和地熱系統同時工作，滿負荷運行；光照不足或者無光照時，部分負荷運行。ORC發電方案在系統組成、運維投入和電站效益等方面都明顯優于WRC發電方案。

2)光熱裝機10 MW方案與5 MW方案年發電量幾乎一致，但在儲熱系統投資、運維投入和系統風險方面卻有明顯的優勢。

3)推薦羊易電站二期工程采用裝機規模26 MW，且不設置儲熱系統的ORC地熱/光熱聯合發電方案。