全流式地熱發電系統在雙級系統中的應用分析

河北省煤田地質局第二地質隊（河北省干熱巖研究中心） 李 翔

關鍵字：單螺桿膨脹動力機；全流—ORC循環系統；熱力分析；雙循環

地熱開發主要有地熱發電和地熱能直接發電兩大方向，其中地熱發電又分為水熱資源、干熱巖資源和地壓資源三大類。目前主要用到水熱資源，其他兩個兩個在研究階段。而水熱資源在工質溫度上可分為高溫150℃、中溫90-150℃、低溫90℃以下，溫度不同所呈現的流體性質不同。根據流體狀態又可分為地熱水發電，地熱濕蒸汽發電和地熱干蒸汽發電。

地熱干蒸汽發電是目前最經濟最簡單的系統，其原理主要是靠分離的干蒸汽進行發電，因此，地熱發電系統主要有分離蒸汽發電系統、閃蒸發電系統。我國地熱資源占全球地熱的10%左右，主要以中溫和低溫地熱資源為主。目前全流式螺桿膨脹機作為“21世紀先進能源技術”在中低溫地熱能源中發揮著極大的作用，世界各國都很重視其能源的有效利用，并且該技術已被得到驗證性應用。而我國現在對資源的利用率不是很高，沒有充分的實現梯級作用，大部分的余量散失，而提高資源利用率的關鍵一步就是節約能源。

1 全流式螺旋桿膨脹機熱力分析

1.1 全流式螺桿機工作原理

地熱電廠發電以水蒸汽為工質，主要由背壓式、凝汽式兩種發電方式。背壓式地熱系統膨脹機出口溫度高，用氣比穩定，但是乏汽過高不宜充分利用。凝汽式主要在負壓下，設備裝置密封性強、成本高，但發電量明顯比背壓式要高[1]。全流式螺桿機系統結構簡單，由一個螺桿膨脹機、除砂裝置、熱源以及未顯示的冷凝器、壓縮機、工質泵等組成，結構并不復雜。由工質泵將地熱水工質從地熱田引出，中間有不少閥門裝置進而聯動控制水流流量，后進入凈化除砂裝置，使工質完全成為汽水兩相流體后再經閥門進入螺桿膨脹機。膨脹機緊接著就是發電機，從內能轉化為膨脹機機械能再到發電機電能輸出。過程完成后膨脹機內剩余乏汽，經管道通入冷凝器后處理，至此完成整個熱力循環[2]。全流式螺桿膨脹機結構獨特對工質進汽要求不高，擅長對中低溫地熱水形態進行處理，可以達到充分利用熱源的目的，本文是先通過對全流式螺桿膨脹機的熱力分析，轉化效率及經濟實用性后引入ORC系統，為構造雙極循環系統建立基礎。

1.2 全流式螺桿膨脹機熱力分析

該系統采用我國某一大學實驗室內所使用的的單螺桿膨脹機，膨脹機發電功率為15kW，裝置內膨脹體積可達到2.0Nm3/min，膨脹比為6。選取100℃-150℃飽和水蒸汽，因其狀態特點，地熱蒸汽進入膨脹機進口前不用提供動力，全流式地熱發電模擬系統地熱水資源忽略回程損失，消耗功率只考慮真空泵，回灌水泵，冷卻泵的消耗[3]。為了方便系統計算，特提出幾點假設來簡化系統。

單螺桿膨脹機工作效率有差異，現設定工況下效率相同，等熵效率60%，機械效率96%；工質流體經過預熱器、過熱器、蒸發及冷凝器時無壓降損失；工質泵、真空泵、冷卻水泵、回灌水泵的效率依次為75%、75%、60%、70%；設定真空泵出口壓力為冷凝水進入儲液罐的壓力近似取120kp；流體流經泵時忽略流體溫升對流體比體積的影響。

地熱系統進口體積流量為膨脹機進口額定體積流量，由此得出水蒸汽流量在不同參數下的變值，由式（1）得出：

上式中工質質量為m單位kg/s，在膨脹機進口處的水蒸汽密℃為ρ體積為V，螺桿膨脹機的機械效率與自身的結構有所關聯，其等熵效率也決定膨脹機的做功性能。

其中Pesh為膨脹機軸效率kW，Δhg為動力機進出口焓差，單位kJ/kg，ns為等熵效率，nm為機械效率。

回灌泵和真空泵功率計算相同，以下分別是真空泵消耗功率和回灌泵消耗功率。

其中Pezp、Pehp為真空泵和灌水泵的消耗功率，ΔPzp、ΔPhp為真空泵和灌水泵的前后壓差，v為工質的比體積，nzp、nhp泵的效率。

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在膨脹動力機入口時為汽水混合，在出口的時候保證為全部液態，中間使用的冷卻水消耗量為：

該式得出的是冷卻水的質量，工質在膨脹機出口時的焓差為Δh0，Δhl是冷卻水進入冷凝器后的焓差。

冷卻水泵的消耗功率為：

Pelp為冷卻水泵消耗的功率用kW表示，H為水泵的揚程，nlp為冷卻水泵的效率。在循環中的凈功率公式為：

膨脹動力機的汽消耗：

q單位為，kg/kW·h。

地熱系統吸熱量為Q=mgΔhx,hx為焓差。

最后得出系統熱效率為：

根據以上公式數據分析，在100℃到150℃的飽和蒸汽為工質條件下計算出的膨脹機功率和汽耗率變化曲線為圖1所示。

圖1 臌脹機功率和汽耗率隨溫度的變化曲線

2 全流—ORC雙級循環系統

全流系統在結構原理上比較簡單，同時也帶有一定效率問題，地熱水在膨脹機內工作由于膨脹比的限制，水蒸汽不能充分發揮其作用。由于全流系統排氣溫度較高，不能有效的利用能量，因此對該裝置進行優化改進，進而引入ORC有機朗肯系統進行串聯，有效的提高了余熱的利用率。

2.1 全流—ORC循環系統工作原理

ORC有機朗肯系統原理與全流式單循環系統大致相似，但性能卻有所不同。其中工質的選擇就對ORC循環系統熱力效果有一定影響，其次還包括工質的蒸發溫度、熱源溫度、環境溫度等[5]。根據上述因素，本文提出一種全新的熱力發電循環系統，該系統可以分層處理地熱工質，充分優化系統能量利用率。

裝置主要由高溫螺桿膨脹機和低溫螺桿膨脹機組成，工質先經高溫膨脹機做功，經蒸發器升至到一定沸點，這里選擇的是沸點低的有機工質易蒸發，氣壓升高。然后達到高溫的低沸點工質再進入低溫膨脹機，以此驅動發電機發電，最后通過冷凝器轉化為液態。整個循環系統利用工質的特性，使能量充分有效反復利用，有效的提高了工質利用效率，從技術層面上看也有很大可行性。以下是全流—ORC循環系統工作的T-S圖。

圖2 全流-ORC循環系統的T-S圖

T-S圖以熵“S”為橫坐標，溫度“T”為縱坐標以此來分析循環系統的吸收或發熱功率，由上圖可知系統狀態點有很多，其中“1點”為工質起初狀態，經高溫螺桿機高溫做功后為“2點”，“2點”工質狀態位氣液兩相型，帶有一定潛熱。“3點”為從蒸發器出來進入低溫膨脹機時的狀態點，“4點”為進入冷凝器時的狀態點，4點和5點相同，但熵值不同。主要是經過工質泵重新進入下一輪循環時的狀態不同。由上圖不同狀態點顯示的不同溫度可得，經高溫第一次做功后的溫度為T2，進入低溫做功之前的溫度為T3,對應的熵值為h3,系統做功后最后溫度為T5,熵值為h5，由此可計算工質地熱水所釋放的熱量為：

而低溫工質吸收的熱量為Q=γQ，γ為蒸發器保溫系數。因此，可得到低溫工質流量：

W1為地熱水部分做功，W2為低溫有機工質做功，由此得出此系統的整個發電效率：

2.2 全流—ORC循環系統應用分析

以我國某地區一地熱田為例，地熱溫度182℃，飽和壓強1.35MPa，工質選擇為五氟丙烷（R245fa），在其他效率暫不考慮的情況下假設參數有地熱水進氣壓力0.75MPa、進氣溫度164.89℃、進氣干度7.3%；螺桿膨脹機效率為0.73，冷凝器出口溫度34℃，機械效率0.96，機械效率為0.94。對全流式地熱循環系統進行分析[6]。結合以上循環系統的工作原理及熱力定律，對循環系統進行性能計算和分析，為提高系統能力利用率提供參考和依據。

假定蒸發器、冷凝器換熱效率為100%，螺桿膨脹機出口壓力為0.067MPa，經管道流動損失進入ORC循環部分的蒸發器壓力為0.057MPa，然后在有機工質蒸發溫度為65/70/75℃三個條件下發電效率比較，從而得出蒸發溫度依據[7]。

2.3 全流—ORC系統發電功率和發電效率

根據蒸發溫度出發，從相應的蒸發壓力和工質流量及系統發電功率出發計算該循環系統。

由表1得出，系統在工質蒸發溫度為75℃時的發電總功為13812.33kW，功率為12.12%。系統在冷凝器工質狀態轉化過程中，熱量有所散失[8]。總體來說系統發電功率隨工質蒸發溫度的升高而增大，相應的溫度升高的同時，工質流量有所降低這與工質自身狀態有關。系統在經過優化后采用同種的工質進行熱力轉化下，其發電功率和效率總體是增加的。

表1 全流—ORC循環系統計算結果

3 結語

本文對單螺旋膨脹機工作原理和熱力分析做了一定介紹，并結合實際裝置進行了熱力分析，總結其轉換性能分析其實際不足之處。

工質在系統循環過程中有一定熱量的散失，這是環節中避免不了的，但對以往單循環雙循環系統來說轉化效率有明顯提升。文中在單級循環系統上加以優化，通過其工作原理介紹，參考實際數據應用和熵值分析得出了該系統在熱力發電應用上的可靠性，為該系統的后續研究打下了基礎。