大容量地热有机朗肯循环发电机组配置研究

高亭亭，尤清华，王春民，高 嵩

(1. 北京电力设备总厂有限公司，北京 102401；2. 中国能源建设集团有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

地热发电是地热能利用的重要方式之一。20世纪70年代，我国在广东丰城建立了第一座地热电站，发电功率仅0.1 MW[1]，之后又在西藏羊八井、西藏羊易、云南瑞丽、河北献县等地建设了地热电站[2-3]。目前，我国地热发电装机容量仍不足70 MW，地热发电装机容量较小，技术发展缓慢，尚不能满足可再生能源多样化、平衡发展的要求。

有机朗肯循环(organic rankine cycle，ORC)发电系统热源温度最低可达80 ℃[4]，能更有效地利用80～200 ℃的地热资源。ORC地热发电系统利用地下热水的热量来加热有机工质，使液态有机工质变为蒸汽，推动透平做功，由透平带动发电机发电。ORC发电系统地热发电系统主要设备包括预热器、蒸发器、透平、发电机、回热器、冷凝器及工质泵等，与常规火力发电相比，以地热资源作为热源，不需要设置庞大的锅炉系统，系统构成简单、布置紧凑。

本文以某地热电站二期项目为例，通过对地热资源品质分析，建立17.6 MW大容量ORC发电系统模型，对发电机组配置进行了研究，并对系统性能进行了预测分析。

1 项目概况

根据一期项目资料显示，地热井出口热源为汽水混合物，共有1号及2号两口地热井，1号井口流体温度最高可达159.3 ℃，压力为0.58 MPa，2号井口流体温度最高可达173.5 ℃，压力为0.96 MPa，每口井可产地热水431.35 t/h及地热蒸汽40.8 t/h。井口出来的地热流体首先进入汽水分离器，分离出的蒸汽和热水分别通过厂外蒸汽母管和热水母管送至厂区。厂区内ORC地热发电系统流程如图1所示，进入厂区内地热流体设计温度为143.3 ℃，设计压力为0.4 MPa，地热蒸汽及地热水接至ORC地热发电机组蒸发器与有机工质进行首次换热。凝结后的地热蒸汽经凝结水泵升压并与换热后的地热水混合，进入预热器与有机工质进行二次换热，随后进入地热尾水回灌系统。

图1 ORC地热发电机组工艺流程

2 热力系统计算

2.1 有机工质筛选

在ORC发电系统中，有机工质选择是最重要的环节之一，有机工质的性质对热源回收效率及系统设备选型有决定性作用[5]。有机工质选择一般要考虑安全性、环保性、热力循环特性三个方面。

1)安全性。一般来说，无毒且不可燃的有机工质是最好的，但完全符合条件的工质较少。在密封较好的条件下，可接受使用可燃工质，但具有毒性的工质是不可接受的[6]。

2)环保性。选用臭氧耗损潜值(ozone depletion potential，ODP)为0，全球变暖潜值(global warming potential，GWP)较小的工质。

3)热力循环特性。主要考虑有机工质干湿性、临界点、汽化潜热等特性。根据工质在T-S图中饱和蒸汽线的形状，依照dT/dS值工质分为三类：干工质(dT/dS＞0)、湿工质(dT/dS＜0)和绝热工质(dT/dS→±∞)。对于不采用过热的ORC系统，为避免透平出现水击现象，应使用干工质或绝热工质。为防止有机工质凝结及保证循环过程能够实现，工质熔点要低于ORC系统最低工作温度，工质临界温度要高于冷凝温度；为避免空气进入到冷凝器中，工质冷凝压力要大于10 kPa。在蒸发温度及冷凝温度一定的条件下，有机工质汽化潜热越大，相变过程中吸收的热量越多，透平输出功越大；有机工质密度越大，输出相同功率所需体积流量越小，设备尺寸也相应减小。要选择汽化潜热大、密度大的工质。

初步选出正戊烷、正己烷、异戊烷三种工质为研究对象，它们均为汽化潜热大、密度大、无毒干工质，对臭氧层无破坏性，对全球变暖影响较小。

2.2 系统热力计算模型

ORC系统工作过程与传统水蒸气朗肯循环工作过程相似，图2所示为有机工质实际变化过程。点1、点2分别代表蒸发器出口、汽轮机出口有机工质状态参数，点2'表示工质在绝热膨胀过程中的理想状态终点参数，1—2为饱和蒸汽在透平中实际做功的过程；点3'表示回热器热侧出口有机工质状态参数，2—3'为乏汽在回热器中预冷过程；点3、点4分别表示冷凝压力下有机工质饱和汽、饱和液参数，点5表示冷凝器出口有机工质状态参数，3—5为乏汽在冷凝器中凝结过程；点6表示工质泵出口有机工质状态参数，5—6为液态工质经工质泵升压过程；点7、点8分别表示回热器冷侧出口及预热器出口有机工质状态参数，6—7为液态有机工质在回热器中吸收乏汽热量的过程，7—8为液态工质在预热器中加热过程；点9表示蒸发压力下有机工质饱和液参数，8—1为液态工质在蒸发器中等压吸热成为饱和蒸汽的过程。

图2 ORC系统T-S图

系统计算模型如下：

1)工质流量：

式中：mI为工质质量流量，kg/s；Wwf为透平输出功率，kW；ηis为透平等熵效率与机械效率乘积；h1、h2分别为透平进出口工质焓值，kJ/kg。

2)回热器换热量：

式中：Qrx为工质泵出口液态工质在回热器中吸热量，kW；Qrf为透平出口乏汽在回热器中放热量，kW；h6、h7分别为回热器冷侧进出口工质焓值，kJ/kg；h2、h3'分别为回热器热侧进出口工质焓值，kJ/kg。

3)预热器换热量：

式中：Qpx为工质在预热器中吸热量，kW；h7、h8分别为预热器工质侧进出口工质焓值，kJ/kg。

4)蒸发器换热量：

式中：Qex为工质在蒸发器中吸热量，kW；h8、h1分别为蒸发器工质侧进出口工质焓值，kJ/kg。

5)冷凝器换热量：

式中：Qcf为工质在冷凝器中放热量，kW；h3'、h5分别为冷凝器进出口工质焓值，kJ/kg。

6)工质泵功耗：

式中：Wp为工质泵功耗，kW；h6、h5分别为工质泵进出口工质焓值，kJ/kg；ηp为工质泵效率。

7)冷却内机功耗：

式中：ma为冷却内量，m3/s；ρ为内机入口空气密度，kg/m3；Wa为冷却内机功耗，kW；k为电机储备系数，取1.1；Pa为内机全压，Pa；ha、ha'分别为透平进出口工质焓值，kJ/kg；η0为内机内效率；η1为内机机械效率；η2为电动机效率。

8)系统循环热效率：ORC系统动力循环热效率是衡量地热能利用和转换效益的重要指标，热效率等于ORC系统净输出功率与有机工质从热源中实际吸收的热量的比值。

式中：ηth为系统循环热效率。

2.3 有机工质热力循环特性计算

参考当地冷源、热源条件及项目一期设计参数，在蒸发温度127.2 ℃，冷凝温度24.4 ℃，汽轮机额定发电功率8.8 MW的条件下，根据2.2节热力系统计算模型，对初选的三种工质热力学循环特性进行计算，设计条件下计算结果见表1。

表1 工质热力学循环特性表

由表1可知，采用正戊烷作为有机工质时循环热效率最小，采用正已烷与异戊烷作为有机工质热效率相差不大，但异戊烷体积流量远小于正已烷。综合考虑各方面因素，确定采用异戊烷作为有机工质。

3 设备配置选型

3.1 预热器和蒸发器

ORC系统常用换热器有管壳式和板式两种[5]。管壳式与板式换热器相比，换热系数小且占地面积大，但是由于具有容量大、泄漏少等优点，因此更适合该电站工质情况。

液态有机工质先后在预热器和蒸发器内吸收热量，最终转换成为饱和蒸汽。预热器和蒸发器全部采用管壳式，机组共配置1台有效换热面积为3 192.9 m2的蒸发器和2台有效换热面积为2 881 m2的预热器。

3.2 透平

透平的主要作用是将有机工质蒸汽的内能转换为机械能，是ORC系统的核心设备，主要有螺杆式、轴流式、径流式等形式。螺杆式透平属于容积型透平，一般功率较小，适用于小型ORC系统；径流式和轴流式属于速度型透平，流量及输出功率大于容积式透平，其中，轴流式透平输出功率最大。由于有机工质本身可能存在易燃易爆(烷烃类)、有毒、对环境有害等特点，有机工质透平对密封系统的要求更加苛刻[7]。

系统采用二拖一的方案，选用2台卧式轴流式透平同轴驱动1台发电机，透平额定功率8.8 MW，额定转速1 500 r/min，设计进口压力1.245 MPa，出口压力0.094 MPa，采用双端面机械密封的方式。

3.3 发电机

发电机是将机械能转换为电能的设备，设计选型需满足透平在不同工况下运行。为保证透平机械能全部传递给发电机,不会因产生剩余机械能产生超速，一般发电机功率要大于透平功率。

选用1台额定功率24 MW的发电机，额定电压6.3 kV，额定频率50 Hz。

3.4 回热器

工质泵出口液态工质在进预热器之前，先通过回热器吸收自身在乏汽状态时放出的热量。机组共配置2台有效换热面积为1 600 m2的管壳式回热器。

3.5 冷凝器

项目所在地夏季月均最高温度不超过13 ℃，当地水资源严重短缺，适合采用直接空冷的冷却方式。机组设计室外气温0℃，机组发电负荷主要取决于室外气温情况。空冷冷凝器采用不锈钢管加铝翅片管，5排管布置，共分为28个带内机的换热单元，总换热面积为187 590 m2。

3.6 工质泵

工质泵是ORC系统中提升压力的设备，ORC系统中常用的有叶片式离心泵、轴流泵和容积式隔膜泵等几种形式。隔膜泵结构较复杂，体积大，造价高；离心泵和轴流泵结构简单，造价低，离心泵适用于小流量、大扬程的场合；轴流泵适用于大流量、小扬程的场合，可将轴流泵做成多级形式以提高扬程。为适应电厂变负荷运行的情况，工质泵一般需采用变频控制。

选用4台立式轴流透平泵，流量为6.77 m3/min，扬程为293.8 m，额定转速为1 490 r/min，额定功率为355 kW，级数为14级。

4 系统性能分析

本项目ORC系统采用直接空冷的冷却方式，可使发电厂节约80%的用水[8]。轴流透平额定发电功率高于其他形式透平发电功率，表2列出了不同形式透平在地热发电项目中的应用情况，单台轴流透平额定功率8.8 MW，系统采用2台透平同轴驱动1台发电机的方式，机组发电功率高达17.6 MW，容量高于目前国内其他地热发电机组。

表2 不同形式透平在地热电站中应用情况表

表3中列出了项目所在地每月平均气温情况[9]及对应环境温度下现场运行数据预测值。图3显示了ORC系统循环热效率随不同月份环境温度变化的情况。可以看出，系统发电功率及循环热效率随环境温度升高而减小。ORC系统设计环境温度0 ℃，总发电功率17.6 MW。室外温度大于0 ℃时，最小发电功率为12.31 MW，热效率能保持在12.66%以上。当室外温度小于0 ℃时，机组可满负荷运行，最高发电功率可达19 MW以上，循环热效率最高可达15.29%。电站年发电量可达12 573万kWh。

图3 不同月份ORC系统循环热效率变化图

表3 运行情况预测数据表

5 结语

本文针对某地热电站二期项目，通过建立大容量ORC发电机组热力系统计算模型的方法，对机组进行了系统配置及性能预测研究，结果表明，系统采用异戊烷作为有机工质综合性能最好，系统发电功率及循环热效率随环境温度升高而减小，最高发电功率可达19 MW以上，发电机组装机容量高于目前国内其他地热发电机组，可以在一定程度上改善我国地热发电装机容量小的现状。