中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用     

  1、引言

        步入21世紀(jì)，人類對(duì)能源的依賴程度持續(xù)加大，化石能源消耗量的激增和由此帶來(lái)的環(huán)境污染，已引起*的重視。近幾十年來(lái)，各種可再生能源發(fā)電技術(shù)得到越來(lái)越多的關(guān)注，其中，應(yīng)用相對(duì)較早、發(fā)展較為成熟的地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)，呈現(xiàn)向中低溫地?zé)嵩慈岚l(fā)電的趨勢(shì)。

世界上只有不足1/4的地?zé)嵩磳儆诟邷氐責(zé)嵩?，以我?guó)為例，已探明的高溫地?zé)崽飪H約150處，多集中分布在地中海－喜馬拉雅地?zé)釒б痪€和環(huán)太平洋地?zé)釒б痪€（中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)），而剩余廣大的國(guó)土面積蘊(yùn)含的地?zé)嵩炊鄬儆谥械蜏氐責(zé)嵩?nbsp;。我國(guó)某些擁有中低溫地?zé)豳Y源的邊遠(yuǎn)地區(qū)，迫切需要電能來(lái)促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐用竦慕?jīng)濟(jì)活動(dòng)，提高居民生活質(zhì)量，但由于各種原因?qū)е码娋W(wǎng)近期難以普及，而中低溫地?zé)岚l(fā)電電站可以有效解決此類局部地區(qū)的供電情況，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出一定貢獻(xiàn)。

           ２、地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)

                    圖1 區(qū)別示意圖

      地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)，又名中間介質(zhì)地?zé)岚l(fā)電法，與其他地?zé)岚l(fā)電技術(shù)大的區(qū)別在于使用兩種流體作為發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)。如圖1所示，其他地?zé)岚l(fā)電技術(shù)通常是地?zé)崴羝ɑ蚱旌衔铮┲苯踊蜷W蒸進(jìn)入發(fā)電系統(tǒng)做功轉(zhuǎn)換為電能。對(duì)于中低溫地?zé)豳Y源，產(chǎn)生蒸汽的參數(shù)低，其做功能力不足等特點(diǎn)限制了地?zé)岚l(fā)電的應(yīng)用。而地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，地?zé)崃黧w攜熱進(jìn)入熱交換器，將熱傳遞給另一種工質(zhì)（通常為低沸點(diǎn)工質(zhì)），該種工質(zhì)得熱蒸發(fā)進(jìn)入汽輪機(jī)做功。兩者相比，后者更適合中低溫地?zé)嵩窗l(fā)電，且有避免地下水污染等優(yōu)勢(shì)。

      現(xiàn)今使用的地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)，按照所應(yīng)用的循環(huán)不同主要分為兩類：

      1）  有機(jī)朗肯循環(huán)

                        圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)示意圖

      有機(jī)朗肯循環(huán)，示意圖如圖2所示，通常使用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，如氯乙烷、正戊烷和異戊烷等，利用中低溫地?zé)崃黧w與低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)換熱，使后者蒸發(fā)，產(chǎn)生具有較高壓力的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。在T—S圖上對(duì)比了水蒸汽循環(huán)和有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)各自的特點(diǎn)，并歸納出后者在低溫?zé)嵩窗l(fā)電上相較前者的若干優(yōu)勢(shì)。

      2）  卡林納循環(huán)

                                                        圖3 卡林納循環(huán)系統(tǒng)示意圖

      卡林納循環(huán)，使用氨水混合物作為工質(zhì)，其基本過(guò)程類似于有機(jī)朗肯循環(huán)，如圖3所示，但有兩點(diǎn)重要的區(qū)別：1）在熱源吸熱時(shí)，非共沸的氨水混合物與變熱源溫度有良好的匹配性，減少了熱量傳遞過(guò)程的不可逆性；2）在冷源放熱時(shí)，通過(guò)改變混合工質(zhì)成分濃度的方法，減少了混合工質(zhì)在“冷端”的不利性，實(shí)現(xiàn)較低壓力下混合工質(zhì)的*冷凝。為了在“冷端”實(shí)現(xiàn)變混合工質(zhì)成分濃度的目的，卡林納循環(huán)利用吸收式制冷技術(shù)和回?zé)峒夹g(shù)，在設(shè)備成本投入上高于有機(jī)朗肯循環(huán)。

      對(duì)比以上兩種循環(huán)，卡林納循環(huán)在熱源的匹配性上較有機(jī)朗肯循環(huán)更好，如圖4所示，因此在熱源側(cè)不可逆損失較少。文獻(xiàn)選取了卡林納循環(huán)的一種形式建立了模型，并在相同邊界條件下對(duì)比有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示前者整體效率高于后者15%，而Canoga Park卡林納試驗(yàn)電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示前者較后者凈效率至少可以提高3%。

3. 研究進(jìn)展

 3.1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

      我國(guó)開(kāi)展地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電研究在時(shí)間上大致分為三個(gè)階段。

      *階段為70年代初至80年代中期。此階段中，在全國(guó)各地陸續(xù)建成地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電實(shí)驗(yàn)性機(jī)組多臺(tái)，對(duì)地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電做出了初步嘗試，但由于地?zé)豳Y源（水溫偏低）的限制或是技術(shù)上的不完善，這些電站陸續(xù)停產(chǎn)或是拆除。

      第二階段為80年代中期至90年代中期。此階段，沒(méi)有進(jìn)行自主技術(shù)的地?zé)犭p循環(huán)實(shí)驗(yàn)性電站的建立。1993年西藏地區(qū)所建成的雙循環(huán)地?zé)犭娬荆?lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署援助項(xiàng)目），使用機(jī)組為以色列ORMAT公司產(chǎn)品，裝機(jī)容量為1MW，井口溫度為110°C 。此外，中國(guó)臺(tái)灣土場(chǎng)地區(qū)在1983年建成雙循環(huán)地?zé)犭娬疽蛔?，井口溫度?73°C，裝機(jī)容量0.3MW。

      1983年，卡林納循環(huán)公開(kāi)，地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)有了突破。全國(guó)有地?zé)嵫芯炕A(chǔ)的高校和研究機(jī)構(gòu)，陸續(xù)對(duì)卡林納循環(huán)進(jìn)行了初步研究，對(duì)其在1991年建造的實(shí)驗(yàn)電站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了分析。呂燦仁等對(duì)卡林納循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，通過(guò)“P”準(zhǔn)則分析了卡林納循環(huán)相較朗肯循環(huán)效率較高的原因，強(qiáng)調(diào)其工質(zhì)與熱源匹配性上的優(yōu)勢(shì)；薄涵亮等提出了卡林納循環(huán)所應(yīng)用到的氨水混合物熱力性質(zhì)的高精度計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)分析和計(jì)算得出結(jié)論：特定工況下，卡林納循環(huán)存在優(yōu)透平背壓和優(yōu)氨水混合物配比。

      第三階段為90年代中期至今。自93年至03年10年間，我國(guó)沒(méi)有新建地?zé)犭娬?，地?zé)嵫芯科毡榧杏诟邷氐責(zé)豳Y源，中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)研究處于摸索階段。楊嘉祥等人進(jìn)行了可適用于地?zé)嵩吹牡蜏赜酂岚l(fā)電小型設(shè)備實(shí)物化，劉齊壽、鄭丹星和金紅光等研究人員陸續(xù)提出一些以氨水混合物為工質(zhì)、基于卡林納循環(huán)的復(fù)合循環(huán)，并對(duì)這些循環(huán)進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析，結(jié)果顯示此類循環(huán)普遍擁有較好的應(yīng)用前景。

3．2 國(guó)外研究進(jìn)展

      1967年，前蘇聯(lián)在帕拉唐卡（Paratunka）建立了世界上*座地?zé)犭p循環(huán)電站，裝機(jī)容量500kW，使用有機(jī)工質(zhì)。目前該電站還在擴(kuò)容，隨著四號(hào)機(jī)的完善，總裝機(jī)容量將達(dá)到18MW。美國(guó)自70年代開(kāi)始，在雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)實(shí)用領(lǐng)域一直處于，陸續(xù)在加州和愛(ài)德華州等地建成多個(gè)地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電站，裝機(jī)容量從10kW至1500kW，再至10MW，至80年代仍不斷擴(kuò)大。近幾年，美國(guó)除夏威夷地區(qū)新建雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電機(jī)組外，并無(wú)相關(guān)報(bào)道。

      90年代以前，雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)主要應(yīng)用有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）。代表性企業(yè)為始建于1965年的奧馬特（ORMAT）公司，其機(jī)組主要對(duì)應(yīng)低溫?zé)嵩矗üI(yè)余熱等），可以利用90°C左右載熱體進(jìn)行發(fā)電。自80年代中期，卡林納循環(huán)也被引入地?zé)犭p工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)之中。1991年，該循環(huán)發(fā)明人Dr.Alex Kalina的Exergy公司在美國(guó)能源部（D.O.E）的支持下，在加州CanogaPark建造了3MW的試驗(yàn)電站，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試。其后，意大利Ansaldo能源公司獲得授權(quán)，將卡林納循環(huán)技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用于地?zé)犭娬尽Ｄ壳埃?所知的應(yīng)用卡林納循環(huán)技術(shù)的商業(yè)地?zé)岚l(fā)電站為冰島Húsavík電站。

      截至2005年，雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量已達(dá)685MW，占地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量的8%，共有機(jī)組192臺(tái)，占機(jī)組總數(shù)（469臺(tái)）的41%，有越來(lái)越多的國(guó)家加入地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電研究的隊(duì)伍中來(lái)。

4.應(yīng)用實(shí)例及存在問(wèn)題

4.1 國(guó)內(nèi)應(yīng)用實(shí)例—豐順鄧屋異丁烷雙循環(huán)地?zé)嵩囼?yàn)電站（有機(jī)朗肯循環(huán)）

      豐順鄧屋雙循環(huán)地?zé)嵩囼?yàn)電站，于1977年4月建成投入運(yùn)行，其二號(hào)機(jī)組是我國(guó)*臺(tái)采用異丁烷作為工質(zhì)的地?zé)嵩囼?yàn)機(jī)組，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。該機(jī)組所使用地?zé)嵩礊?1°C地?zé)崴?，其?jīng)兩次調(diào)試和改裝，出力穩(wěn)定在180kW，高出力200kW。1978年，該電站進(jìn)行了初步運(yùn)行測(cè)試，解決了機(jī)組振動(dòng)、機(jī)械密封和油路調(diào)節(jié)等問(wèn)題，其后進(jìn)行了自發(fā)自用試驗(yàn)和并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)，證明了異丁烷雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電在技術(shù)上的可行性。

                                                  圖5 豐順鄧屋異丁烷雙循環(huán)地?zé)嵩囼?yàn)電站熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

1、*級(jí)預(yù)熱器 2、*級(jí)蒸發(fā)器 3、第二級(jí)蒸發(fā)器 4、汽輪發(fā)電機(jī)組 5、冷凝器 6、第二級(jí)預(yù)熱器 7、循環(huán)水泵 8、第二級(jí)工質(zhì)泵 9、*級(jí)工質(zhì)泵 10、深井泵

該機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單，但受限于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性等各種因素，于上世紀(jì)80年代停運(yùn)。

 4.2 國(guó)外應(yīng)用實(shí)例—Húsavík地?zé)犭娬荆旨{循環(huán)）

      Húsavík地?zé)犭娬疚挥诒鶏u，于2000年交付使用，現(xiàn)發(fā)電容量為1700kW，總投資370萬(wàn)歐元。其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示：

                                                                                     圖6  Húsavík地?zé)犭娬究旨{循環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖（含運(yùn)行參數(shù)）

      為了證明卡林納循環(huán)的通用性，該電站所使用的設(shè)備元件均為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)元件。其中，汽輪發(fā)電機(jī)為德國(guó)KKK廠生產(chǎn)，熱交換器是美國(guó)生產(chǎn)，蒸發(fā)器換熱面積1600 m2，板式冷凝器換熱面積為2×750 m2，如考慮使用特殊設(shè)計(jì)的裝置，發(fā)電功率還可提升。

      在經(jīng)濟(jì)性上，目前該電站還不具備優(yōu)勢(shì)，對(duì)比同期歐洲市場(chǎng)條件，常規(guī)發(fā)電成本為4歐分/kWh，同類項(xiàng)目建設(shè)成本通常控制在1000美元/kW。該電站在預(yù)算設(shè)計(jì)時(shí)，成本約為1440美元/kW，其中汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組占總投資的30%~35%。為了保證其競(jìng)爭(zhēng)力，Valdimarsson教授提出以下可能的若干解決方案[4]：1）參考德國(guó)對(duì)利用可再生能源發(fā)電進(jìn)行的補(bǔ)貼政策，給予該電站1.65歐分/kWh的政府補(bǔ)貼；2）對(duì)于由于使用可再生能源或是利用余熱發(fā)電所帶來(lái)的CO2減排給予鼓勵(lì)政策，將減排效果進(jìn)行核算量化，轉(zhuǎn)化為鼓勵(lì)資金，可給該電站帶來(lái)1.8~2.2歐分/kWh的獎(jiǎng)金支持；3）適當(dāng)延長(zhǎng)綠色發(fā)電項(xiàng)目的回收期。

4.3 存在問(wèn)題及解決方法

中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電電站目前存在以下主要問(wèn)題：

      1）經(jīng)濟(jì)性較差。應(yīng)用低品位大容量地?zé)嵩窗l(fā)電的電站，受限于地源溫度低等自然條件，普遍存在效率較低的問(wèn)題，進(jìn)而難以保證經(jīng)濟(jì)性，這成為限制中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要原因。但對(duì)于我國(guó)電網(wǎng)難以近期普及而又擁有豐富中低溫地?zé)豳Y源的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其迫切需要電能來(lái)提高當(dāng)?shù)厝嗣裆钯|(zhì)量。因此，開(kāi)發(fā)中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電小型模塊化機(jī)組，滿足此類地區(qū)的需求，已不單單是一個(gè)電站的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，而是維護(hù)整個(gè)地區(qū)社會(huì)穩(wěn)定、提升一方人民生活質(zhì)量、帶動(dòng)整個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)上升和提高邊遠(yuǎn)地區(qū)人民素質(zhì)的綜合問(wèn)題。

      2）缺乏性設(shè)備。以汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為例，中低溫雙循環(huán)發(fā)電技術(shù)所應(yīng)用的汽輪機(jī)，普遍較常規(guī)發(fā)電汽輪機(jī)功率小，且應(yīng)用多為有機(jī)工質(zhì)，在已有示范性項(xiàng)目中，大多通過(guò)改造面向水蒸汽工質(zhì)設(shè)計(jì)的設(shè)備來(lái)運(yùn)行低沸點(diǎn)工質(zhì)。采用并非依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行改造，難以達(dá)到設(shè)計(jì)效率，且低沸點(diǎn)工質(zhì)有其自身特性，在密封防爆等因素上對(duì)設(shè)備提出了更高要求。因此，研究適合中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電的設(shè)備，總結(jié)此類設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以在一定程度上提升發(fā)電效率。

      3）運(yùn)行管理問(wèn)題。由于中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電電站相對(duì)傳統(tǒng)地?zé)岚l(fā)電電站復(fù)雜，且多使用有機(jī)工質(zhì)，因此，對(duì)運(yùn)行管理提出了更高的要求。對(duì)此，一方面，需總結(jié)此類電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，編寫較為細(xì)致的運(yùn)行手冊(cè)，對(duì)從業(yè)人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，另一方面，需實(shí)現(xiàn)中低溫雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)自控化，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，減少人力運(yùn)行成本。

5 、發(fā)展前景

      中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展主要呈現(xiàn)以下兩方面的發(fā)展趨勢(shì)：

     1）大型化趨勢(shì)。中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電站（或是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站）的大型化，可以集中利用大容量地?zé)豳Y源，相對(duì)節(jié)約投資成本，一定程度上彌補(bǔ)低品位地?zé)嵩吹牟蛔?，同時(shí)也順應(yīng)世界發(fā)電電站大型化的趨勢(shì)。目前，應(yīng)用于地?zé)嵩春凸I(yè)余熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)大型發(fā)電設(shè)備應(yīng)經(jīng)在*得到廣泛應(yīng)用。

  2）小型化趨勢(shì)。小型發(fā)電機(jī)組相對(duì)大型發(fā)電機(jī)組效率普遍偏低，且應(yīng)用至中低溫地?zé)嵩?，?jīng)濟(jì)性有待研究。但面對(duì)我國(guó)地?zé)嵩捶植嫉木唧w情況和邊遠(yuǎn)地區(qū)的切實(shí)需求，開(kāi)發(fā)適宜農(nóng)村地區(qū)使用的小型中低溫地?zé)犭p循環(huán)發(fā)電機(jī)組，可以有效提升局部地區(qū)的用電情況。

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