雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)淺析

李翔

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

現(xiàn)今，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，世界能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)儲(chǔ)藏量大且環(huán)境友好的新型替代能源逐漸受到各國政府和科學(xué)家的重視。地?zé)豳Y源以其極高的清潔性、運(yùn)行穩(wěn)定性和空間分布廣泛性已成為世界各國重點(diǎn)研究和開發(fā)的新型清潔能源，并且逐漸被應(yīng)用到了發(fā)電技術(shù)中。地?zé)岚l(fā)電技術(shù)可分為很多種，其中雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)可以降低地?zé)岚l(fā)電的能源利用溫度，提高地?zé)岚l(fā)電資源總量，具有很好發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

目前在地?zé)岚l(fā)電中最為常見的技術(shù)就是雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過對(duì)地下熱水的利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)某種低沸點(diǎn)工質(zhì)的加熱，并進(jìn)入汽輪機(jī)中工作的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。此類循環(huán)系統(tǒng)的出現(xiàn)成為了較閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)更加完善的循環(huán)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)在地面上采用深井泵抽取地下熱水到蒸發(fā)器中后，通過換熱實(shí)現(xiàn)對(duì)某一沸點(diǎn)較低的介質(zhì)的加熱，使低沸點(diǎn)工質(zhì)蒸發(fā)，然后進(jìn)入汽輪機(jī)，為汽輪機(jī)工作提供動(dòng)力并轉(zhuǎn)化為電能。汽輪機(jī)釋放出的乏汽通過冷凝器的冷凝作用轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，然后借助工質(zhì)泵再次回到蒸發(fā)器進(jìn)行二次加熱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)崴酂岬某浞掷?，地?zé)崴谡舭l(fā)器中排出后，會(huì)先進(jìn)入到預(yù)熱器中對(duì)來自冷凝器的低沸點(diǎn)工質(zhì)液體進(jìn)行預(yù)熱，提升其溫度，直到與蒸發(fā)器內(nèi)飽和工質(zhì)的溫度接近后再進(jìn)入蒸發(fā)器。想要避免地?zé)峋谐槿〉牡責(zé)崴谳斔推陂g不閃蒸為蒸汽，并且溶解在水中的氣體不溢出，則管路中的熱水壓力要始終大于其溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力[2]。

目前雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)按其應(yīng)用原理可分為兩類循環(huán)系統(tǒng)：

1.1 有機(jī)朗肯循環(huán)

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱能-動(dòng)能-電能的轉(zhuǎn)化，屬于典型的雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)之一，且其結(jié)構(gòu)較為簡單，運(yùn)行維護(hù)較為方便，具有良好的研究價(jià)值和市場潛力。有機(jī)朗肯循環(huán)的性能受選用工質(zhì)的影響很大，工質(zhì)類型、化學(xué)性能、物理性能、臨界值等因素都會(huì)直接影響有機(jī)朗肯循環(huán)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件。目前，有機(jī)朗肯循環(huán)多使用氯乙烷以及正戊烷等低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)，在換熱工作中所采用的地?zé)崃黧w和有機(jī)工質(zhì)為中低溫型和低沸點(diǎn)型，后者在經(jīng)過蒸發(fā)后能夠產(chǎn)生壓力較高的蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)工作產(chǎn)生電能[3]。

1.2 卡琳娜循環(huán)

卡琳娜循環(huán)所采用的工質(zhì)為氨水混合物，其最大的特點(diǎn)是變溫相變，能夠減少傳熱過程中的不可逆損失，提高熱利用效率，因此在溫度較高的地?zé)豳Y源中，可以提高余熱的利用率?？漳妊h(huán)有著與有機(jī)朗肯相似的循環(huán)過程，然而兩者有著如下區(qū)別：

（1）在熱源吸收熱量時(shí)，氨水混合物在還沒有完全沸騰的情況下，具有能夠與變熱源良好匹配的溫度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)更多熱量的逆向傳遞。

（2）在冷源釋放熱量時(shí)，通過對(duì)混合工質(zhì)成分濃度的改變，能夠減少“冷端”給混合工質(zhì)帶來的影響，促進(jìn)混合工質(zhì)在低壓力下的完全冷凝。通過對(duì)比以上兩種循環(huán)系統(tǒng)能夠得知，采用卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)能夠更好的匹配熱源，減少熱源的不可逆損失。但是其在制冷和回?zé)犭A段比有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的要求更高，需要有更多的成本投入[4]。

2 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢

相比閃蒸系統(tǒng)來說，雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）由于所采用的工質(zhì)沸點(diǎn)并不高，因此減壓擴(kuò)容后的閃蒸系統(tǒng)能夠容納的蒸汽體積更小，而末級(jí)葉輪的大小和排氣管的大小，決定著需要采用的汽輪機(jī)的大小，而在雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)中使用的管道與排氣管十分接近，也無需過高的造價(jià)。

（2）地下熱水在蒸發(fā)器內(nèi)與低沸點(diǎn)工質(zhì)的換熱是間接的，熱力階段并沒有直接涉及到地?zé)崴缘責(zé)崴谄啓C(jī)內(nèi)不會(huì)受到氣體雜質(zhì)和固體雜質(zhì)帶來的影響而出現(xiàn)腐蝕。

（3）對(duì)于不同化學(xué)類型的地下熱水都能夠適用。

（4）對(duì)于地下熱水的溫度要求不高[5]。

（5）一旦地?zé)崤潘诘叵禄毓?，無法凝于水的氣體依然存在于熱水中，并且會(huì)一同在地下回灌，不會(huì)對(duì)地面大氣造成污染。由于地?zé)峋谐槌龅臒崴畷?huì)不斷回灌到地下，并保持壓力不變，因此并不會(huì)析出水中所包含的各類結(jié)垢，井管和管道系統(tǒng)間也不會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢。

3 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的影響因素

3.1 蒸發(fā)溫度

循環(huán)工質(zhì)在蒸發(fā)器中與熱源換熱，所能達(dá)到的最高溫度就是蒸發(fā)溫度。循環(huán)工質(zhì)的熱效率與蒸發(fā)溫度的高低成正比，當(dāng)蒸發(fā)溫度升高，循環(huán)系統(tǒng)的吸熱溫度也會(huì)升高，循環(huán)工質(zhì)氣體的做功能力也越大，熱功轉(zhuǎn)化能力越強(qiáng)，循環(huán)工質(zhì)的熱效率也會(huì)明顯上升。循環(huán)工質(zhì)蒸發(fā)溫度的高低，不僅取決于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、換熱方式、節(jié)點(diǎn)溫差的大小，還與熱源的溫度和形式（氣體或者液體）有關(guān)。

3.2 冷凝溫度

循環(huán)工質(zhì)在冷凝器中由氣體凝結(jié)成液體的溫度就是冷凝溫度。循環(huán)工質(zhì)的熱效率與冷凝溫度高低成反比，當(dāng)冷凝溫度升高，循環(huán)系統(tǒng)的吸熱量減少，造成循環(huán)系統(tǒng)輸出的功率減少，從而循環(huán)工質(zhì)的熱效率也會(huì)降低。同時(shí)，冷凝溫度限制了螺桿機(jī)的背壓，一定程度上決定了工質(zhì)的最大膨脹比，從而間接影響了系統(tǒng)的做功能力。所以，選用較低的冷凝溫度能夠提高循環(huán)系統(tǒng)的熱效率。

3.3 膨脹比

循環(huán)工質(zhì)氣體經(jīng)過膨脹機(jī)，膨脹向外做功，將從熱源處回收的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī) 械能。因此，膨脹機(jī)相當(dāng)于低溫發(fā)電系統(tǒng)的“心臟”，它是整個(gè)熱力循環(huán)中不可或 缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。膨脹比是指出膨脹機(jī)出口處工質(zhì)氣體的體積，與膨脹機(jī)進(jìn)口處工質(zhì)氣體的體積之比。膨脹比代表了工質(zhì)的膨脹做功能力，膨脹比越大，工質(zhì)蒸汽膨脹的倍數(shù)越大，則所能輸出的機(jī)械功越多。

綜上，膨脹比是影響發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要努力做到蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及螺桿膨脹機(jī)膨脹比相互匹配，才能確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而最大限度的發(fā)揮雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的潛力。

4 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

4.1 低沸點(diǎn)工質(zhì)選擇

雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的低沸點(diǎn)工質(zhì)選擇十分重要，需要具備良好的熱傳導(dǎo)性能、良好的發(fā)電性能、適中的飽和壓力、穩(wěn)定的化學(xué)性能、低廉的價(jià)格等要求。但是在實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)滿足上述所有要求的低沸點(diǎn)工質(zhì)是很少的，只能選擇在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行條件下各項(xiàng)性能相對(duì)較好的物質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)。目前常用的低沸點(diǎn)工質(zhì)有異丁烷、正丁烷、氟里昂11、氟里昂114等。為了充分利用不同工質(zhì)的不同優(yōu)點(diǎn)，采用混合工質(zhì)也是未來發(fā)展的一種選擇。

4.2 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)小型化

我國中低溫地?zé)豳Y源大多集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)，而該地區(qū)往往急需為人們的生產(chǎn)生活提供電能。因此，在未來發(fā)展中，不僅要保證電站的經(jīng)濟(jì)性，并且需要為社會(huì)穩(wěn)定和人們生活水平的提升提供保障[6]。以小型模塊化為目標(biāo)，對(duì)中低溫雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電機(jī)組進(jìn)行開發(fā)研究，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)人們需求的滿足，不僅能提升電站經(jīng)濟(jì)性，而且有利于偏遠(yuǎn)地區(qū)人們綜合素質(zhì)的提升[7]。

4.3 雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電站(或是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站)大型化

集中利用地?zé)豳Y源相對(duì)來說可以節(jié)約投資成本，在一定程度上能夠彌補(bǔ)中低溫地?zé)豳Y源低品位的不足，同時(shí)也符合國際上地?zé)犭娬敬笮突陌l(fā)展方向。目前，在國際上，有機(jī)朗肯循環(huán)大型發(fā)電設(shè)備已廣泛應(yīng)用于地?zé)嵩春凸I(yè)余熱源[8]。

5 結(jié)語

雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)通過對(duì)地下熱水的利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)某種低沸點(diǎn)工質(zhì)的加熱，并進(jìn)入汽輪機(jī)中工作的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。此類循環(huán)系統(tǒng)按其應(yīng)用原理可分為有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)。雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的影響因素主要有蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、膨脹比等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要努力做到與蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及螺桿膨脹機(jī)膨脹比相互匹配，才能確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而最大限度的發(fā)揮雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的潛力。 在未來的發(fā)展中，我們要逐漸對(duì)雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其低沸點(diǎn)工質(zhì)選擇、雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)小型化及雙循環(huán)地?zé)岚l(fā)電站（或是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電電站）大型化發(fā)展進(jìn)行深入研究。