基于超临界CO2循环的地热与太阳能混合系统研究*

郑开云，黄志强

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240）

0 前 言

随着我国大力推进能源低碳转型发展，可再生能源，包括水、风、光、生物质、地热能等正成为能源开发的热点。根据可再生能源的形态和品位特点，多能互补发电方式是综合提高能源利用率的有效途径之一。对于通过动力循环将热能转化为电能方式的能源，可组成低温热源与高温热源耦合发电系统，以提高整体的发电效率。我国西部地区具有丰富的太阳能资源，许多地区地热也很丰富，例如西藏的羊八井[1]和四川甘孜[2]，两种能源具备协同开发的潜力和条件，特别是近期在青海的共和盆地发现 200℃以上大规模可利用干热岩，而青海地区的太阳能资源也特别多。在地热井附近可因地制宜建设太阳能聚光集热系统，形成太阳能、地热耦合发电站，充分发挥这两种可再生能源的优势。

太阳能和地热相结合的方式有两种[3]：一种是以太阳能为主，另一种是以地热能为主。现有相关文献报道的发电系统主要是基于有机朗肯循环[4]、蒸汽扩容[5]、卡琳娜循环[6]等发电技术，都具备技术可行性，其中有机朗肯循环技术比较成熟，十分适合于中、低温热源发电，但不能用于高温热源。采用聚光型太阳能热发电技术，可提高动力循环的工作温度，从而提高发电系统的效率和能源利用率。太阳能热发电按聚光方式分为塔式、槽式、菲涅尔式、碟式，其中塔式和槽式均已有大规模商业电站。因此，可将地热作为低温热源、太阳能作为高温热源组合成混合热源。

将两种不同的热源耦合还需要合适的动力循环，且与目标地区的环境条件相适应。近年来，超临界CO2（S-CO2）循环技术发展迅速，关键技术不断取得突破。CO2化学性质稳定、密度高、无毒性、低成本，S-CO2循环系统简单、结构紧凑、效率高、可空冷。S-CO2循环在火力发电、核能发电、太阳能热发电、余热发电、地热发电、生物质发电领域均具有良好的应用前景[7]。KIM 等[8]研究了高、低温两种热源耦合的跨临界和超临界的CO2循环，研究表明，S-CO2循环可以实现低温和高温热源的有机结合，对于给定的高温热源，补充低温热源可以增大发电系统出力。WANG等[9]研究了集成太阳能与生物质能的混合发电超临界CO2级联循环，并开展了能量分析和㶲分析，由于生物质能的输入，系统效率对太阳辐照强度的敏感性减少，系统稳定性提高，该发电系统适合于太阳能和生物质能都比较丰富的我国西部地区。因此，S-CO2循环适合作为耦合地热和太阳能的动力循环，但是目前国内外对此鲜有报道。

本文采用S-CO2循环，综合利用地热与太阳能，组成新型的混合发电系统。通过能量方法和㶲方法对系统进行热力学分析，获得系统的热效率和㶲效率，并识别造成㶲损失的主要环节，并提出优化措施。

1 循环系统模型

地热可分为多种类型，其中干热岩温度可达150 ～ 250℃，水热型地热温度较低，在150℃以下，更低温度的还有温泉形式的地热。对于地热发电，温度较高的地热才具有开发价值。本文研究选择温度为 110℃以上的地热，将不同温度的地热与太阳能热组合。太阳能集热方式选择技术上更加成熟的槽式，传热介质为导热油，其最高工作温度可达400℃。对于热源负荷匹配，首先设定系统设计点的净输出功率，再配上循环最大可吸收的地热能，最后按照循环余下的负荷份额配上太阳能。

图1为S-CO2循环系统布置及温熵图，采用简单回热循环模式，地热通过与低温回热器并联的地热能加热器输入给工质，太阳能热通过太阳能加热器输入给工质。基本工艺过程为：低温低压工质进入压缩机升至高压（1→2），然后分为两路吸收热量（2→3），一路经低温回热器吸收透平排出工质的热量，另一路经地热加热器吸收地热能，再经高温回热器吸收透平排出工质的热量（3→4），然后经太阳能热加热器吸收热量达到最高温度（4→5），然后进入透平做功推动发电机工作（5→6），透平排出的工质经高温、低温回热器释放部分热量（6→7→8），最后经预冷器冷却后进入下一个循环过程（8→1）。简单回热循环模式的优点是系统精简且热效率较高，但要注意在某些工况下回热器内部出现“夹点”的问题[10]。

图1 S-CO2循环系统布置及温熵图Fig. 1 Supercritical carbon dioxide cycle layout and T-s diagram

2 循环分析方法

循环分析针对设计点工况进行，其中槽式太阳能聚光集热相关参数列于表1。

表1 槽式太阳能聚光集热相关参数Table 1 Parabolic trough concentrating solar receiving parameters

槽式聚光集热器热效率（ηr）为[11]：

将表1数值代入式（1），可得ηr= 0.7153。

太阳能的㶲（Ex,s）为[12]：

式中，Us为太阳辐照能量，kJ；T0为环境温度，K；Ts为当量太阳温度，K；δ为太阳辐照锥角，δ= 0.005 rad。设Ts= 5 800 K，

地热选择两种类型，一是四川甘孜地区的地热，温度115℃，压力0.34 MPa[2]；二是青海共和盆地的干热岩，据勘探温度可达200℃以上，这里取200℃，干热岩井口压力高，这里取15 MPa[13]。作为对照，本文也对无地热，仅有太阳能热的情况进行分析，从而更加有力地说明地热与太阳能热混合发电的优势。

假设一套50 MW的发电系统，并根据经验选择S-CO2循环的主要参数，列于表2，为便于计算，不考虑发电机损耗、各种机械损失、热损失、管道压损、漏气、辅助设备用电等。CO2工质的物性数据采用美国国家标准与技术研究所（NIST）发布的REFPROP数据库。地热能的携热介质近似为纯水。太阳能热传热介质假设为DOWTHERM A导热油。压缩机出口分流比（进入地热能加热器流量的比例）通过循环效率最优化的计算确定。循环达到稳态时，低温回热器高压侧出口温度与地热能加热器工质侧出口温度相等。

表2 S-CO2循环参数Table 2 Parameters for the S-CO2 cycle

循环的热效率ηcyc为：

式中，Wnet为净输出功率；Ws为太阳能加热器热功率，为太阳辐照功率，kW；Wg为地热能换热器热功率，kW；Wt为透平功率，kW；Wc为压缩机功率，kW。

系统总的热效率ηsys为：

系统的㶲分析过程仅考虑稳流工质的焓㶲，S-CO2循环稳态时，各状态点 CO2工质的焓㶲只取决于给定的状态，是状态参数，比㶲ex,H为：

式中，h为比焓，kJ·kg-1；s为比熵，kJ·kg-1·K-1；下标0表示参考状态（25℃，0.1 MPa）。

由于缺少特性数据，DOWTHERM A导热油的比㶲无法给出，单位质量流量的㶲差（Δex,oil）由下式计算：

式中，Coil为导热油的比热，kJ·kg-1·K-1。根据DOWTHERM A导热油技术数据表[14]，Coil近似取为2.5 kJ·kg-1·K-1。Δex,oil≈ 130.13 kJ·kg-1。

导热油单位质量流量的焓差Δhoil由下式计算：

则，Δhoil≈ 250 kJ·kg-1。

系统或设备中进行的不可逆过程引起的㶲损失（Ex,loss）定义为[15]：

式中，Ex,pain为耗费㶲，kJ；Ex,gain为收益㶲，kJ。

系统或设备的㶲效率ηe表示为：

各设备的耗费㶲和收益㶲列于表3。

表3 各设备和系统的耗费㶲和收益㶲Table 3 Pain exergy and gain exergy for each equipment and system

表4 S-CO2循环热力学计算结果Table 4 Thermodynamic calculation results of the supercritical carbon dioxide cycle

3 分析结果与讨论

3.1 分析结果

对于无地热和115℃、200℃两种地热条件，S-CO2循环在设计点的热力学计算结果列于表4，根据这些数据进行能量分析和㶲分析。

系统能量分析结果列于表 5。无地热、115℃地热和 200℃地热条件下输入系统的地热功率分别为0 kW、61 511.71 kW和84 117.57 kW，太阳辐照功率分别为228 812.67 kW、176 167.86 kW和136 011.77 kW。S-CO2循环热效率为30.55%，系统热效率分别为21.85%（无地热条件）、21.04%（115℃地热条件）和22.71%（200℃地热条件）。

系统㶲分析结果列于表6。S-CO2循环系统㶲效率分别为21.94%（无地热条件）、27.28%（115℃地热条件）和32.28%（200℃地热条件）。

表5 设备功率Table 5 Power of each equipment

表6 设备和系统㶲分析结果Table 6 Exergy analysis results for the equipment and the system

3.2 讨论

从能量分析的结果来看，相比单纯太阳能热无地热的系统，地热与太阳能热混合的循环系统在热效率上没有明显的优势，其中115℃地热工况下，系统总热效率反而有所下降，这是由于无法利用而排入环境的地热所占的比例相对较高造成的。S-CO2循环本身的热效率与热源形式无关，所以保持不变。混合系统的能量利用率得到提升的贡献来自于地热能在系统中的发电效率提高了，单纯的地热能发电效率约10%，而在此混合系统中，地热能按照高于20%的效率发电。

图2 S-CO2循环循环压焓图Fig. 2 P-h diagram of S-CO2 cycle

低品位的地热能能够耦合至 S-CO2循环得益于回热器两侧 CO2工质比热的差异，S-CO2循环具有引入低温热量的天然属性。由图 2的压焓图可进一步说明，图中曲线为等温线和等熵线，a→b→c→d→e→f为简单回热的 S-CO2循环：a→b绝热压缩过程，d→e绝热膨胀过程，c→d加热过程，f→a冷却过程，e→f释放的热量回热给b→c，由于比热差异，c点与e点的温差远大于“夹点”温度。S-CO2循环耦合低温热能的思路是：将 e→f分为e→e’和 e’→f两段，如果 c点回热到更高温度 c’，b→c’分为 b→b’和 b’→c’两段，e→e’段用于回热给b’→c’，且 b’与 e’点温差达到“夹点”温度，但 e’→f段不足以回热b→b’段，缺口部分的热量需要从外部提供。b’点温度较低（＜ 200℃），所以地热非常适合。从表5中地热与太阳能热的比例来看，被利用地热能的量相当可观，可见S-CO2循环吸纳低温热量的能力较强。

从㶲分析的结果可以更加清晰地看到混合系统的优势，耦合115℃和200℃地热的系统㶲效率比单纯太阳能热无地热循环分别提高了5%和10%。

根据图3所示的㶲损失分布情况，可知系统中太阳能聚光集热器的㶲效率最低（见表6），其㶲损失也最大，占总㶲损失的80%以上；其次是除预冷器以外的各类换热器以及透平；压缩机的㶲损失相对较小；预冷器的㶲损失也较小，但这部分㶲损失是不可避免的。因此，提高系统㶲效率的重点是改善太阳能聚光集热器的性能，以及提高各个换热器的效能，前文的循环参数设定中，透平和压缩机的效率基本是按照技术成熟后的水平选取的，进一步提高性能的空间不大。

槽式太阳能聚光集热技术是最早实现商业化运营的太阳能热发电技术，比其他类型的聚光技术更加成熟。目前，这项技术还在不断发展和进步，大规模商业化的进程不断加快。减少太阳能聚光集热器㶲损失的关键在于提高集热管运行温度，但是，导热油的最高工作温度有较大的局限性，有待于高温传热介质（如熔盐）的开发。

系统中换热器包括地热能加热器、太阳能加热器、低温回热器和高温回热器，提高换热器效能即为降低最小换热温差，减少压损。新型的紧凑式换热器（如印刷电路板式换热器、微通道换热器）的选用是有效的解决途径，特别是回热器必须选用此类紧凑式结构，才能发挥S-CO2循环的高效优势。

图3 㶲损失分布Fig. 3 Distribution of exergy loss

4 结 论

（1）基于 S-CO2循环，地热和太阳能热可耦合成混合热源发电系统，其中地热能可以通过与低温回热器并联的一路分流工质吸收，太阳能热可选用技术成熟度较高的槽式聚光集热技术收集，并作为主加热器的热源；

（2）地热和太阳能热混合不提高循环系统总的热效率，但是比单纯利用太阳能热无地热的系统提高总的㶲效率，耦合115℃和200℃地热系统的㶲效率分别提高了5%和10%；

（3）太阳能聚光集热器的㶲效率最低，㶲损失最大，占总㶲损失的80%以上，其次是除预冷器以外的各类换热器以及透平；相比之下，压缩机和预冷器的㶲损失较小；

（4）减少㶲损失的关键是提高太阳能聚光集热器和换热器的性能，包括提高集热管运行温度，以及提高换热器效能。

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