低温地热有机朗肯循环发电供热系统性能比较研究

王钊 朱明峰 朱文

中海油节能环保服务有限公司

一、绪论

（一）研究背景

随着化石能源的开采和利用，化石能源供应短缺逐渐成为近些年来的一大问题，环境污染和气候变化等问题也日益突出，上述问题严重阻碍了我国经济、社会的发展，更威胁到人类生存和全球性生态平衡，所以人们亟待从能源更替角度开拓出一条资源与环境协调发展之路。在这条路上，可再生能源的发展无疑为解决当今世界所面临的能源危机和环境问题提供了良好契机，我国对地热、太阳能、风能等可再生的清洁绿色能源利用愈发重视。地热能是无污染的清洁能源，在热量的提取速度不超过补充速度的情况下，热能还是可再生的[1]。地热能大部分来自地球深处，源于地球内部的熔融熔岩和放射性物质的衰变，高温的熔岩将附近的地下水加热，地下水把热量从地下层带到近表层，如今，我国很多地方已开发利用地热能为建筑供热和制冷，大大减少了建筑区域的一次能源消耗量，少数地区的优质地热资源还可用来发电[2]。

（二）研究现状

在我国的地热资源开发中，直接利用地热水进行建筑供热等利用途径也得到了较快发展，其中包括了以天津和西安为代表的地热供热。除地热供热技术发展迅猛外，经过多年的技术积累，地热发电效益提升尤为显著，以西藏羊八井为代表的地热发电为国家带来了巨大的经济效益[3]。对于地热发电的开发，李克旭等[4]介绍了除地热水发电外，利用地热蒸汽、干热岩和岩浆等发电技术的工作原理，并对其进行了比较。秦详熙等[5]在河北沧州搭建了有机朗肯循环（ORC）发电机组，使用地热水源进行了试运行，试运行期间整体效果较好且运行稳定，发电效率高于我国已有中低温地热发电项目与部分国外中低温ORC地热发电项目，文中还提出使用发电后膨胀机凝水进行建筑供热、地热生态园的三级利用方案。国内外的学者针对ORC技术进行了丰富研究，其中包括对工质的选择、运行参数的优化以及系统的改进等方面。王辉涛等[6]选择了10种地热能ORC中作为发电工质的干流体有机工质，比较了系统循环㶲效率及主要热力参数；席奂等[8]人以㶲效率作为目标函数，采用了遗传算法和粒子群算法对响应系统进行了优化，改善了运行参数，使系统运行效率得到提高；博洛尼亚大学的Ancona M A等[7]通过小型ORC实验台，研究了不同操作条件下，生物质余热锅炉的余热回收情况，获取了ORC系统的循环热力性能。

本文模拟研究了常用的地热间接供热系统、地热ORC发电系统、地热ORC发电联合供热系统，在此基础上，提出并研究了一种回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统，分析了四种工艺系统的热力参数及系统性能，为低温地热资源的热、电利用提供理论基础。

二、系统流程

（一）地热间接供热系统

当地热水水质不适合直接供热时，常采用地热水间接供热，该系统坚持“只取热，不取水”的原则，降低对环境的影响，地热间接供热系统如图1所示。地热水由地热井内潜水泵抽出后，直接进入换热器与冷流换热，利用后的地热水被注入回灌井内，回灌水温度不应低于25℃。供热循环水通过换热器被加热后向热用户提供热量，参考《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，年运行费用较经济的供回水温度可取65℃/55℃。

（二）地热ORC发电系统

地热ORC发电系统如图2，地热水由地热井内潜水泵抽出后，直接进入蒸发器与冷流换热，利用后的地热水被注入回灌井内。有机工质在蒸发器中获取热量被加热至气态，随后进入膨胀机做功，膨胀机带动发电机发电。膨胀机出口的乏气进入冷凝器冷却至液态，通过工质泵加压后，返回蒸发器，完成工质循环。冷凝器中冷流一般为循环冷却水，冷却水通过冷却塔或蒸发式冷却器将大量热量排向环境。

（三）地热ORC发电联合供热系统

地热ORC发电联合供热系统如图3，与地热ORC发电系统不同之处在于该系统对经蒸发器换热后的地热水进一步热利用，通过供热换热器再次回收其热量，产生电力和热水产品，是对地热资源的梯级利用。

（四）回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统

在ORC系统中，膨胀机排出的高温乏气在冷凝器中被冷却水冷却，冷却水通常是循环水，由冷却塔或蒸发冷却器冷却换热，使其供、回水温度维持在工艺要求的范围内。对于以低温热水为热源的ORC系统，其冷凝负荷往往巨大，如果能将这部分冷凝热回收，利用它产出更多的热水，可满足热用户更大的热水或供暖需求，是可行的用热方案之一。

图4为满足上述需求的回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统，在图3的地热ORC发电联合供热系统的基础上，该系统回收利用了冷凝器的热量。循环水在水泵出口分成两股流，一股进入冷凝器中先被膨胀机排出的工质加热，换热后的流股与水泵出口的另一流股汇流进入供热换热器被地热水加热。经两次提温后的循环水温可满足供暖水温要求。

三、模拟建立

本文以天津地区某低温地热资源为设计依据，地热取水温度为95℃，水流量为200t/h，回灌水温为63℃。结合上述的地热间接供热系统、地热ORC发电系统、地热ORC发电联合供热系统以及回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统，分别对该低温地热资源加以利用，并分别展开系统流程的模拟研究。在ORC系统中，选用R245fa为系统循环工质，其物性参数如表1所示。

表1 R245fa物性参数

各系统中的换热器均采用逆流换热，考虑到换热器的成本及加工工艺限制，窄点温差不宜小于5℃，地热间接供热系统、地热ORC发电系统、地热ORC发电联合供热系统以及回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统模拟设定值汇总于表2。对于同一地热热源，取回灌温度一致，保证了各个系统从热源获取的总热量相同；冷却水温度参考冷却塔工艺要求；膨胀机、水泵和工质泵的能效参考设备的设计参数。

四、结果分析

在ORC系统中，蒸发温度的选取受热源温度、蒸发器窄点温差、冷凝温度等因素的影响。尤其是当热源是低温热水而非蒸汽时，蒸发器换热窄点温差的影响显著，这是由于工质侧存在相变，而热源侧为单相换热，那么在整个换热过程中，单相流体温度随换热量成线性变化，而两相区流体温度恒定，温度窄点往往出现在工质的两相区位置，换热工况不合适时易出现换热器温度交叉的问题。通过运用软件的灵敏度分析和设计规定相结合，可找到使系统质能达到平衡的最佳运行参数。

流量200t/h，温度95℃的地热水，当回灌水温为63℃时，各个系统可获取总热量均为7.5MW。如图5，当通过地热间接供热系统（系统一）使低温地热水全部用来产供热水时，可获得65℃热水662m3/h，供热循环水供回温度为65℃/55℃，按一般住宅采暖热指标60w/m2计算，供热面积可达12.6万平。系统三和系统四的供热面积分别达8.7万平和12.4万平。

如图6，当不考虑系统换热损失时，利用地热间接供热系统（系统一）可将全部热量用于供热，回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统（系统四）也可获取较多热量。地热ORC发电系统（系统二）可获得约284kW的发电量，而系统四在发电系统中发电最少，仅有75kW，地热ORC发电联合供热系统（系统三）是对地热资源的梯级利用方案，可产出164kW电力及5.2MW的供热量。此外，系统二向环境排放的废热量最多，系统四由于回收利用了全部冷凝换热量，不向环境排热，但系统四对冷凝换热量的回收削弱了其发电性能。

五、结论

通过模拟研究地热间接供热系统、地热ORC发电系统、地热ORC发电联合供热系统和回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统，可获得四种工艺系统的热力参数及系统性能，当地热资源主要用于供热时，应采用地热间接供热系统；当期望得到更多电能时，应采用地热ORC发电系统；采用地热ORC发电联合供热系统可满足用户发电和供热的需求；回收冷凝热的地热ORC发电联合供热系统适合于热负荷大，对电能需求小的情况。