甘孜地热发电能量分析与㶲分析*

邱卓莹，王令宝，李华山，卜宪标†

（1. 中国科学院大学，北京 100049；2. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640）

甘孜地热发电能量分析与㶲分析*

邱卓莹1,2，王令宝2，李华山2，卜宪标2†

（1. 中国科学院大学，北京 100049；2. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640）

本文对四川甘孜的一口地热井进行能量分析和㶲分析，参考该井地热水的温度115℃，采取的发电方式有单级闪蒸系统、预热有机朗肯系统、闪蒸有机朗肯联合系统。结果表明，闪蒸朗肯系统的㶲效率最高（47.81%），预热朗肯系统次之（46.31%），单级闪蒸系统最低（42.83%）。对于有机朗肯循环，发生器的影响因子及㶲损均为最大；而闪蒸部分，闪蒸罐的影响因子最高，但闪蒸朗肯系统将其㶲损减少64.8%，低于汽轮机。计算结果显示，提高闪蒸/发生温度能够提高效率、减少㶲损，而闪蒸朗肯系统中发生温度有较好的优化性能。综上所述，闪蒸有机朗肯联合系统具有最大的净功率（360.8 kW）和最高的㶲效率，而且尾水温度最低，热效率适中，适合用于中低温地热发电。

地热发电；㶲分析；单级闪蒸系统；预热朗肯系统；闪蒸朗肯系统

0 引 言

随着全球人口增长、人们生活水平的提升，加大了对能源需求。电价上涨及影响能源政策的环境问题，使得能源缺口越来越大，刺激了中低温热源发电技术的发展[1]。地热能具有可持续和低排放的特性[2]，虽然现在地热发电总量还很少（67 TW·h[3]），但随着化石能源成本增加和化石能源减少，其未来发展前景广阔。在中国2006年开始实施的《可再生能源法》，将地热能确定为和风能、太阳能等并列的可再生能源[4]。

现在，多数地热电站都是直接利用160℃以上的干蒸汽或者热水闪蒸发电，但高温资源有限而且已基本开发完毕，需要把目光投向温度较低、且含量更加丰富的120℃～160℃之间地热源[5]，如我国的川西康定。

我国川西康定地区的地热发电潜力在150 MW以上，但是目前利用量很小且发展滞后。四川省委、省政府正积极协调和推进地热资源的勘探开发及综合利用，并开展以甘孜州地热发电为重点的地热资源勘察评价[6]。

国内外许多研究学者对地热发电进行了研究。国外Pambudi等[2]对某地热电站的单级闪蒸系统进行㶲分析和优化；Safarian等[7]对基本型和3种改进型有机朗肯系统进行能量分析和㶲分析，其中回热+ 抽气型有机朗肯系统效率最高、㶲损最少；Edrisi等[5]比较了有机朗肯与闪蒸朗肯系统，得出后者做功比前者多25%；国内骆超等[8]比较两级闪蒸和闪蒸朗肯系统的热力性能，论述了其适用条件。

本文以甘孜地区某地热井为研究对象，根据冷热源情况选择发电工艺，对单级闪蒸、预热朗肯、闪蒸朗肯三个系统进行对比研究，运用EES软件进行热力分析和㶲分析以及优化，为后续地热电站的参数设计以及建设提供参考。

1 地热资源情况

图1 地热井区域大地构造位置图Fig. 1 The tectonic location map of geothermal well

地热井位于甘孜康定地区，海拔为3 100 m，完钻层位为三叠系杂谷脑组变质砂板岩，完钻井深1 847 m[9]，1 203 m以上为固井止水，1 203～1 847 m为花管。地热井区域大地构造位置图如图1所示。

为准确把握地热井的热储参数，于2014年8月进行了放喷实验，有效放喷井段1 203～1 847 m。放喷期间，测得地热井口温度为115℃，压力为0.34 MPa（表压），稳定流量为41 t/h。

2 热力过程及热力计算

取上述条件：温度115℃、压力0.34 MPa（表压）、稳定流量41 t/h，按冬季冷却水温度2℃计算。

依据上述冷热源情况，发电方式可以采用单级闪蒸、有机朗肯循环以及闪蒸和有机朗肯联合循环，主要比较其净功率、效率、㶲损和热力学完善度等，选出较优的发电方式。

图2中系统采用混合式冷凝器，冷凝温度为10℃，且闪蒸罐出口为饱和水蒸气。由于地热井为自喷井，无需加提液泵，冷却水采用拦坝取水，也无需耗功。冷却水温升8℃，冷凝温度为10℃。系统的自耗电主要产生在射水泵处。

图2 单级闪蒸系统Fig. 2 Single-stage flashing

图3中在发生器和工质泵之间加入预热器，梯级利用地热资源，降低尾水温度。发生器夹点温度为5℃，预热器出口为饱和液体，发生器出口为饱和蒸汽。冷却水温升6℃，冷凝温度为12℃。

图4是闪蒸朗肯系统图。通过一个增压泵把上述的单级闪蒸系统和预热朗肯系统联合在一起共同发电，地热热水先经过闪蒸部分再经过有机朗肯循环，将梯级利用进一步细化。根据设备和现场情况来选择增压泵。

图3 预热朗肯系统Fig. 3 Preheated ORC

图4 闪蒸朗肯系统Fig. 4 Flashing ORC

本研究选取环保工质R245fa作为朗肯循环有机工质。运用EES软件，以单位热水发电量最大确定最优闪蒸温度、发生温度，如表1所示。运算过程中用到的参数：汽轮机等熵效率0.76、涡轮膨胀机等熵效率0.85、泵等熵效率0.6。发电机效率0.95。选定的温度和压力分别为0℃、101.325 kPa。另外，忽略冷凝器、蒸发器和管道中的压力损失；忽略摩擦损失和环境散热。

表1 各系统最优闪蒸/发生温度Table 1 Optimized evaporation temperature

3 㶲计算与参数

一个系统的㶲由动力㶲、潜㶲、物理㶲和化学㶲组成[7]。

该论文中动力㶲、潜㶲可近似忽略，不考虑化学㶲。目标系统中不同部位蒸汽和水的物理㶲可由下式计算：

其中，h和s分别是物质的比焓和比熵，h0和s0是对应0℃、101.325 kPa时的比焓和比熵。

对于综合的㶲分析，需要计算一些重要的参数。

（1）热力学完善度（α）

αi是部件i 㶲输出（）与㶲输入（）之比。

其中，φi是部件i的㶲损。

理论上任何部件的α应该为1，这只在㶲损为零时才发生。于是部件的热力学完善度越高，其性能越好。

整个系统的㶲损失和热力学完善度为：

（2）㶲效率

系统中不同部件的可用㶲和获得㶲如表2所示。显然部件的㶲效率越高，其性能越好。

表2 系统中不同部件的可用㶲和获得㶲Table 2 Used and available exergy of different components

（3）影响因子

实际上，β是衡量部件对系统性能影响的因子。这个参数能够判定对系统效率作用最强的部件。

4 结果与讨论

4.1 㶲分析

根据计算结果，可以获得各个系统的发电热力参数，如表3所示。表4～6分别列出了单级闪蒸、预热朗肯和闪蒸朗肯系统各节点的㶲分析参数。

由表3的发电参数可知，对于流体稳定流量41 t/h、温度115℃、绝对压力0.44 MPa的地热热源发电，闪蒸朗肯系统的净功率最大（360.8 kW），预热朗肯系统次之，单级闪蒸系统最小。而尾水温度的顺序则相反，即单级闪蒸、预热朗肯系统有较多的地热资源还未利用上就随尾水排出了。表4～6显示系统㶲效率顺序为闪蒸朗肯＞预热朗肯＞单级闪蒸，地热利用程度也符合该顺序，符合上述关于能量分析的说明。

比较表4和表6，闪蒸朗肯系统将单级闪蒸系统中闪蒸罐、汽轮机、凝汽器的㶲损分别减少了64.8%、16.5%、38.8%。㶲损减少使得影响因子最高的闪蒸罐的热力学完善度从82.06%提高至93.7%，㶲效率从75.43%提高至87.35%。

比较表4和表5，闪蒸朗肯系统将预热朗肯系统中发生器、涡轮、冷凝器、工质泵、预热器的㶲损分别减少了45.6%、59.9%、43.3%、71%、66.1%。其中发生器影响因子最高，涡轮膨胀机次之。

结合表4～表6可知，在给定具体冷热源的情况下，闪蒸朗肯系统给出最大的净功率和最高的㶲效率（47.81%）。说明该系统能够更深入地利用地热资源，进行有效发电。

为了深刻地了解上述系统其他部件的㶲损，图5给出了各部件㶲损对于整个系统的百分比。图5证实了有机朗肯循环中发生器的㶲损最大。在闪蒸朗肯系统中闪蒸部分的㶲损比朗肯循环大，即其㶲损占比过半，且该系统闪蒸罐的㶲损小于汽轮机，这是由于其闪蒸温度比预热朗肯系统的高。

表3 各系统的发电参数Table 3 Performance parameters of three systems

表4 单级闪蒸系统的㶲分析Table 4 Exergy evaluation of the single flashing

表5 预热朗肯系统的㶲分析Table 5 Exergy evaluation of preheated ORC

表6 闪蒸朗肯系统的㶲分析Table 6 Exergy evaluation of flashing ORC

图5 各部件㶲损失所占系统的百分比Fig. 5 Percentage of the exergy destroyed in each component

4.2 闪蒸/发生温度对系统性能的影响

这里，我们考察单级闪蒸、预热朗肯，闪蒸朗肯系统，分别编号为系统（a）（b）（c）（d）（c、d均为闪蒸朗肯系统）。其中系统（a）和（d）保持闪蒸温度一致，系统（b）和（c）保持发生温度一致，且都为发电量最大的最优状态。热效率和㶲效率随闪蒸/发生温度的变化见图6。

由图6可知，所有系统的热效率和㶲效率都随着闪蒸/发生温度的升高而增大。对比系统（a）和（d）可知，在较低的闪蒸温度时，单级闪蒸与闪蒸朗肯有相似的热效率和㶲效率，随着温度升高，单级闪蒸逐渐超过闪蒸朗肯。从地热资源的利用深度来看，闪蒸温度为82℃时，单级闪蒸净功率是闪蒸朗肯的63.4%，而前者尾水温度是后者的1.94倍。对于单级闪蒸，较高的闪蒸温度虽然会获得较高的热效率和㶲效率，若同时结合有机朗肯循环，则可以得到更大净功率和更低的尾水温度，加大地热资源的利用深度。

对比系统（b）和（c）可知，闪蒸朗肯的热效率和㶲效率大都高于预热朗肯，发生温度越低，其优势越明显。其实发生温度为80℃时，闪蒸朗肯的优化闪蒸温度高于热水温度（115℃），但受热水温度的限制，实际闪蒸温度只能是115℃，所以闪蒸朗肯的效率才会较低。

图6 热效率和㶲效率对于闪蒸/发生温度的变化图Fig. 6 Variations of the thermal and exergy efficiencies versus evaporation temperature

图6中，㶲效率的增大是由于㶲损随着闪蒸/发生温度的升高而减小，即图7所示。随着闪蒸/发生温度的升高，其与进入系统地热水温的温差减小，使得可用㶲和㶲效率增加，或者减少了系统㶲损失。分别比较（a）和（d）、（b）和（c）可得出，闪蒸朗肯系统中发生温度有较好的优化性能。

图7 㶲损失随着闪蒸/发生温度的变化Fig. 7 Variations of the exergy loss versus evaporation temperature

此外，㶲损失的减少引起该系统在热力学完善度（DTP）的增长。各个系统的热力学完善度随闪蒸/发生温度的变化如图8所示。

图8 热力学完善度随闪蒸/发生温度的变化Fig. 8 DTP Variations of total system versus flash brum/ generator temperature

5 结 论

本文对四川甘孜的一口地热井进行能量分析和㶲分析，结果显示，闪蒸朗肯系统的㶲效率最高（47.81%），预热朗肯次之（46.31%），单级闪蒸最低（42.83%）。虽然闪蒸朗肯系统的㶲损和热效率排在中间，但其净功率最大（360.8 kW）。同时，闪蒸系统中，影响因子最大的部件是闪蒸罐，有机朗肯循环中是发生器影响因子最大。

三种发电方式的热效率和㶲效率都随着闪蒸/发生温度的升高而增加。而改变发生温度的闪蒸朗肯循环的效率较高，说明发生温度有较好的优化性能。闪蒸朗肯系统适用于中低温地热发电，其能量分析和㶲分析也可为电站设计提供参考。

[1] Li T L, Wang Q L, Zhu J L, et al. Thermodynamic optimization of organic Rankine cycle using two-stage evaporation[J]. Renewable Energy, 2015, 75: 654-664.

[2] Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S, et al. Exergy analysis and optimization of Dieng single-flash geothermal power plant[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 78: 405-411.

[3] Bertani R. Geothermal power generation in the world 2005–2010 update report[J]. Geothermics, 2012, 41: 1-29.

[4] 尤孝才, 姚书振, 颜世强, 等. 我国地热资源勘查开发利用及保护对策[J]. 中国矿业, 2007, 16(6): 1-3.

[5] Edrisi B H, Michaelides E E. Effect of the working fluid on the optimum work of binary-flashing geothermal power plants[J]. Energy, 2013, 50: 389-394.

[6] 全国政协委员、民革四川省委副主委张庆成: 加快四川省地热资源开发利用[J]. 建设科技, 2012(05): 21.

[7] Safarian S, Aramoun F. Energy and exergy assessments of modified Organic Rankine Cycles (ORCs)[J]. Energy Reports, 2015, 1: 1-7.

[8] 骆超, 马春红, 刘学峰, 等. 两级闪蒸和闪蒸−双工质地热发电热力学比较[J]. 科学通报, 2014, 59(11): 1040-1045.

[9] 龙小军. 四川省甘孜州康定县高原地热井施工工艺.中国煤炭地质[J]. 2014, 26(07): 60-63.

Energy and Exergy Analysis of Geothermal Generation from Ganzi

QIU Zhuo-ying1,2, WANG Ling-bao2, LI Hua-shan2, BU Xian-biao2
(1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

This paper presents the energy and exergy evaluation of a geothermal well from Ganzi, Sichuan. According to the temperature of geothermal fluid, 115oC, we adopt the power generation system with Single-stage Flashing, Preheated ORC and Flashing ORC. The results demonstrate that the Flashing ORC owns the highest exergy efficiency of (47.81%), followed by Preheated ORC (46.31%), Single-stage flashing owns the lowest (42.83%). For ORC, influence coefficient and exergy loss of generator are the maximum； for flashing, flash drum has the biggest influence coefficient, but Flashing ORC make the exergy loss reduce 64.8% which is lower than the turbine’s. The results confirm that higher evaporation temperature can increase exergy efficiency and decrease exergy loss, and evaporation temperature of generator has better optimization for Flashing ORC. Flashing ORC system that owns the highest network (360.8 kW) and exergy efficiencies, the lowest tail temperature and medium thermal efficiency, is suitable for low-temperature geothermal power generation.

geothermal generation； exergy analysis； single flashing； preheated ORC； flashing ORC

TK529；TE249

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.03.008

2095-560X（2015）03-0207-07

邱卓莹（1990-），女，硕士研究生，主要从事地热发电的研究。

2015-04-20

2015-05-08

国家863项目（2012AA053003）；广州市珠江科技新星专项(2014J2200079)；甘孜地区地热发电技术研究项目（10500000-14-ZC0607- 0005）

† 通信作者：卜宪标，E-mail：buxb@ms.giec.ac.cn

卜宪标（1979-），男，博士，副研究员，主要从事地热/工业余热发电及综合利用等方面的研究。