双循环地热发电系统浅析

李翔

（河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054000）

0 引言

现今，随着经济社会的不断发展，世界能源危机和环境问题日益严峻，开发储藏量大且环境友好的新型替代能源逐渐受到各国政府和科学家的重视。地热资源以其极高的清洁性、运行稳定性和空间分布广泛性已成为世界各国重点研究和开发的新型清洁能源，并且逐渐被应用到了发电技术中。地热发电技术可分为很多种，其中双循环地热发电系统可以降低地热发电的能源利用温度，提高地热发电资源总量，具有很好发展潜力。

1 双循环地热发电系统

目前在地热发电中最为常见的技术就是双循环地热发电系统，该系统是通过对地下热水的利用，实现对某种低沸点工质的加热，并进入汽轮机中工作的地热发电系统。此类循环系统的出现成为了较闪蒸地热发电系统更加完善的循环系统[1]。该系统在地面上采用深井泵抽取地下热水到蒸发器中后，通过换热实现对某一沸点较低的介质的加热，使低沸点工质蒸发，然后进入汽轮机，为汽轮机工作提供动力并转化为电能。汽轮机释放出的乏汽通过冷凝器的冷凝作用转变为液体，然后借助工质泵再次回到蒸发器进行二次加热，进而实现循环利用。为了实现对地热水余热的充分利用，地热水在蒸发器中排出后，会先进入到预热器中对来自冷凝器的低沸点工质液体进行预热，提升其温度，直到与蒸发器内饱和工质的温度接近后再进入蒸发器。想要避免地热井中抽取的地热水在输送期间不闪蒸为蒸汽，并且溶解在水中的气体不溢出，则管路中的热水压力要始终大于其温度对应的饱和压力[2]。

目前双循环地热发电系统按其应用原理可分为两类循环系统：

1.1 有机朗肯循环

有机朗肯循环系统可以实现热能-动能-电能的转化，属于典型的双循环地热发电系统之一，且其结构较为简单，运行维护较为方便，具有良好的研究价值和市场潜力。有机朗肯循环的性能受选用工质的影响很大，工质类型、化学性能、物理性能、临界值等因素都会直接影响有机朗肯循环的结构和运行条件。目前，有机朗肯循环多使用氯乙烷以及正戊烷等低沸点有机工质，在换热工作中所采用的地热流体和有机工质为中低温型和低沸点型，后者在经过蒸发后能够产生压力较高的蒸汽，进而推动汽轮机工作产生电能[3]。

1.2 卡琳娜循环

卡琳娜循环所采用的工质为氨水混合物，其最大的特点是变温相变，能够减少传热过程中的不可逆损失，提高热利用效率，因此在温度较高的地热资源中，可以提高余热的利用率。卡琳娜循环有着与有机朗肯相似的循环过程，然而两者有着如下区别：

（1）在热源吸收热量时，氨水混合物在还没有完全沸腾的情况下，具有能够与变热源良好匹配的温度，实现了对更多热量的逆向传递。

（2）在冷源释放热量时，通过对混合工质成分浓度的改变，能够减少“冷端”给混合工质带来的影响，促进混合工质在低压力下的完全冷凝。通过对比以上两种循环系统能够得知，采用卡琳娜循环系统进行循环能够更好的匹配热源，减少热源的不可逆损失。但是其在制冷和回热阶段比有机朗肯循环系统对设备的要求更高，需要有更多的成本投入[4]。

2 双循环地热发电系统的优势

相比闪蒸系统来说，双循环地热发电系统具有如下特点：

（1）由于所采用的工质沸点并不高，因此减压扩容后的闪蒸系统能够容纳的蒸汽体积更小，而末级叶轮的大小和排气管的大小，决定着需要采用的汽轮机的大小，而在双循环地热发电系统中使用的管道与排气管十分接近，也无需过高的造价。

（2）地下热水在蒸发器内与低沸点工质的换热是间接的，热力阶段并没有直接涉及到地热水，所以地热水在汽轮机内不会受到气体杂质和固体杂质带来的影响而出现腐蚀。

（3）对于不同化学类型的地下热水都能够适用。

（4）对于地下热水的温度要求不高[5]。

（5）一旦地热排水在地下回灌，无法凝于水的气体依然存在于热水中，并且会一同在地下回灌，不会对地面大气造成污染。由于地热井中抽出的热水会不断回灌到地下，并保持压力不变，因此并不会析出水中所包含的各类结垢，井管和管道系统间也不会产生结垢。

3 双循环地热发电系统的影响因素

3.1 蒸发温度

循环工质在蒸发器中与热源换热，所能达到的最高温度就是蒸发温度。循环工质的热效率与蒸发温度的高低成正比，当蒸发温度升高，循环系统的吸热温度也会升高，循环工质气体的做功能力也越大，热功转化能力越强，循环工质的热效率也会明显上升。循环工质蒸发温度的高低，不仅取决于蒸发器的结构、换热方式、节点温差的大小，还与热源的温度和形式（气体或者液体）有关。

3.2 冷凝温度

循环工质在冷凝器中由气体凝结成液体的温度就是冷凝温度。循环工质的热效率与冷凝温度高低成反比，当冷凝温度升高，循环系统的吸热量减少，造成循环系统输出的功率减少，从而循环工质的热效率也会降低。同时，冷凝温度限制了螺杆机的背压，一定程度上决定了工质的最大膨胀比，从而间接影响了系统的做功能力。所以，选用较低的冷凝温度能够提高循环系统的热效率。

3.3 膨胀比

循环工质气体经过膨胀机，膨胀向外做功，将从热源处回收的热能转化为机 械能。因此，膨胀机相当于低温发电系统的“心脏”，它是整个热力循环中不可或 缺的关键环节。膨胀比是指出膨胀机出口处工质气体的体积，与膨胀机进口处工质气体的体积之比。膨胀比代表了工质的膨胀做功能力，膨胀比越大，工质蒸汽膨胀的倍数越大，则所能输出的机械功越多。

综上，膨胀比是影响发电系统的一个重要因素。系统设计要努力做到蒸发温度、冷凝温度以及螺杆膨胀机膨胀比相互匹配，才能确保系统运行的稳定性，从而最大限度的发挥双循环地热发电系统的潜力。

4 双循环地热发电系统的发展趋势

4.1 低沸点工质选择

双循环地热发电系统的低沸点工质选择十分重要，需要具备良好的热传导性能、良好的发电性能、适中的饱和压力、稳定的化学性能、低廉的价格等要求。但是在实际应用中，同时满足上述所有要求的低沸点工质是很少的，只能选择在实际系统运行条件下各项性能相对较好的物质作为循环工质。目前常用的低沸点工质有异丁烷、正丁烷、氟里昂11、氟里昂114等。为了充分利用不同工质的不同优点，采用混合工质也是未来发展的一种选择。

4.2 双循环地热发电系统小型化

我国中低温地热资源大多集中在偏远地区，而该地区往往急需为人们的生产生活提供电能。因此，在未来发展中，不仅要保证电站的经济性，并且需要为社会稳定和人们生活水平的提升提供保障[6]。以小型模块化为目标，对中低温双循环地热发电机组进行开发研究，以此来实现对人们需求的满足，不仅能提升电站经济性，而且有利于偏远地区人们综合素质的提升[7]。

4.3 双循环地热发电站(或是联合循环发电电站)大型化

集中利用地热资源相对来说可以节约投资成本，在一定程度上能够弥补中低温地热资源低品位的不足，同时也符合国际上地热电站大型化的发展方向。目前，在国际上，有机朗肯循环大型发电设备已广泛应用于地热源和工业余热源[8]。

5 结语

双循环地热发电系统通过对地下热水的利用，实现对某种低沸点工质的加热，并进入汽轮机中工作的地热发电系统。此类循环系统按其应用原理可分为有机朗肯循环和卡琳娜循环。双循环地热发电系统的影响因素主要有蒸发温度、冷凝温度、膨胀比等。系统设计要努力做到与蒸发温度、冷凝温度以及螺杆膨胀机膨胀比相互匹配，才能确保系统运行的稳定性，从而最大限度的发挥双循环地热发电系统的潜力。 在未来的发展中，我们要逐渐对双循环地热发电系统进行优化，对其低沸点工质选择、双循环地热发电系统小型化及双循环地热发电站（或是联合循环发电电站）大型化发展进行深入研究。