超临界二氧化碳热动力技术应用于地热发电的研究及展望

周 康 赵国斌 Hassan Jafari 吴俊翔

浙江普朗特洛新能源有限责任公司

地球上理论可开发的地热能大约为1.4×1026J，远大于目前全球化石能源的总和[1]。但地热能的商业化开发利用仅局限于地幔隆起、地幔柱（热点）、火山带或者大陆生长边界等地域，包括美国加州海岸山脉的盖瑟尔斯，新西兰北岛拉基地热田，冰岛的雷克雅未克地热田及中国西藏的羊八井地热电站。

我国的干热岩资源集中在东北、西南（包括云南、西藏和青海）及东南沿海地区[2]，岩层的类型为火成岩和花岗岩，而浙江及长三角地区未列入其中。从全国范围来看，浙江省的地热资源及温泉的数量不占优，其温泉数量排在新疆、西藏之后，在青海和内蒙之前，在已经查明地热热泉储量的26个省区中，排名在第22位[3]。然而，研究表明，浙北地区地热能的应用前景不容小觑：平均地热梯度4.19℃/100 m(杭嘉湖地区),与我国东部地区主要新生代沉积盆地比较相对较高，异常面积可达860余平方公里[4]。开发庞大的地热资源储存在几乎没有地热传热介质的“干热岩”（Hot Dry Rock），建造干热岩地热发电系统，面临深钻和水力压裂等许多难点，使地热发电受到了地域限制。最新研发的超临界CO2热动力技术对开发利用干热岩及其它类型的地热资源具有广阔的前景。

1 系统设计方案

研究发现，中低温地热资源储量更大、分布更广、埋深更浅、开发更为经济[5]，其温度范围适合使用超临界CO2而不是水作为传热介质和工作流体[6]。2014年至2017年间，我们逐步研发出一套名为“深岩玫瑰”的地热发电系统终端设计方法，旨在针对中低温工程地热系统（EGS）找出合适发电的一般性策略。该系统使用了超临界CO2·作为主要工作流体，首次尝试将热交换器替换成流体混合步骤；通过凯瑟琳轮整合了压气机、喷射泵、汽轮机组、及冷凝和分离设备，形成一套连贯紧凑的热动力系统。该系统配合超临界CO2与相关工质的传热、传质属性进行设计，显示出提升地热发电效率的潜力。

图1 SITMAP（Solar Integrated Thermal Management and Power）循环

图2 深岩玫瑰核心：喷射泵及汽化室截面示意图

深岩玫瑰包含一个超临界CO2的跨临界循环和一个有机工质的朗肯循环，见图1。两个并联循环通过流体混合后合为一路，在流程设计上参考了SITMAP的环路：借用喷射泵(Jet Pump)提高了废热自身温度实现了高效的辐射散热和系统整体温控[7]。深岩玫瑰的喷射泵与此类似，当作为地热流体的CO2——井口温度在80～140℃，压力在100～200 Bar之间甚至更高，处于超临界态[8]——流经喷射泵，会在喷射泵的文丘里管颈部出现低压区，产生类似引射的效果，见图2；使用轴流式压气机及腔体旋转离心的方式会使流体加速，引射效果更加明显。如此时将第二种处于饱和状态且沸点明显低于CO2温度的工质引射入腔体，流体间的热传递会使该工质处于过热状态，并且在过渡到下一个低压区之前沸腾汽化。这和传统的“蒸汽机”大相径庭，表现在：1）从地热流体到第二种工质，传热使用直接接触，而非热交换器，能量传递更高效完全（虽然仍然有能量的损失）；2） 超临界CO2气化时在喷管处产生的低压，使得过热或饱和的第二种工质在远低于其饱和压力的情况下蒸发汽化，其效果类似于闪蒸，但因为有来自sc CO2持续的热流，蒸发完全而迅速。

超临界CO2为高压系统。绝热升压时，它的温度会上升而可以保持焓值不变；绝热降压时，温度也会随着压力下降，而焓值仍保持不变。当sc CO2从细小的喷嘴喷出、从超临界态变为气态——会产生非常显著的降温，超临界CO2的这项属性使其被运用于金属切削[9]，用于被切削构件的冷却——因而同样可以用于地热发电过程中工质的冷却。原则上，我们可以通过sc CO2的这一属性，通过调整其压力来控制其温度，使得混合流体以高于热储原始温度的状态进入汽轮机，提高汽轮机入口处的温度；它的“自冷却”性能，也可以用于地热发电时工质的降温：最终降低汽轮机组出口处的温度。按照卡诺循环的基本原理，η=1-T2/T1, T2为气体离开汽轮机时的温度（单位为K），T1为气体进入汽轮机时的温度,理论上T2降至越低，T1升至越高，系统效率的上限便可得到提升。深岩玫瑰的核心设计思想便是基于对超临界CO2的热力学属性的调整，进而提升系统的卡诺循环的效率，提高地热发电效率的上限，使得更多的地热能能够转化为发电所需的机械能。

系统的流程见图3。

图3 深岩玫瑰地热发电系统流程图

全套系统可描述如下：将CO2泵送至深度在2 000～3 000 m之间的热储，在超临界CO2完成了地下传热以后，其自身的密度下降，体积膨胀，从生产井回流至地表；辅助以轴流式压气机/“压缩机”的抽吸和凯瑟琳轮的高速自转，将其引至位于地表的地热发电系统内。压气机内的超临界CO2因受到压缩而显著升压升温，加快速度进入到喷射器中，并且在喷射器的颈部的位置到达混合前最大速度和相对的低压，然后通过引射作用完成与另一种处于饱和或者过热状态的有机工质混合。在混合腔内，因混合受热，原本饱和的有机工质受热变为过热的液体，与超临界CO2处于互溶或者微溶的状态。两者一齐通过扩压室，被进一步地加热，并一直向汽化室/蒸发室移动。在连接扩压区与低压区的狭小截面，第二种工质因过热而快速沸腾，变为蒸汽；超临界CO2因失压降温也从超临界态变为气态，两者一齐变为气体。混合气体首先通过一组轴流式汽轮机做功，然后进入悬臂，经由凯瑟琳轮的一组尾喷管喷出，形成喷射流，推动凯瑟琳轮朝一个方向旋转发电，而第一组轴流式汽轮机产生的能量会用于自身所在的腔体的入口处的超临界CO2的温度及压力的调整。悬臂中的气体通过双组分之间的热交换，增大混合气体温降降幅，最终在收集环中，两种工质出现两相分离，在几乎不需要水的冷凝器中完成了冷凝（condenser），被分别泵送至地热热储和贮存罐中贮存。此处便完成了跨临界CO2与有机朗肯循环的复合循环。

该系统设计模型见图4，目标可概括为7个方面：

图4 深岩玫瑰系统模型图-Hassan Jafari建模

1）更加有效的热交换；2）尽量提高进入动力系统工质的温度，降低工质离开动力系统的温度；3）流体作用于汽轮机可产生更大的推力；4）更有效的蒸发；5）可以实时调节输出功率系统；6）更节约水资源；7）作为闭路系统更加环保安全，可用于传导型和对流型的地热系统。

经过基于流体极性和密度的初步筛选，丙烷、乙醇、异丁烷可以作为适合于该过程的第二种有机工质，具体的工质选用及流量依据热源温度和CO2流量进行设计和优化。按照相变焓进行估算，一定流量的丙烷可因sc CO2沸腾而全部变为蒸汽[10]。另一方面，双组分工质增大了流经系统的气体流量；轴流式汽轮机在产生能量的同时降低了气流的流速，有助于提升凯瑟琳轮的喷气式发动机的整体的推进效率[11]，进而提高凯瑟琳轮热动力转化的效率。双组分蒸汽气体亦能提高朗肯循环的效率[12]。因此在该系统中，朗肯循环与CO2跨临界循环都出现了有助于彼此效率提升的现象。实验室阶段的小型深岩玫瑰热动力系统示意图见图5。超临界CO2在绝热加压减压时，温度随着等焓线变化见图6。

图5 实验室阶段的小型深岩玫瑰热动力系统 折剖面图

图6 超临界CO2在绝热加压减压时，温度随着等焓线变化

2 现阶段未解决问题：

目前还存在以下6个方面的问题，有待进一步研究解决：

（1）sc CO2在热储中的行为(温度、压力、流场)是否能做到完全受控，并与地震监测相结合？

（2）sc CO2自降温对混合气体温度影响的强度区间；

（3）如何确保双组分的工质蒸发/气化的完全，不会损坏汽轮机？

（4）悬臂内部，双组分的工质是否会冷凝？在收集环中，双组分气体是否会自动分离，是否需要额外的冷却塔或冷却设备？

（5）两种工质的混合是否会改变各组分的沸点和/或临界点？

（6）系统的理论与实际效率。

3 结论

深岩地热发电的研究仍处在刚起步阶段，但该装置已经显著提高了有机朗肯循环-跨临界CO2复合循环的系统效率，其中提升效率的关键点包括：

（1）通过分别调节双组分工质的温度与压力，增加了进入汽轮机的气流温度。

（2）利用超临界CO2的自冷却效应降低气流离开汽轮机组的温度，并使得汽轮机组出口温度尽可能地低；最大程度地将流体的内能、动能与势能转化为热动力系统的机械能使用双组分蒸汽提升系统的有机朗肯循环的效率；增大了反动式汽轮机的推力。

（4）通过调整双组分工质的压力、流量和温度，让该系统原型机能够适应不同的地热热储的环境，更加具有普适性。

地热成井的成本占整个地热工程总成本的50%以上[13]。因此，通过提高中低温地热发电系统终端的效率降低发电系统对热源最低温度的要求，减少地热钻井的最小深度，从而有力地增强该类型工程地热系统的的可行性，有助于在浙江省尽早实现真正的地热发电，助推我国CO2减排与新能源的开发利用。

[1] 姚兴佳 刘国喜 朱家玲 等人 《可再生能源及发电技术》P410 ISBN 978-7-03-027952-1

[2] Technology Roadmap Geothermal Heat and Power. International Energy Agency

[3] 郝召剑 关于山西地热资源开发利用的研究 山西建筑 第41卷 第5期

[4] 浙江省地热资源及其开发前景 陈维君 物探与化探 第21卷第3期，1997年6月

[5] Souheil et al. Laser Enhanced Drilling for Subsurface EGS Application.Lawrence Livermore National Laboratory. GRC Transaction Vol. 36,2012

[6] Mario Magliocco, et al. Laboratory Investigation of Supercritical CO2 Use in Geothermal Systems, University of California, Berkeley. Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Feb. 11-13, 2013

[7] William E. Lear, et al. Weight Optimization of Active Thermal Management Using a Novel Heat Pump. Contract number 4507460; Award Number NAG3-2630

[8] Karsten Pruess, Enhanced geothermal systems (EGS) using CO2 as working fluid- A novel approach for generating renewable energy with simultaneous sequestration of carbon. Geothermics 35 (2006) 351-367

[9] 来自项目组专家赵国斌、黄宓兰口述，及大连卓尔高科技有限公司网站 www.joel.cn

[10] 与项目组专家黄宓兰通讯信息，2016年6月

[11] 王云 《航空发动机原理》北京航空航天大学出版社 2009年3月 P77 ISBN 978-7-81124-557-8

[12] B H Kahn, 2nd Edition, Non-Conventional Energy Resources. ISBN 978-7-302-23271-1

[13] P. P. Woskov, Reaching Underground Resources- No drilling Required.24, Energy Futures, MIT Energy Initiative, Spring 2012