贵州中低温地热发电可行性研究

胥越阳，徐亚田，蒋 来

(贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

贵州中低温地热发电可行性研究

胥越阳，徐亚田，蒋 来

(贵州师范大学机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

随着化石能源对环境与大气污染问题对人们生活生产带来的巨大挑战，绿色环保的可再生能源利用逐步引起了人们的关注，而地热资源作为可再生的绿色清洁能源具有巨大的开发潜力，是21世纪最受人们关注的新能源之一。相对于太阳能和风能发电的间隙性，地热能发电相对较为稳定，本文通过在前期对贵州地热分布、地热储能情况进行的调研，利用低温发电理论对贵州地热温泉发电的可行性进行了分析研究，研究显示贵州地热具有一定的发电潜力，可以成为未来多能源发电的组成部分，有利于区域微网的建设与实现。

地热分布；中低温发电；有机朗肯循环(ORC)；新能源

贵州独特的地质背景、地质构造和良好的生态环境造就了较为丰富的地热资源，贵州地热资源主要以低温及中低温地热为主[1]，属板内地热，全省地热资源主要分布于黔北、黔东北、黔中和黔西南地区，温度较高的地热水资源分布在黔北、黔东北、黔中和黔南地区[2]。根据前期调研所得到的贵州地热分布及其水温范围可知，采用中低温地热发电技术较适用于贵州地热发电。

1 中低温发电原理

1.1 中低温热水发电系统

中低温热水发电多采用有机朗肯循环(ORC)，这种方法具有效率高，设备简单、噪音低、投资小等特点[3]。低温热水发电采用的有机朗肯循环(ORC)中的工质通常是水蒸气,系统由四大设备：锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵组成。工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩四个过程,使热能不断转化为机械能。ORC技术与常规的水蒸气朗肯循环相比有很多优点，因此采用ORC技术可回收更多的热量。热力循环系统如图1所示，图2为T-S(温—熵图)其中纵坐标为温度，横坐标为熵。

图1 有机朗肯循环系统图

图2 有机朗肯循环T-S图

在热源温度和流量稳定的情况下，循环热力参数的确定，主要是确定工质的蒸发温度和冷凝温度[4]。在循环中，蒸发温度决定了系统循环工质流量以及在涡轮机中的焓降，而对于净输出电功存在一个最大值，就是“最佳蒸发温度”，循环最佳蒸发温度和最佳冷却水温度可以根据单位质量的热流体得到净输出的最大电功(即最大发电量)[5]。

1.2 ORC循环系统工质选择

在选择动力工质时，除了满足具有低温臭氧破坏(ODP)和温室效应(GWP)[6]以外，还应满足两个主要条件：1) 在T-S图中，其中ORC循环接近表示可用大小的三角形，即潜热小，显热大的工质，如图3；2) 在T-S图中，其饱和蒸汽线斜率dT/dS>0的干性工质，或者dT/dS趋于正负无穷的绝热工质，使工质在膨胀终了状态后有适度的干度，如图4。

图3 低沸点工质的T-S图

图4 不同性质工质的T-S图

1.3 ORC循环系统热力计算

在确定了循环工质以及最佳蒸发温度和最佳凝结温度以后，可以得出发电系统的净输出电功(即最大发电量)。

W净max=m(wT-wP)-w′P-m″wP″ .

(1)

其式中m表示地热水的质量/kg，公式计算如下：

m=c′pm(t′1-t1opt-δt′)ηv/r.

(2)

其中c′pm表示热流体的平均比热，kJ·kg-1·℃-1；t′1表示热流体温度，℃；t1opt表示地热水的最佳温度，℃；δt′指热流体的最小传热温度，℃；ηv指蒸发器的效率；r指的是汽化潜热，kJ·kg-1。

式(1)中wT指涡轮机的输出功比，其公式：

wT=(h1-h2)ηTηMηG.

(3)

其中h1、h1表示比焓，kJ·kg-1；ηT、ηM、ηG分别表示涡轮机、机械、发电机的效率，其效率是设备所固有的，通过设备铭牌可得到。

式(1)中wP指循环泵的输出功比，公式如下：

wP=v3(p4-p3)/(ηPηEM) .

(4)

其中v3表示比容，m3·kg-1；p4、p3表示压力，MPa；ηP、ηEM分别指循环泵、电动机的效率。

式(1)中w′P指热流体循环泵的功比，其公式：

w′P=gH′/(η′Pη′EM) .

(5)

其中g为重力加速度，m·s-2；H′为热流体循环泵扬程，m；η′P、η′EM分别指热流体循环泵、热流体电动机的效率。

式(1)中w″P指冷却水泵的输出功比，计算可由式(6)得到：

w″P=gH″/(η″Pη″EM) .

(6)

其中H″为冷却水泵扬程，m；η″P、η″EM分别指冷却水泵、冷却电动机的效率。

式(1)中m″指冷却水的质量，计算公式如下：

m″=m[h1-(h1-h2)ηT-h3]/(c″pmΔt″opt) .

(7)

其中c″pm表示冷却水的平均比热，kJ·kg-1·℃-1；Δt″opt表示最佳冷却水温增量。

其热量Q：

Q=m∈(h1-h3-wP)/ηv.

(8)

其中m∈为单位质效，ηv为蒸发器的效率。

发电效率η：

η=W净max/Q.

(9)

2 贵州地热发电可行性分析

2.1 贵州地热分布

根据贵州地热分布的情况，贵州省温泉及热水井水温以低温为主，多在30 ℃～50 ℃之间，最高65 ℃，最低21 ℃[7]。温度较高的温泉、热水井主要分布在黔北、黔东北、黔中和黔南地区，分布明显受北东向断裂带控制。故此，借鉴于国内目前已建成地热电站，相比较之下地热发电可行地区有以下几处：

息烽温泉位于息烽县城东北面41 km处，是中国西南有名的温泉。温泉四周山峦起伏，黑滩河、清水河汇合其间，两河汇合处，热泉分三处涌出，水温达53 ℃～56 ℃。

剑河温泉位于贵州省凯里市剑河县，现存6口泉眼。泉水晶莹清澈，每秒钟流量10公升，各泉眼温度不同，从38 ℃～50 ℃。

石阡温泉在贵州石阡县南部城南松明山下，延续至今已有400多年的历史，有着独特传统的洗浴文化，是全国唯有、世界少有既可洗浴，又能直接饮用的天然矿泉温泉。常年恒温45 ℃。

水晶温泉景区位于绥阳县温泉镇，所取水源为娄山关地层，出水温常年为51 ℃。

以上几处地热温度相比贵州其他地热资源地区而言，其地热水温度较高，并且稳定，用于发电的可行性较高。

2.2 贵州地热发电可行性分析

通过中低温热水发电ORC循环系统热力计算[8]，取蒸发器、冷凝器最小传热温差为5 ℃，蒸发效率为0.98，涡轮机效率、机械效率、发电机效率、循环泵效率、电动机效率分别为0.78、0.98、0.92、0.6、0.88，热流体泵的效率、扬程及对应的发电机效率分别为0.7、20 m、0.88，冷却水泵的效率、扬程及对应的发电机效率分别为0.75、20 m、0.88。预取冷却水温度升为5 ℃，则冷凝温度为30 ℃。查蒸汽特性表根据各温泉的温度，可以知道蒸发、蒸汽的比焓和比容，则：

根据低温热水发电ORC循环系统热力计算公式(每公斤热流体)则对息烽温泉可有：

涡轮机的输出功比wT：

wT=(2 598.26-2 372.25)×

0.78×0.98×0.92=158.941 kJ .

循环泵的输出功比wP：

wP=10.022 6(1.15-0.101)÷

0.6÷0.88=19.912 kJ .

热流体循环泵的功比w′P：

w′P=9.8×20÷0.7÷0.88=318.182 kJ .

冷却水泵的功比w″P：

w″P=9.8×20÷0.75÷0.88=296.970 kJ .

地热水质量m：

m=4.2×5(63-30-5)×0.98÷

42.315=13.618 kg .

冷却水质量m″

m″=0.243[2 598.26-(2 598.26-2 372.25)×

0.78-226.02]÷(4.2×5)÷10=5.082 kg .

系统净输出功率w净max：

w净max=13.618(158.941-19.912)-318.182-

5.082×296.970=65.913 kW .

计算出各个温泉的预发电量(净功率)如下表所示：

表1 每公斤热流体预发电量

3 总结

本文通过采用中低温发电原理，对具有丰富地热资源的贵州进行了地热发电的可行性分析研究，根据前期调研结果结合地热发电分析，得出息烽、剑河温泉具备地热发电的条件，可以进行中低温地热水发电。这一结果为贵州的多能源分布式智能电网改造提供了一定的参考，这样不仅可以有效降低化石能源的消耗，而且还可以有效地对环境进行保护。随着地热发电技术的不断的发展和改进，贵州地热发电将会有更加广阔的前景。

[1] 任湘，唐宁华.中国地热资源及其开发利用.中国新能源和可再生能源[M].北京：中国科学技术出版社，1991：95-97.

[2] 毛健全.贵州省地热资源特征、分布规律、开发现状及其发展远景[D].中国西部地热资源开发战略研究论文集,2001.

[3] 冯驯，徐建，王墨南.有机朗肯系统回收低温余热的优势[J].节能技术，2010,28(5):387-391.

[4] 张圣君.低温地热发电循环理论优化与有机工质朗肯循环性能试验[D].天津：天津大学，2012：50-57.

[5] 严家.低温热能发电方案中选择工质和确定参数的热力学原则和计算式[J].工程热物理学报,1982,3(1):4-6.

[6] 王补宣，朱明善.低温余热动力回收方案的拟定方法[J].机械工程学报,1982,18(3):1-9.

[7] 韩至均，金占.贵州省水文地质志[M].北京:地震出版社，1996.

[8] 储静娴.低温发电ORC工质与系统经济性优化研究[D].天津:天津大学,2009.

Feasibility Study of Low Temperature Geothermal Power Generation in Guizhou

Xu Yueyang, Xu Yatian, Jiang Lai

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,GuizhouNormalUniversity,GuiyangGuizhou550025,China)

In twenty-first Century, energy has become one of the factors that restricts the sustainable development of the world economy and society. Geothermal resource, as a renewable green clean energy with great potential for development, is one of the most popular new energy in twenty-first Century. Compared with the gap time of solar and wind power generation, geothermal power is relatively stable, and reliable renewable energy. According to the Guizhou geothermal distribution, geothermal energy is analyzed, based on the theory of low temperature power generation, this paper analyzes the feasibility of geothermal power generation in Guizhou The study shows that Guizhou has a certain potential for geothermal power generation, can become an integral part of future multi energy power generation and conductive to the implementation of the construction of regional network for micro.

geothermal distribution; low temperature; organic Rankine cycle (ORC); new energy

2016-12-24

胥越阳(1994- )，男，四川人，在读本科，专业：电气工程及其自动化。

1674- 4578(2017)01- 0093- 04

M616

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