【導(dǎo)讀】我國(guó)地?zé)崮軆?chǔ)量巨大，但以150℃以下的中低溫地?zé)崮転橹鳌５責(zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施提供必要的技術(shù)參考。首先，通過(guò)調(diào)研分析，在已知地?zé)崃黧w溫度110℃、流量100t/h的基礎(chǔ)上，環(huán)發(fā)電循環(huán)，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析以及循環(huán)工質(zhì)的選擇；最后，對(duì)設(shè)計(jì)的六種地?zé)岚l(fā)電方案，以凈發(fā)電功率熱效率、?所以，本文基于以上的優(yōu)化分析，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)六種方案進(jìn)行。綜合評(píng)價(jià)，確定兩級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電方案是本文推薦的最佳方案。我國(guó)能源現(xiàn)狀及地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用....

　　

【正文】 24] 圖中，水 流量的單位換算： 1 m3 = gal （ 3） 閃蒸器的投資： 根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，我們聯(lián)系了一個(gè)閃蒸器生產(chǎn)廠家，選擇了一種型號(hào)的閃蒸器，其結(jié)構(gòu)如圖。根據(jù)本文的地?zé)崴髁?100t/h，廠家給出了適合 流量為 10t/h 的閃蒸器市場(chǎng)報(bào)價(jià)約 3 萬(wàn)元，本文決定采用十臺(tái) 10t/h 的閃蒸器 ，故報(bào)價(jià) 約 30 萬(wàn)元。 26 圖 3 8 閃蒸器的結(jié)構(gòu)圖 （ 4） 系統(tǒng)總投資： fla s hc o n d e n s e rtu r b in e CCCC o s t ??? （ 38） 其他方案的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型均是基于基本循環(huán)的模型，所 用公式相同，此處不再贅述。 27 4 地?zé)岚l(fā)電 方案 的 對(duì)比及優(yōu)化 熱力計(jì)算條件 及性能指標(biāo)的選取 熱力計(jì)算 的 參數(shù) 設(shè)置 在以上建立的系統(tǒng)熱力模型的基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 對(duì)系統(tǒng)的熱力性能進(jìn)行編程計(jì)算。 根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的已知參數(shù)，其中閃蒸循環(huán)的冷凝器均采用直接冷卻式冷凝器，有機(jī)朗肯循環(huán)的冷凝器采用間接冷卻式 水冷 冷凝器，有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)為 R245fa。 其中， 冷卻水溫度隨季節(jié)的變化有顯著變化。 冬季環(huán)境溫度低導(dǎo)致冷卻水溫低， 故 冬季發(fā)電量比夏季高 。 本文對(duì)冷卻水溫度取一年的平均值為 20℃ 。 冷凝溫度的高低也對(duì)發(fā)電量有很大影響。冷凝溫度越高，工質(zhì)流過(guò)冷凝器的冷卻效果越差，導(dǎo)致電廠的凈輸出功率越??；冷凝溫度越低，電廠的凈輸出功率越大，但是冷凝溫度過(guò)低，導(dǎo)致冷凝器中換熱溫差減小，冷凝器換熱面積增大，導(dǎo)致其投資增加。 Hung[25]認(rèn)為在年平均溫度較低的地區(qū)， ORC 系統(tǒng)能獲得較高的熱效率。 本文設(shè)計(jì) 的 冷凝溫度為 30℃ 。 換熱器的夾點(diǎn)溫差也會(huì)對(duì)循環(huán)的性能有所影響，夾點(diǎn)溫差 增加，會(huì)導(dǎo)致冷熱流體流體之間傳熱的不可逆損失增加，但所需的換熱面積減少，故換熱器投資降低。本文選取有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的一、二級(jí)蒸發(fā)器夾 點(diǎn)溫差為 6℃ 、 3℃ ，一 、二級(jí)冷凝器的夾點(diǎn)溫差分別為 4℃ 、 4℃ 。 基于以上分析， 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的已知參數(shù)設(shè)定值見(jiàn)表 23，閃蒸系統(tǒng)的已知參數(shù)設(shè)定值見(jiàn)表 41。 表 4 1 閃蒸系統(tǒng)的已知參數(shù)設(shè)定值 參數(shù) 符號(hào) 取值 參數(shù) 符號(hào) 取值 地?zé)崴疁囟? Tgeo,in 110 ℃ 冷凝溫度 Tc 30 ℃ 地?zé)崴畨毫? Pgeo,in 300 kpa 工質(zhì)泵等熵效率 η pump 地?zé)崴髁? mgeo 100 t/h 汽輪機(jī)等熵效率 η turbine 冷卻水進(jìn)口壓力 Pcool,in 200 kpa 機(jī)械效率 η m 冷卻水出口壓力 Pcool,out 100 kpa 電機(jī)效率 η g 28 環(huán)境冷卻水溫度 Tcool,in 20 ℃ 廠用電率 X 性能指標(biāo)的選取 本文 以地?zé)岚l(fā)電站的凈發(fā)電功率、熱效率、 ? 效率 、熱水利用率 和系統(tǒng)總投資 為性能指標(biāo)， 對(duì)各系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度或閃蒸溫度進(jìn)行優(yōu)化分析 。 單級(jí)地?zé)岚l(fā)電 方案 的 對(duì) 比 及優(yōu)化 50 60 70 80 9024028032036050 60 70 80 9050 60 70 80 9050 60 70 80 90P (kw)T e ( ℃)ηthT e ( ℃) 單級(jí)閃蒸 單級(jí)O R CηexT e ( ℃) T e ( ℃)ηuse圖 4 1 單級(jí)發(fā)電方案的四個(gè)指標(biāo)隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 如圖 41，蒸發(fā)溫度或 閃蒸溫度的變化對(duì)性能指標(biāo)有很大的影響。隨著蒸發(fā)溫度的增加，兩個(gè)系統(tǒng)的凈發(fā)電功率 P 和 ? 效率 ηex的曲線走勢(shì)相同 ， 均是先增加達(dá)到最大值后又降低， 本文選定 P 最大時(shí)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度即為 “最佳蒸發(fā)溫度 ”。 根據(jù)公式 216， 在地?zé)崴M(jìn)口溫度等條件一定的情況下， ηex的變化只和P 有關(guān)，而發(fā)電凈功率 P 由膨脹機(jī)輸出功和工質(zhì)泵自耗功共同決定，為了形象說(shuō)明， 我們做出了圖 42。 29 50 60 70 80 90280300320340360380400420440Te (℃)Wpump (kw)Wturbine (kw)W pumpW turbine678910111213 圖 4 2 單級(jí) ORC 系統(tǒng)的 Wturbine 和 Wpump 隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 隨蒸發(fā)溫度的升高，單級(jí) ORC 發(fā)電系統(tǒng)的 熱效率 η th 一直增加， 這是由于蒸發(fā)溫度越高，則與地?zé)崃黧w的溫差越小，故工質(zhì)的循環(huán)吸熱量越小，由于凈發(fā)電功率是先增加后降低的，但凈發(fā)電功率的降低程度小于循環(huán)吸熱量降低的程度，導(dǎo)致熱效率的曲線一直呈增加趨勢(shì)。 單級(jí)閃蒸的 η th 曲線 則是先增加后降低， 故各自的最佳蒸發(fā)溫度下，單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)的熱效率明顯高于 單級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)。 對(duì)于熱水利用 率的曲線，根據(jù)公式 （ 226） ，對(duì)于本文給定的已知條件，公式中唯一的變量即為地?zé)崴隹跍囟?Tgeo,out，如圖 43，做出 Tgeo,out 隨蒸發(fā)溫度的變化 圖 ， 自然解釋了熱水利用率曲線的走勢(shì)的原因。 50 60 70 80 90405060708090T e ( ℃)Tgeo_out (℃) 單級(jí)閃蒸 單級(jí)O R C 圖 4 3 單級(jí)發(fā)電方案的熱水出口溫度隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 通過(guò)以上分析， 本文通過(guò)編程計(jì)算得到表 42，我們發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)的 30 各指標(biāo)都 有很大的影響， 例如， 因蒸發(fā)溫度的取值不同，系統(tǒng)的 P 和 ηex的數(shù)值相差可 能達(dá) 2 倍左右。因此，為了更好 對(duì) 系統(tǒng) 進(jìn)行優(yōu)化 ，我們有必要尋找各系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)溫度。 然而最佳蒸發(fā)溫度又與地?zé)崴疁囟群屠鋮s水溫度密切相關(guān)。本文中給定了地?zé)崴疁囟群屠鋮s水溫度是定值，但是實(shí)際工程運(yùn)行中，地?zé)崴屠鋮s水的溫度是隨著季節(jié)、溫度等多種因素變化的。因此，實(shí)際工程方案設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮外部因素的影響，綜合地?zé)崴屠鋮s水溫度的變化，確定最佳的蒸發(fā)溫度值。 表 4 2 單級(jí)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果匯總 Items 單級(jí)閃蒸循環(huán) 單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán) P_max （ kw） Te_op /T1_op (℃ ) 68 68 η th η ex η use Cost（萬(wàn)元） 表 42 對(duì)單級(jí)發(fā)電系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了匯總。 單級(jí)閃蒸系統(tǒng)和單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)溫度 （ 閃蒸溫度 ） 均為 68℃ ， 在此溫度下，對(duì)于 P、ηex， 雖然 單級(jí)閃蒸系統(tǒng)的值均大于單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，但其差值并不大；對(duì)于 ηth,有 機(jī)朗肯循 環(huán)系統(tǒng)的比閃蒸循環(huán)的大一倍左右 ；而對(duì)于 ηuse,閃蒸循環(huán)的又比有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的大一倍左右 ；對(duì)于系統(tǒng)總投資， 單級(jí)有機(jī)朗肯 循環(huán)的高達(dá) 萬(wàn)元，而單級(jí)閃蒸系統(tǒng)的僅為 萬(wàn)元。故單 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，我們沒(méi)辦法找出各指標(biāo)均最優(yōu)的一種方案。 又考慮到本文給定的地?zé)崴疁囟?110℃ 、流量 100t/h，流量偏大，若采用閃蒸 循環(huán) 發(fā)電型式，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備的體積較大。 其次， 考慮水蒸氣和有機(jī)工質(zhì)的物性不同。 當(dāng) 熱源 溫度較低時(shí)，水蒸氣的密度很小 ， 比體積很大 ，導(dǎo)致汽輪機(jī)的末級(jí)葉片 過(guò)長(zhǎng) ，汽輪機(jī)排汽處于濕蒸汽區(qū)，對(duì) 葉片造成 損壞 ， 而低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì) 所使用的膨脹機(jī) 不存在這些問(wèn)題 。 最后，對(duì)于系統(tǒng)總投資方面，雖然單級(jí) ORC 發(fā)電系統(tǒng)的投資很高，遠(yuǎn)大于單 級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)的投資，但是通過(guò)對(duì)設(shè)備投資方面的調(diào)研，我們了解到目前 ORC發(fā)電系統(tǒng)的投資膨脹機(jī)占得比例較大，主要原因是其技術(shù)成本較高。但隨著科技 31 的進(jìn)步和技術(shù)的成熟，未來(lái)其這方面的成本肯定會(huì)逐漸降低， 因此我們認(rèn)為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的投資有很大的降價(jià)空間?；谝陨戏治?， 目前我們不能因?yàn)?ORC系統(tǒng)的 投資太高而忽略 它 其他方面的優(yōu)勢(shì)。 綜合考慮，對(duì)于本文給定的工況，單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)會(huì)優(yōu)于單級(jí)閃蒸發(fā)電 系統(tǒng)。 兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電 方案 的 對(duì)比及優(yōu)化 從理論上講，發(fā)電系統(tǒng)的級(jí)數(shù)越多，則對(duì)地?zé)崴睦寐试礁撸瑑舭l(fā)電功率 也就越大。但是隨著 級(jí)數(shù)的增多，設(shè)備數(shù)量增加，必然造成設(shè)備的投資增加。 某些情況下，設(shè)備投資增加的量抵消甚至超過(guò)凈發(fā)電功率增 加帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，這是萬(wàn)萬(wàn)不可取的。因此，發(fā)電系統(tǒng)的級(jí)數(shù)一般是 兩級(jí) 較合適 。 本文選定了兩級(jí)閃蒸循環(huán)、兩級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán) 、 ORCFlash 聯(lián)合 、 FlashORC 聯(lián)合這四種兩級(jí)地?zé)岚l(fā)電方案。 本文結(jié)合給定的地?zé)崃黧w溫度以及有機(jī)工質(zhì) R245fa 的物性參數(shù)，取一、兩級(jí)蒸發(fā)溫度范圍均為 50℃ 90℃ ，且滿足第一級(jí)蒸發(fā)溫度大于第二級(jí)。 用MATLAB 軟件基于遍歷求解的方法，主要 程序編寫(xiě)如下： for Te_1=50:2:90 for Te_2=50:2:92 if Te_1Te_2 …… …… end end end 圖 4– 4 至 圖 47 為四種發(fā)電方案 隨 蒸發(fā)溫度變化的指標(biāo)變化曲線。 表 43列出了四個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)在最佳蒸發(fā)溫度 （或 閃蒸溫度 ） 下的計(jì)算數(shù)據(jù)。 32 50607080903003504004505005060708090506070809030035040045050050607080905060708090250300350400450500506070809050607080902002503003504004505060708090閃蒸 O R CO R C 閃蒸兩級(jí)O R C 兩級(jí)閃蒸Te2 (℃)T e1 ( ℃)P (kw) P (kw)P (kw)P (kw)Te2 (℃)Te 1 (℃)T 1 (℃)T2 (℃)T2 (℃)T 1 (℃)圖 4 4 兩級(jí)發(fā)電方案的 P 隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 50607080905060708090506070809050607080905060708090506070809050607080905060708090ηthηth ηth ηth 閃蒸 O R CO R C 閃蒸Te2 (℃)Te1 (℃)Te2 (℃)Te1 (℃)T1 (℃)T2 (℃)T2 (℃)T1 (℃)兩級(jí)O R C 兩級(jí)閃蒸圖 4 5 兩級(jí)發(fā)電方案的 ηth隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 33 50607080905060708090506070809050607080905060708090506070809050607080905060708090兩級(jí)O R C 兩級(jí)閃蒸T e1 ( ℃)ηexηex ηex ηex 閃蒸 O R CO R C 閃蒸Te2 (℃)T e1 ( ℃)Te2 (℃)T e1 ( ℃)T 1 (℃)T2 (℃)T2 (℃)T 1 (℃) 圖 4 6 兩級(jí)發(fā)電方案的 ηex隨蒸發(fā)溫度的變化曲線 50607080905060708090506070809050607080905060708090506070809050607080905060708090ηuseηuseηuseηuse閃蒸 O R CO R C 閃蒸兩級(jí)O R C 兩級(jí)閃蒸T