双压蒸发二元地热能发电系统的优化

针对某些温度较高的中温地热能，采用双压蒸发策略，可降低地热水与有机工质之间的换热损失，有效提高系统性能。基于克罗地亚的Velika Ciglena地热田的175℃地热水，Guzovic等分析了双压蒸发有机朗肯循环的性能［41］，采用异戊烷为工质，与常规的单压蒸发有机朗肯循环相比，虽然热效率稍有降低（13.96%对14.1%），但效率（65%对52%）和净输出功率（6.37 MW对5.27 MW）均有明显增加。

图4-49所示为采用双压蒸发有机朗肯循环的二元地热能发电系统［42］，整个系统包括地热水循环、有机朗肯循环和冷却水循环3个部分，ORC系统采用两级蒸发策略。通过建立系统的数学模型，可根据经济性、环境指标和安全性等不同目标进行多目标优化分析，对工质流向HX2和PMP2的分配比、每一个换热器的工作温度和压力、两个冷凝器之间的分配比、涡轮入口压力和温度等工作参数进行优化。

图4-49　采用双压蒸发有机朗肯循环的二元地热能发电系统［42］

基于西班牙Zaragoza地区的地热源，地热水的温度为164.34℃，压力为3.912 MPa，当分别采用苯、甲苯和环己烷为工质时，二元地热能发电系统性能的多目标优化结果见表4-10。采用甲苯时的输出功率最大，达到10.458 MW，采用环己烷时的输出功率为10.28 MW，稍低于采用甲苯时，而采用苯时的输出功率明显较低。另一方面，甲苯的最高工作压力最小，但是冷凝压力也远低于环境压力，3种工质中采用甲苯的总风险值最低。

表4-10　基于多目标优化的双压蒸发二元地热能发电系统结果［42］

续表

冰岛东北部的Krafla地热田，现有35口地热井，安装有两台30 MW的有机朗肯循环发电系统。图4-50所示为现有系统的总体结构，其采用双闪蒸系统。高压分离器水平布置，低压闪蒸罐垂直布置，采用旋风分离设计，涡轮入口均安装有除湿器。基于Krafla地热田新开挖的地热井，Langella等分析了采用双压蒸发的有机朗肯循环对系统性能提升的潜力［43］。

图4-50　冰岛K rafla地热田现有的发电系统［43］

改进设计方案1如图4-51所示。该方案采用三压闪蒸系统，充分利用高温地热水的能量。将现有地热水的温度分为3类：超高压地热井、高压地热井、低压地热井。从超高压地热井流出的气液两相地热水进入超高压分离器（VHPS），分离出的1.5 MPa的蒸气进入超高压涡轮膨胀做功，分离出的饱和液态水进入低压分离器（LPS），与原双闪蒸系统相比，增加的超高压分离器可充分利用超高压地热井的能量，减小损。从高压地热井流出的地热水进入高压分离器分离出0.88 MPa的蒸气与超高压涡轮流出的蒸气混合后，进入主涡轮的高压级膨胀。三压闪蒸系统可输出81.9 MW的净功率，与目前现有系统的62 MW净输出功率相比，可提高28%。

图4-51　改进设计方案1［43］(www.xing528.com)

改进设计方案2如图4-52所示，该方案在现有系统的基础上，增加了一个简单ORC系统作为底循环，从低温分离器流出的液态水用于加热ORC系统。当ORC系统采用异戊烷为工质时，可额外输出3.1 MW的净功率。改进设计方案3如图4-53所示，该方案在三压闪蒸系统的基础上，增加ORC系统作为底循环，进一步利用低压分离器出口的液态水能量。ORC系统采用R134a为工质，可输出4.56 MW的净功率，与设计方案1相比，净输出功率可再提高5%。

图4-52　改进设计方案2［43］

图4-53　改进设计方案3［43］

现有方案的净输出功率为61.9 MW，效率可达41.5%；改进设计方案1的净输出功率为81.9 MW，效率为48.0%；改进设计方案2的净输出功率为65.1 MW，效率为43.5%；改进设计方案3的净输出功率为86.5 MW，效率为50.7%。与现有系统相比，采用三压闪蒸系统可有效提高系统性能，进一步采用ORC系统，也可在一定程度上进一步提高能效。

对采用双压蒸发策略的ORC系统，其涡轮通常设计为两个独立零件，Zanellato等基于土耳其的AKCA地热发电站设计了一种带两个入口的新型径向流出式涡轮［44］。图4-54^[1]（a）所示为土耳其的GREENECO地热发电系统，其采用传统的两个独立的涡轮，高压涡轮采用四级，低压涡轮采用二级，高压涡轮和低压涡轮分别连接到发电机转子轴的两端。图4-54（b）所示为土耳其的AKCA地热发电系统，该新型径向流出式涡轮由意大利Exergy公司设计制造，采用双入口的单个涡轮，高压采用三级膨胀，低压采用二级膨胀。

图4-54　土耳其的GREENECO地热发电系统和ACKA地热发电系统［44］

（a） GREENECO 地热发电系统； （b） ACKA 地热发电系统

传统的径向流入式涡轮适用于相对较小的体积膨胀比，而轴流涡轮可设计为多级形式，以提高膨胀比，从而提高系统效率。轴流涡轮需要采用悬臂式布置，以利于安装和维修，但是对三级以上涡轮也带来振动和转子动力学方面的问题，同时轴流涡轮的低压级需要采用扭转叶片，设计难度加大。与传统的径向流入式和轴流式涡轮相比，径向流出式涡轮具有很多优点：径向流出式涡轮在一个涡轮盘上加工出多级叶片，级负载减小，膨胀效率提高，振动降低。级半径和叶片高度的增加有利于实现高的体积流量比，同时，由于叶片周向速度一样，叶片可采用直纹型线。

土耳其的GREENECO地热发电系统的热源为140℃的地热水，输出13 MW的净功率，两个独立的ORC系统采用异戊烷为工质，高压ORC系统采用回热式，并采用2个串联的预热器，低压ORC系统采用简单式，设置一个预热器。涡轮入口的工质为饱和气态，两个涡轮安装在一根轴的两端。AKCA地热发电系统的净输出功率为3.6 MW，将地热水从105℃降低到60℃，采用R245fa为工质，双入口的径向流出式涡轮使系统的集成度提高，成本降低。图4-55为两个系统的现场图，换热器采用管壳式设计。对于GREENECO地热发电系统，高压涡轮的效率为84.3%～86.4%，低压涡轮的效率为88.1%～88.65%，总能效可达10.8%，对应效率为58.1%。对于AKCA地热发电系统，涡轮的效率为88.8%～96.1%，系统总能效和效率分别为10.0%和68.2%。

图4-55　土耳其的GREENECO地热发电系统和ACKA地热发电系统的现场图［44］

（a）GREENEO地热发电系统；（b）ACKA地热发电系统