地热能发电系统的动态性能分析

对于实际的地热能发电系统，地热水出口温度和流量可能会出现一定的波动，环境温度也会随着一天的不同时间和不同季节而变化，因此有必要研究地热能发电系统的动态性能。环境温度对空冷式ORC系统的工作性能有重要影响，在夏季高温环境下，冷凝器很难散热，导致冷却风扇功耗急剧增大。基于土耳其Germencik地区的Sinem地热发电厂，Kahraman等分析了环境温度变化对地热能发电系统工作性能的影响［53］。该地热井出口的地热水温度为168.2℃，流量为450 kg/s，该发电系统采用二元地热能发电系统，总输出功率为21.25 MW，净输出功率为18.50 MW。图4-60所示为串联式两级ORC系统的高压涡轮和低压涡轮出口压力随环境温度的变化情况，随着环境温度的升高，两级涡轮出口压力均有不同程度的升高。

图4-60　环境温度对串联式两级ORC系统涡轮出口压力的影响［53］

（a）高压涡轮；（b）低压涡轮

环境温度变化对地热能发电系统工作性能的影响如图4-61所示。随着环境温度的升高，涡轮背压增大，导致净输出功率逐渐减小。当环境温度从5℃升高到35℃时，发电功率下降了6.8 MW，热效率从13.7%下降到9.2%，效率从54.9%下降到36.7%，总平均发电成本从230＄/GJ增加到330＄/GJ。

图4-61　环境温度变化对地热能发电系统工作性能的影响［53］

环境温度会随着季节变化出现明显的波动，图4-62所示为土耳其AFJET地热发电站在不同月份的平均温度下地热能发电系统的净输出功率变化［54］。该地热能发电系统采用简单ORC的二元地热能发电系统，净输出功率为3 MW，冬季的净输出功率明显高于夏季，当从冬季转换到夏季时，净输出功率可下降36%。环境温度在一天的不同时间也会出现一定的波动，从而对地热能发电系统的工作性能产生影响。图4-63所示为在2月的某一天，在按小时平均的环境温度下分析得到的净输出功率变化。在夜间最低0.8℃的温度下，净输出功率为2.696 MW，在白天最高4.2℃的温度下，净输出功率为2.565 MW。在一天之内的白天和晚上，净输出功率会发生5%的波动。

图4-62　月份变化对土耳其AFJET地热发电站地热能发电系统净输出功率的影响［54］

有时地热井出口的地热水温度和流量会发生波动，导致地热能发电系统的工作状态出现变化。为了减小地热水波动对地热能发电系统的影响，印度尼西亚的Lahendong地热能发电系统在二元循环的基础上，加入了一个中间热水和冷却水循环，如图4-64所示。通过采用灵活的控制策略，该系统总的工作性能得到提升［55］。该地热水温度为170℃，气液分离器工作压力为7.9 bar，地热水的回注温度为140℃，设计地热发电功率为500 kW，采用正戊烷为工质的亚临界单级回热式ORC系统。为了减小地热水波动对地热能发电系统的影响，加入一个闭式中间热水循环来吸收系统的热或向系统放热。地热水的能量首先传递给中间热水循环，利用中间热水循环的热水加热ORC系统工质，蒸发后的ORC系统工质驱动涡轮发电机工作，随后在冷凝器中被冷却水冷凝，冷却水吸收的热量经6组冷却风扇散发到环境中。由于加入的热水循环和冷却水循环会造成一定的传热损失，导致系统的净输出功率有所降低，热水循环会带来13%的净输出功率损失，冷却水循环会带来11%的净输出功率损失。

图4-63　土耳其AFJET地热发电站地热能发电系统净输出功率在一天内的变化曲线［54］

图4-64　印度尼西亚的Lahendong地热能发电系统［55］

地热水的设计流量为32 kg/s，入口温度为172.5℃，回注温度为142.5℃，ORC系统的蒸发温度为142.6℃，冷凝温度为49.4℃，工质流量为9.5 kg/s，地热能发电系统的净输出功率为425.5 kW。在2019年4月连续3天测量得到的地热能发电系统的净输出功率如图4-65所示。总输出功率和净输出功率在一天内呈现一定的波动，这是环境温度变化引起的，当环境温度较高时，冷却风扇需要全功率运行，冷却水的温度变化趋势会跟随环境温度变化，导致输出功率降低。

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图4-65　印度尼西亚的Lahendong地热能发电系统连续3天测量的净输出功率［55］

实际的地热能发电系统在整个寿命周期内，地热水的温度和流量会逐渐衰减。例如根据新西兰Taupo火山地区Wairakei地热井的实际运行数据，在开始时，地热水的温度可达131℃，流量为200 kg/s，假设地热水温度在头20年以0.5℃/年的速度降低，在后10年以0.2℃/年的速度下降，可得到地热水温度和流量随时间的衰减曲线如图4-66所示。在此基础上，Budisulistyo等分析了地热源在生命周期内的衰减对地热能发电系统工作性能的影响［56］。该二元地热能发电系统的有机朗肯循环采用正戊烷为工质的亚临界ORC构型，分别根据地热水在第1、7、16和30年的数据为设计点对ORC系统进行设计，对每一个设计方案，以净输出功率最大化为目标进行优化设计，得到4种方案在设计点的工作性能，见表4-12。设计方案1具有最大的净输出功率和最大的部件尺寸，而设计方案4的净输出功率和部件尺寸最小。

图4-66　地热水温度和流量随时间的衰减曲线［56］

表4-12　4个设计方案的主要设计参数对比［56］

利用非设计点工况的ORC模型分析得到4种设计方案在整个寿命周期内的工作性能，如图4-67所示。戊烷流量和净输出功率的变化如图4-67（a）和（b）所示，随着时间的推移，戊烷流量和净输出功率均逐渐减小，这是由于地热水温度和流量随时间衰减造成的，其中设计方案1和2的下降幅度最大，这是由于随着时间的推移，它们的工况点偏离设计点越来越远。设计方案3和4的戊烷流量和净输出功率下降幅度较小，这是因为它们的设计点工况靠近寿命后期，在系统开始工作的前期，由于设计方案3和4的换热器尺寸较小，无法充分利用地热水的能量，导致它们的净输出功率较小，而设计方案1和2的净输出功率在前期明显大于设计方案3和4。ORC系统总效率的变化如图4-67（c）所示，基本上每种设计方案的最大总效率点在设计点附近，设计方案3和4在初期的总效率较低，这是因为净输出功率较小，而地热水的输入较大。

图4-67　4个设计方案在寿命周期内的工作性能［56］

（a）戊烷流量

图4-67　4个设计方案在寿命周期内的工作性能［56］（续）

（b）净输出功率；（c）ORC系统总效率

4种设计方案的总投资成本和净现值见表4-13，总投资成本按照设计方案1到设计方案4的顺序逐渐减小，这是由于系统的规模逐渐减小。设计方案1的净现值明显小于其他3种设计方案，设计方案2的净现值最大。

表4-13　4个设计方案的总投资成本和净现值［56］