中低温地热双循环发电技术发展与应用
1、引言
步入21世纪，人类对能源的依赖程度持续加大，化石能源消耗量的激增和由此带来的环境污染，已引起*的重视。近几十年来，各种可再生能源发电技术得到越来越多的关注，其中，应用相对较早、发展较为成熟的地热能发电技术，呈现向中低温地热源取热发电的趋势。
世界上只有不足1/4的地热源属于高温地热源，以我国为例，已探明的高温地热田仅约150处，多集中分布在地中海－喜马拉雅地热带一线和环太平洋地热带一线（中国台湾地区），而剩余广大的国土面积蕴含的地热源多属于中低温地热源 。我国某些拥有中低温地热资源的边远地区，迫切需要电能来促进当地居民的经济活动，提高居民生活质量，但由于各种原因导致电网近期难以普及，而中低温地热发电电站可以有效解决此类局部地区的供电情况，对社会稳定和经济发展做出一定贡献。
２、地热双循环发电技术
图1 区别示意图
地热双循环发电技术，又名中间介质地热发电法，与其他地热发电技术大的区别在于使用两种流体作为发电系统的工质。如图1所示，其他地热发电技术通常是地热水蒸汽（或汽水混合物）直接或闪蒸进入发电系统做功转换为电能。对于中低温地热资源，产生蒸汽的参数低，其做功能力不足等特点限制了地热发电的应用。而地热双循环发电系统，地热流体携热进入热交换器，将热传递给另一种工质（通常为低沸点工质），该种工质得热蒸发进入汽轮机做功。两者相比，后者更适合中低温地热源发电，且有避免地下水污染等优势。
现今使用的地热双循环发电技术，按照所应用的循环不同主要分为两类：
1） 有机朗肯循环
图2 有机朗肯循环系统示意图
有机朗肯循环，示意图如图2所示，通常使用低沸点有机工质，如氯乙烷、正戊烷和异戊烷等，利用中低温地热流体与低沸点有机工质换热，使后者蒸发，产生具有较高压力的蒸汽推动汽轮机做功发电。在T—S图上对比了水蒸汽循环和有机工质朗肯循环各自的特点，并归纳出后者在低温热源发电上相较前者的若干优势。
2） 卡林纳循环
图3 卡林纳循环系统示意图
卡林纳循环，使用氨水混合物作为工质，其基本过程类似于有机朗肯循环，如图3所示，但有两点重要的区别：1）在热源吸热时，非共沸的氨水混合物与变热源温度有良好的匹配性，减少了热量传递过程的不可逆性；2）在冷源放热时，通过改变混合工质成分浓度的方法，减少了混合工质在“冷端”的不利性，实现较低压力下混合工质的*冷凝。为了在“冷端”实现变混合工质成分浓度的目的，卡林纳循环利用吸收式制冷技术和回热技术，在设备成本投入上高于有机朗肯循环。
对比以上两种循环，卡林纳循环在热源的匹配性上较有机朗肯循环更好，如图4所示，因此在热源侧不可逆损失较少。文献选取了卡林纳循环的一种形式建立了模型，并在相同边界条件下对比有机朗肯循环进行了计算，结果显示前者整体效率高于后者15%，而Canoga Park卡林纳试验电站的运行数据显示前者较后者净效率至少可以提高3%。
3. 研究进展
3.1 国内研究进展
我国开展地热双循环发电研究在时间上大致分为三个阶段。
*阶段为70年代初至80年代中期。此阶段中，在全国各地陆续建成地热双循环发电实验性机组多台，对地热双循环发电做出了初步尝试，但由于地热资源（水温偏低）的限制或是技术上的不完善，这些电站陆续停产或是拆除。
第二阶段为80年代中期至90年代中期。此阶段，没有进行自主技术的地热双循环实验性电站的建立。1993年西藏地区所建成的双循环地热电站（联合国开发计划署援助项目），使用机组为以色列ORMAT公司产品，装机容量为1MW，井口温度为110°C 。此外，中国台湾土场地区在1983年建成双循环地热电站一座，井口温度为173°C，装机容量0.3MW。
1983年，卡林纳循环公开，地热双循环发电技术有了突破。全国有地热研究基础的高校和研究机构，陆续对卡林纳循环进行了初步研究，对其在1991年建造的实验电站运行参数进行了分析。吕灿仁等对卡林纳循环进行了热力学分析，通过“P”准则分析了卡林纳循环相较朗肯循环效率较高的原因，强调其工质与热源匹配性上的优势；薄涵亮等提出了卡林纳循环所应用到的氨水混合物热力性质的高精度计算方法，在此基础上通过分析和计算得出结论：特定工况下，卡林纳循环存在优透平背压和优氨水混合物配比。
第三阶段为90年代中期至今。自93年至03年10年间，我国没有新建地热电站，地热研究普遍集中于高温地热资源，中低温地热发电技术研究处于摸索阶段。杨嘉祥等人进行了可适用于地热源的低温余热发电小型设备实物化，刘齐寿、郑丹星和金红光等研究人员陆续提出一些以氨水混合物为工质、基于卡林纳循环的复合循环，并对这些循环进行了模拟计算和分析，结果显示此类循环普遍拥有较好的应用前景。
3．2 国外研究进展
1967年，前苏联在帕拉唐卡（Paratunka）建立了世界上*座地热双循环电站，装机容量500kW，使用有机工质。目前该电站还在扩容，随着四号机的完善，总装机容量将达到18MW。美国自70年代开始，在双循环发电技术实用领域一直处于，陆续在加州和爱德华州等地建成多个地热双循环发电站，装机容量从10kW至1500kW，再至10MW，至80年代仍不断扩大。近几年，美国除夏威夷地区新建双循环地热发电机组外，并无相关报道。
90年代以前，双循环发电技术主要应用有机朗肯循环（ORC）。代表性企业为始建于1965年的奥马特（ORMAT）公司，其机组主要对应低温热源（工业余热等），可以利用90°C左右载热体进行发电。自80年代中期，卡林纳循环也被引入地热双工质发电系统之中。1991年，该循环发明人Dr.Alex Kalina的Exergy公司在美国能源部（D.O.E）的支持下，在加州CanogaPark建造了3MW的试验电站，并进行了现场运行测试。其后，意大利Ansaldo能源公司获得授权，将卡林纳循环技术商业化应用于地热电站。目前，*所知的应用卡林纳循环技术的商业地热发电站为冰岛Húsavík电站。
截至2005年，双循环地热发电总装机容量已达685MW，占地热发电总装机容量的8%，共有机组192台，占机组总数（469台）的41%，有越来越多的国家加入地热双循环发电研究的队伍中来。
4.应用实例及存在问题
4.1 国内应用实例—丰顺邓屋异丁烷双循环地热试验电站（有机朗肯循环）
丰顺邓屋双循环地热试验电站，于1977年4月建成投入运行，其二号机组是我国*台采用异丁烷作为工质的地热试验机组，整体系统设计简图如图5所示。该机组所使用地热源为91°C地热水，其经两次调试和改装，出力稳定在180kW，高出力200kW。1978年，该电站进行了初步运行测试，解决了机组振动、机械密封和油路调节等问题，其后进行了自发自用试验和并网发电试验，证明了异丁烷双循环地热发电在技术上的可行性。
图5 丰顺邓屋异丁烷双循环地热试验电站热力系统设计简图
1、*级预热器 2、*级蒸发器 3、第二级蒸发器 4、汽轮发电机组 5、冷凝器 6、第二级预热器 7、循环水泵 8、第二级工质泵 9、*级工质泵 10、深井泵
该机组系统简单，启动迅速，运行稳定，维护简单，但受限于设计经验和经济性等各种因素，于上世纪80年代停运。
4.2 国外应用实例—Húsavík地热电站（卡林纳循环）
Húsavík地热电站位于冰岛，于2000年交付使用，现发电容量为1700kW，总投资370万欧元。其系统简图如图6所示：
图6 Húsavík地热电站卡林纳循环系统简图（含运行参数）
为了证明卡林纳循环的通用性，该电站所使用的设备元件均为标准工业元件。其中，汽轮发电机为德国KKK厂生产，热交换器是美国生产，蒸发器换热面积1600 m2，板式冷凝器换热面积为2×750 m2，如考虑使用特殊设计的装置，发电功率还可提升。
在经济性上，目前该电站还不具备优势，对比同期欧洲市场条件，常规发电成本为4欧分/kWh，同类项目建设成本通常控制在1000美元/kW。该电站在预算设计时，成本约为1440美元/kW，其中汽轮机发电机组占总投资的30%~35%。为了保证其竞争力，Valdimarsson教授提出以下可能的若干解决方案[4]：1）参考德国对利用可再生能源发电进行的补贴政策，给予该电站1.65欧分/kWh的政府补贴；2）对于由于使用可再生能源或是利用余热发电所带来的CO2减排给予鼓励政策，将减排效果进行核算量化，转化为鼓励资金，可给该电站带来1.8~2.2欧分/kWh的奖金支持；3）适当延长绿色发电项目的回收期。
4.3 存在问题及解决方法
中低温地热双循环发电电站目前存在以下主要问题：
1）经济性较差。应用低品位大容量地热源发电的电站，受限于地源温度低等自然条件，普遍存在效率较低的问题，进而难以保证经济性，这成为限制中低温地热发电技术发展的主要原因。但对于我国电网难以近期普及而又拥有丰富中低温地热资源的偏远地区，其迫切需要电能来提高当地人民生活质量。因此，开发中低温地热双循环发电小型模块化机组，满足此类地区的需求，已不单单是一个电站的经济性问题，而是维护整个地区社会稳定、提升一方人民生活质量、带动整个地区经济上升和提高边远地区人民素质的综合问题。
2）缺乏性设备。以汽轮机发电机组为例，中低温双循环发电技术所应用的汽轮机，普遍较常规发电汽轮机功率小，且应用多为有机工质，在已有示范性项目中，大多通过改造面向水蒸汽工质设计的设备来运行低沸点工质。采用并非依据实际工况进行设计的设备进行改造，难以达到设计效率，且低沸点工质有其自身特性，在密封防爆等因素上对设备提出了更高要求。因此，研究适合中低温地热双循环发电的设备，总结此类设备的设计经验，可以在一定程度上提升发电效率。
3）运行管理问题。由于中低温地热双循环发电电站相对传统地热发电电站复杂，且多使用有机工质，因此，对运行管理提出了更高的要求。对此，一方面，需总结此类电站运行经验，编写较为细致的运行手册，对从业人员进行专业培训，另一方面，需实现中低温双循环地热发电系统自控化，实现自动化操作，减少人力运行成本。
5 、发展前景
中低温地热双循环发电技术的发展主要呈现以下两方面的发展趋势：
1）大型化趋势。中低温地热双循环发电站（或是联合循环发电电站）的大型化，可以集中利用大容量地热资源，相对节约投资成本，一定程度上弥补低品位地热源的不足，同时也顺应世界发电电站大型化的趋势。目前，应用于地热源和工业余热源的有机朗肯循环大型发电设备应经在*得到广泛应用。
2）小型化趋势。小型发电机组相对大型发电机组效率普遍偏低，且应用至中低温地热源，经济性有待研究。但面对我国地热源分布的具体情况和边远地区的切实需求，开发适宜农村地区使用的小型中低温地热双循环发电机组，可以有效提升局部地区的用电情况。
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