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大容量地热有机朗肯循环发电机组配置研究

2021-04-06高亭亭尤清华王春民

电力勘测设计 2021年3期
关键词:热器预热器工质

高亭亭,尤清华,王春民,高 嵩

(1. 北京电力设备总厂有限公司,北京 102401;2. 中国能源建设集团有限公司工程研究院,北京 100022)

0 引言

地热发电是地热能利用的重要方式之一。20世纪70年代,我国在广东丰城建立了第一座地热电站,发电功率仅0.1 MW[1],之后又在西藏羊八井、西藏羊易、云南瑞丽、河北献县等地建设了地热电站[2-3]。目前,我国地热发电装机容量仍不足70 MW,地热发电装机容量较小,技术发展缓慢,尚不能满足可再生能源多样化、平衡发展的要求。

有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)发电系统热源温度最低可达80 ℃[4],能更有效地利用80~200 ℃的地热资源。ORC地热发电系统利用地下热水的热量来加热有机工质,使液态有机工质变为蒸汽,推动透平做功,由透平带动发电机发电。ORC发电系统地热发电系统主要设备包括预热器、蒸发器、透平、发电机、回热器、冷凝器及工质泵等,与常规火力发电相比,以地热资源作为热源,不需要设置庞大的锅炉系统,系统构成简单、布置紧凑。

本文以某地热电站二期项目为例,通过对地热资源品质分析,建立17.6 MW大容量ORC发电系统模型,对发电机组配置进行了研究,并对系统性能进行了预测分析。

1 项目概况

根据一期项目资料显示,地热井出口热源为汽水混合物,共有1号及2号两口地热井,1号井口流体温度最高可达159.3 ℃,压力为0.58 MPa,2号井口流体温度最高可达173.5 ℃,压力为0.96 MPa,每口井可产地热水431.35 t/h及地热蒸汽40.8 t/h。井口出来的地热流体首先进入汽水分离器,分离出的蒸汽和热水分别通过厂外蒸汽母管和热水母管送至厂区。厂区内ORC地热发电系统流程如图1所示,进入厂区内地热流体设计温度为143.3 ℃,设计压力为0.4 MPa,地热蒸汽及地热水接至ORC地热发电机组蒸发器与有机工质进行首次换热。凝结后的地热蒸汽经凝结水泵升压并与换热后的地热水混合,进入预热器与有机工质进行二次换热,随后进入地热尾水回灌系统。

图1 ORC地热发电机组工艺流程

2 热力系统计算

2.1 有机工质筛选

在ORC发电系统中,有机工质选择是最重要的环节之一,有机工质的性质对热源回收效率及系统设备选型有决定性作用[5]。有机工质选择一般要考虑安全性、环保性、热力循环特性三个方面。

1)安全性。一般来说,无毒且不可燃的有机工质是最好的,但完全符合条件的工质较少。在密封较好的条件下,可接受使用可燃工质,但具有毒性的工质是不可接受的[6]。

2)环保性。选用臭氧耗损潜值(ozone depletion potential,ODP)为0,全球变暖潜值(global warming potential,GWP)较小的工质。

3)热力循环特性。主要考虑有机工质干湿性、临界点、汽化潜热等特性。根据工质在T-S图中饱和蒸汽线的形状,依照dT/dS值工质分为三类:干工质(dT/dS>0)、湿工质(dT/dS<0)和绝热工质(dT/dS→±∞)。对于不采用过热的ORC系统,为避免透平出现水击现象,应使用干工质或绝热工质。为防止有机工质凝结及保证循环过程能够实现,工质熔点要低于ORC系统最低工作温度,工质临界温度要高于冷凝温度;为避免空气进入到冷凝器中,工质冷凝压力要大于10 kPa。在蒸发温度及冷凝温度一定的条件下,有机工质汽化潜热越大,相变过程中吸收的热量越多,透平输出功越大;有机工质密度越大,输出相同功率所需体积流量越小,设备尺寸也相应减小。要选择汽化潜热大、密度大的工质。

初步选出正戊烷、正己烷、异戊烷三种工质为研究对象,它们均为汽化潜热大、密度大、无毒干工质,对臭氧层无破坏性,对全球变暖影响较小。

2.2 系统热力计算模型

ORC系统工作过程与传统水蒸气朗肯循环工作过程相似,图2所示为有机工质实际变化过程。点1、点2分别代表蒸发器出口、汽轮机出口有机工质状态参数,点2'表示工质在绝热膨胀过程中的理想状态终点参数,1—2为饱和蒸汽在透平中实际做功的过程;点3'表示回热器热侧出口有机工质状态参数,2—3'为乏汽在回热器中预冷过程;点3、点4分别表示冷凝压力下有机工质饱和汽、饱和液参数,点5表示冷凝器出口有机工质状态参数,3—5为乏汽在冷凝器中凝结过程;点6表示工质泵出口有机工质状态参数,5—6为液态工质经工质泵升压过程;点7、点8分别表示回热器冷侧出口及预热器出口有机工质状态参数,6—7为液态有机工质在回热器中吸收乏汽热量的过程,7—8为液态工质在预热器中加热过程;点9表示蒸发压力下有机工质饱和液参数,8—1为液态工质在蒸发器中等压吸热成为饱和蒸汽的过程。

图2 ORC系统T-S图

系统计算模型如下:

1)工质流量:

式中:mI为工质质量流量,kg/s;Wwf为透平输出功率,kW;ηis为透平等熵效率与机械效率乘积;h1、h2分别为透平进出口工质焓值,kJ/kg。

2)回热器换热量:

式中:Qrx为工质泵出口液态工质在回热器中吸热量,kW;Qrf为透平出口乏汽在回热器中放热量,kW;h6、h7分别为回热器冷侧进出口工质焓值,kJ/kg;h2、h3'分别为回热器热侧进出口工质焓值,kJ/kg。

3)预热器换热量:

式中:Qpx为工质在预热器中吸热量,kW;h7、h8分别为预热器工质侧进出口工质焓值,kJ/kg。

4)蒸发器换热量:

式中:Qex为工质在蒸发器中吸热量,kW;h8、h1分别为蒸发器工质侧进出口工质焓值,kJ/kg。

5)冷凝器换热量:

式中:Qcf为工质在冷凝器中放热量,kW;h3'、h5分别为冷凝器进出口工质焓值,kJ/kg。

6)工质泵功耗:

式中:Wp为工质泵功耗,kW;h6、h5分别为工质泵进出口工质焓值,kJ/kg;ηp为工质泵效率。

7)冷却内机功耗:

式中:ma为冷却内量,m3/s;ρ为内机入口空气密度,kg/m3;Wa为冷却内机功耗,kW;k为电机储备系数,取1.1;Pa为内机全压,Pa;ha、ha'分别为透平进出口工质焓值,kJ/kg;η0为内机内效率;η1为内机机械效率;η2为电动机效率。

8)系统循环热效率:ORC系统动力循环热效率是衡量地热能利用和转换效益的重要指标,热效率等于ORC系统净输出功率与有机工质从热源中实际吸收的热量的比值。

式中:ηth为系统循环热效率。

2.3 有机工质热力循环特性计算

参考当地冷源、热源条件及项目一期设计参数,在蒸发温度127.2 ℃,冷凝温度24.4 ℃,汽轮机额定发电功率8.8 MW的条件下,根据2.2节热力系统计算模型,对初选的三种工质热力学循环特性进行计算,设计条件下计算结果见表1。

表1 工质热力学循环特性表

由表1可知,采用正戊烷作为有机工质时循环热效率最小,采用正已烷与异戊烷作为有机工质热效率相差不大,但异戊烷体积流量远小于正已烷。综合考虑各方面因素,确定采用异戊烷作为有机工质。

3 设备配置选型

3.1 预热器和蒸发器

ORC系统常用换热器有管壳式和板式两种[5]。管壳式与板式换热器相比,换热系数小且占地面积大,但是由于具有容量大、泄漏少等优点,因此更适合该电站工质情况。

液态有机工质先后在预热器和蒸发器内吸收热量,最终转换成为饱和蒸汽。预热器和蒸发器全部采用管壳式,机组共配置1台有效换热面积为3 192.9 m2的蒸发器和2台有效换热面积为2 881 m2的预热器。

3.2 透平

透平的主要作用是将有机工质蒸汽的内能转换为机械能,是ORC系统的核心设备,主要有螺杆式、轴流式、径流式等形式。螺杆式透平属于容积型透平,一般功率较小,适用于小型ORC系统;径流式和轴流式属于速度型透平,流量及输出功率大于容积式透平,其中,轴流式透平输出功率最大。由于有机工质本身可能存在易燃易爆(烷烃类)、有毒、对环境有害等特点,有机工质透平对密封系统的要求更加苛刻[7]。

系统采用二拖一的方案,选用2台卧式轴流式透平同轴驱动1台发电机,透平额定功率8.8 MW,额定转速1 500 r/min,设计进口压力1.245 MPa,出口压力0.094 MPa,采用双端面机械密封的方式。

3.3 发电机

发电机是将机械能转换为电能的设备,设计选型需满足透平在不同工况下运行。为保证透平机械能全部传递给发电机,不会因产生剩余机械能产生超速,一般发电机功率要大于透平功率。

选用1台额定功率24 MW的发电机,额定电压6.3 kV,额定频率50 Hz。

3.4 回热器

工质泵出口液态工质在进预热器之前,先通过回热器吸收自身在乏汽状态时放出的热量。机组共配置2台有效换热面积为1 600 m2的管壳式回热器。

3.5 冷凝器

项目所在地夏季月均最高温度不超过13 ℃,当地水资源严重短缺,适合采用直接空冷的冷却方式。机组设计室外气温0℃,机组发电负荷主要取决于室外气温情况。空冷冷凝器采用不锈钢管加铝翅片管,5排管布置,共分为28个带内机的换热单元,总换热面积为187 590 m2。

3.6 工质泵

工质泵是ORC系统中提升压力的设备,ORC系统中常用的有叶片式离心泵、轴流泵和容积式隔膜泵等几种形式。隔膜泵结构较复杂,体积大,造价高;离心泵和轴流泵结构简单,造价低,离心泵适用于小流量、大扬程的场合;轴流泵适用于大流量、小扬程的场合,可将轴流泵做成多级形式以提高扬程。为适应电厂变负荷运行的情况,工质泵一般需采用变频控制。

选用4台立式轴流透平泵,流量为6.77 m3/min,扬程为293.8 m,额定转速为1 490 r/min,额定功率为355 kW,级数为14级。

4 系统性能分析

本项目ORC系统采用直接空冷的冷却方式,可使发电厂节约80%的用水[8]。轴流透平额定发电功率高于其他形式透平发电功率,表2列出了不同形式透平在地热发电项目中的应用情况,单台轴流透平额定功率8.8 MW,系统采用2台透平同轴驱动1台发电机的方式,机组发电功率高达17.6 MW,容量高于目前国内其他地热发电机组。

表2 不同形式透平在地热电站中应用情况表

表3中列出了项目所在地每月平均气温情况[9]及对应环境温度下现场运行数据预测值。图3显示了ORC系统循环热效率随不同月份环境温度变化的情况。可以看出,系统发电功率及循环热效率随环境温度升高而减小。ORC系统设计环境温度0 ℃,总发电功率17.6 MW。室外温度大于0 ℃时,最小发电功率为12.31 MW,热效率能保持在12.66%以上。当室外温度小于0 ℃时,机组可满负荷运行,最高发电功率可达19 MW以上,循环热效率最高可达15.29%。电站年发电量可达12 573万kWh。

图3 不同月份ORC系统循环热效率变化图

表3 运行情况预测数据表

5 结语

本文针对某地热电站二期项目,通过建立大容量ORC发电机组热力系统计算模型的方法,对机组进行了系统配置及性能预测研究,结果表明,系统采用异戊烷作为有机工质综合性能最好,系统发电功率及循环热效率随环境温度升高而减小,最高发电功率可达19 MW以上,发电机组装机容量高于目前国内其他地热发电机组,可以在一定程度上改善我国地热发电装机容量小的现状。

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