兆瓦级干热岩ORC地热发电系统研究.pdf

窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.014兆瓦级干热岩 ORC 地热发电系统研究兆瓦级干热岩 ORC 地热发电系统研究第一作者简介院 李应超 渊1983-冤袁 男袁 硕士袁 高级工程师袁 毕业于重庆大学机械设计及理论专业袁 主要从事汽轮机辅助系统研究工作遥李应超袁 杨佐卫袁 高秀志袁 周刚渊东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000冤摘要院以目标工程作为设计实例袁根据干热岩地热水参数条件袁构建 1 MW 功率等级 ORC 发电系统遥通过分析不同工质下的热力性能袁根据热力系统第二效率最大原则袁确定 R245fa 为干热岩地热水发电系统的工质遥 通过变工况性能评估袁分别给出了不同地热水流量尧地热水温度尧环境温度下的发电模块功率修正曲线遥 该设计方法已应用于实际工程投标袁为系统方案设计提供了有效支撑遥关键词院有机朗肯循环袁工质筛选袁性能评估中图分类号院TM616文献标识码院A文章编号院1674-9987渊2023冤02-00缘愿-0缘Research on 1 MW Organic Rankine Cycle System forHot Dry Rock Geothermal EnergyLI Yingchao袁 YANG Zuowei袁 GAO Xiuzhi袁 ZHOU Gang渊Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000冤Abstract院 Taking the target project as an example,according to the parameters of dry hot rock geothermal water,a 1 MW ORCpower generation system is constructed.By analyzing the thermal performance of different working fluids,R245fa is determined asthe working fluid of dry hot rock geothermal water power generation system according to the principle of maximum second efficiencyof thermal system.Through the off design performance evaluation,the power correction curves of power generation module underdifferent geothermal water flow,geothermal water temperature and ambient temperature are given.The design method has beenapplied to the actual project bidding,which provides an effective support for the system scheme design.Key words院 Organic Rankine Cycle,working fluid selection,performance evaluation干热岩型地热资源是蕴藏在干热岩体中的地热资源袁 储热岩体中不存在热水和蒸汽遥 增强型地热系统渊EGS冤是目前干热岩型地热资源开发利用的主要技术手段袁 是指通过水力压裂等工程手段袁在地下深部低渗透性干热岩体中形成人工地热储层袁 并从其中长期经济地采出相当数量热能的人工地热系统遥 如图 1 所示袁 该系统通常采用 野1 采1 注冶 或 野2 采 1 注冶 的方式袁 通过一口注入井袁将低温流体通过注入井注入人工建造的干热岩热储中袁 流体通过裂隙系统与干热岩体发生热交换袁而后高温流体通过电潜泵从开采井返回地表袁 为发电设备提供热能遥58窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期根据热源温度和品质袁 地热发电系统可以采用闪蒸型地热发电技术或有机朗肯循环 渊ORC冤地热发电技术遥 有机朗肯循环是以制冷剂或烷烃等有机工质替代水的动力循环袁 ORC 发电技术广泛应用于地热发电尧 发动机余热发电尧 炼钢厂余热发电尧 太阳能发电1-5遥 对于 120200 益中低温增强型干热岩型地热袁 温度不高且压力非常高袁 不适合闪蒸型地热发电袁应该选用 ORC 地热发电技术遥图 1干热岩发电工程设计思路本文根据干热岩地热水参数条件袁 通过合理的热力方案设计尧 工质选择分析尧 根据主要设备方案对 ORC 发电系统进行性能评估袁 最后得到合理的系统设计结果袁 以达到发电功率最大的目标遥1总体技术路线ORC 发电系统设计技术路线如图 2 所示遥 本文依据干热岩地热水参数条件袁 通过合理的热力方案设计尧 工质选择分析尧 根据主要设备方案对ORC 发电系统进行性能评估袁 最后得到合理的系统设计结果袁 以达到发电功率最大的目标遥图 2总体技术路线2干热岩 ORC 地热发电系统干热岩采出井地热水参数见表 1遥表 1地热水参数ORC 干热岩地热发电系统主要由透平尧 发电机尧 空冷岛尧 工质泵尧 预热器和蒸发器组成袁 如图 3 所示遥图 3ORC 地热发电系统示意图3ORC 热力系统计算模型图 4 为工质在 ORC 系统循环中的温熵图遥 液态工质在 1-2 过程升压袁 2-3 过程预热至饱和态袁3-4 过程蒸发为气态袁 4-5 为膨胀做功袁 5-1 冷凝为液态袁 完成循环过程遥图 4ORC 系统工质循环温熵图低温地热水参数压力/MPa温度/益流量/渊kg 窑 s-1冤数值815027.78电潜泵高温地热水高温地热水发电单元地面电潜泵回注井干热岩裂缝带干热岩裂缝带采出井原员采出井原圆蒸发器预热器采出井回注井发电机透平空冷器工质泵空气源栽wi栽wo3215栽co栽ci蒸发器预热器空冷岛工质泵透平排气加热器熵袁杂/渊kJ 窑 渊kg 窑 k冤-1冤34521T1Tv工质选择热力方案预期性能评估输入条件设计结果输出地热资源参数环境条件主要设备方案设计59窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期透平功率见式渊1冤院Wt=ms渊h4-h5冤渊1冤透平效率见式渊2冤院浊t=渊h4-h5冤/渊h4-h5袁is冤渊圆冤工质泵耗功见式渊3冤院Wp=ms渊h2-h1冤渊3冤不考虑空冷岛风机耗功的情况下袁 ORC 系统净功率见式渊4冤院Wnet=ms渊渊h4-h5冤-渊h2-h1冤冤渊4冤定义单位质量地热水热源净功率 Wpkg袁 单位为 kJ/kg袁 见式渊5冤遥Wpkg=Wnet/mW渊5冤ORC 系统热力循环效率 浊I袁 即第一效率袁 为系统净功率和热源输入的总热量之比袁 见式渊6冤遥浊I越Wnet匝W渊6冤地热水热源输入的总热量见式渊苑冤院匝W越mW渊hwin原hwout冤渊7冤ORC 系统循环第二效率 浊II6袁 为系统净功率和在地热水 Twin和 Twout温度间的热源最大可用总热量之比袁 见式渊8冤院浊II越ms渊渊h4-h5冤-渊h2-h1冤冤mW渊渊hwin原hc冤-Tc渊Swin原Sc冤冤渊8冤第一效率衡量的是热源能量转入到 ORC 系统的能力大小曰 而第二效率则衡量在热源顶端温度Twin和底端温度 Tc间的热源最大可用总热量转入到ORC 系统的能力大小袁 可准确衡量 ORC 系统从热源能量转换过程中能够获得的最大功率遥本文图表尧 公式中的符号定义如下院Wt要ORC 系统透平轴功率袁 kW曰Wp要ORC 系统工质泵功率袁 kW曰Wnet要ORC 系统净功率袁 kW曰Qw要地热水热源输入的总热量袁 kW曰ms要有机工质流量袁 kg/s曰mw要地热水流量袁 kg/s曰Twi要地热水进口温度袁 益曰Two要地热水回灌温度袁 益曰Tv要工质蒸发温度袁 益曰T1要工质凝结温度袁 益曰Tc要第二效率计算公式定义为死态温度袁 K曰hx要工质在循环各节点 15 的实际焓值袁kJ/kg曰hx,is要工质在循环各节点 15 的理想焓值袁kJ/kg曰hwin要地热水进口焓值袁 kJ/kg曰hwout要地热水出口焓值袁 kJ/kg曰hc要温度 Tc下的地热水熵袁 kJ/kg曰Wpkg要单位质量地热水热源净功率袁 kJ/kg遥4ORC 有机工质筛选ORC 发电系统所用的有机工质选择应遵循以下基本原则7院渊1冤工质临界温度渊Tcr冤应高于热源温度袁 以避免超临界情况遥渊2冤工质凝固温度渊Ttp冤应小于循环中可能达到的最低温度袁 三相点温度应小于环境温度袁 避免任何工况或系统停运时工质凝固遥渊3冤对于没有过热的 ORC 系统应使用干性工质袁 避免透平尾部出现水击现象遥渊4冤工质应容易蒸发袁 黏度小袁 导热系数高袁传热性能好遥渊5冤臭氧层破坏潜力值渊ODP冤为零袁 气候变暖潜力值渊GWP冤较低遥渊6冤成本低袁 容易购买袁 最好无毒尧 无腐蚀尧非易燃易爆遥根据地热水温度情况袁 表 2 列出基本满足以上要求的有机工质袁 均为干性工质遥表 2 有机工质性质图 57 分别为不同工质的单位质量热源净输出功率尧 第二效率和第一效率随蒸发温度变化的计算结果遥 R245fa 的单位质量热源净输出功率尧第二效率均为最大袁 而第一效率最小遥 根据第二效率原则袁 确定 R245fa 为 ORC 干热岩地热发电系统的循环工质遥工质 R245fa 在蒸发温度为 95 益时袁 单位质量热源净功率最大值袁 理论上应选 95 益蒸发温度做为最佳的设计工况遥工质PentaneIsopentaneR123R245faTcr/毅C196.5187.2183.7154Ttp/毅C-129.7-160.5-107.2-102.1ODP0.0000.0000.0120.000GWP11要12095060窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期图 5Wpkg随蒸发温度变化曲线图 6第二效率随蒸发温度变化曲线图 7第一效率随蒸发温度变化曲线5设计工况热力参数计算结果表 3 为设计工况热力系统边界条件袁 透平等熵效率先给定一个初设值计算袁 再通过一维通流计算确定具体值袁 最后按计算值进行修正遥表 3热力系统边界条件表 4 分别给出了不同蒸发温度下的 ORC 系统发电功率值遥 随着系统蒸发温度取值不同袁 地热水回注温度将随之变化袁 ORC 系统发电功率在蒸发温度为 95 益达到最大值袁 这与图 5 相符合袁 故选此蒸发温度作为 ORC 系统的设计工况遥表 4不同蒸发温度下的 ORC 系统发电功率6ORC 发电模块性能评估ORC 发电系统的透平尧 蒸发器尧 预热器尧 空冷岛等主要设备按设计工况选型袁 系统变工况性能将由设备变工况特性确定遥 图 810 分别给出了不同地热水流量尧 地热水温度尧 环境温度对应的透平发电机组功率修正曲线遥图 8不同地热水流量下的功率修正系数参数环境温度/益当地海拔/m工质泵效率/%空冷器风机效率/%发电机效率/%数值43 000606596序号12345蒸发温度/益859095100105蒸发压力/MPa0.8931.0061.1301.2651.411回注温度/益61.765.369.373.678.4发电功率系数0.9610.9871.0000.9990.983蒸发温度袁Tv/益363534333231302928PentaneisopentaneR245faR11365707580859095100105110115120125蒸发温度袁Tv/益50484644424038PentaneisopentaneR245faR11365707580859095100105110115120125蒸发温度袁Tv/益14131211109876PentaneisopentaneR245faR12365707580859095100 105110 115120 125地热水流量比值1.21.11.00.90.80.70.60.570%80%90%100%110%120%130%61窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期渊上接第 51 页冤引起结合面结合强度变化的原因也是不可能的遥由上分析可知袁 周向力矩不可能引起复合板局部结合面结合强度变化遥4结论在假设钻削加工用的钛-钢复合板本身无结合强度变化等质量问题条件下袁 主要分析了可能引起钛-钢复合板结合面结合强度变化的切削力因素袁 结合测力结果袁 从理论上分析可能引起结合强度变化的钻削力为钻削轴向力 Fz袁 钻削力矩对其影响很小袁 可忽略不计遥 同时袁 运用高速摄像技术袁 直观观测了钻削出口面变形情况袁 印证了可能引起结合强度变化的钻削力为钻削轴向力 Fz的理论分析遥 因此袁 在钛-钢复合板钻孔加工时袁尽量选用轴向切削力小的钻削刀具袁 可有效防止复合板结合面结合强度减弱的现象遥参考文献1ASTM.Standard Specification for Titanium and TitaniumAlloy Strip,Sheet,and plate:ASTM B265-20aS.2020.图 9不同地热水温度下的功率修正系数图 10不同环境温度下的功率修正系数7结论渊1冤根据干热岩地热水参数条件袁 构建一套 1MW 功率等级的 ORC 发电系统遥渊2冤分析不同工质下的热力性能袁 根据热力系统第二效率最大原则袁 确定 R245fa 为干热岩地热水发电系统的工质遥渊3冤通过变工况性能评估袁 分别给出了不同地热水流量尧 地热水温度尧 环境温度下的发电模块功率修正曲线遥参考文献1吴晓楠,张燕平,黄树红.太阳能有机朗肯循环发电系统工质及参数优化J.热力发电,2015,44(6):31-35.2Taehong Sung,Eunkoo Yun,Hyun Dong Kim,et al.Performance characteristics of a 200-kW organic Rankinecycle systemJ.Applied Energy,2016(183):623-635.3Ben-Ran Fu,Yuh-Ren Lee,Jui-Ching Hsieh.Design,construction,and preliminary results of a 250 kW organicRankine cycle systemJ.Applied Thermal Engineering,2015(80):339-346.4Awais Ahmed,Khaled Khodary Esmaeil,Mohammad AIrfan.Design methodology of organic Rankine cycle forwaste heat recovery in cement plants J.Applied ThermalEngineering,2018(129):421-430.5Cong Guo,Xiaoze Du,Lijun Yang.Organic Rankine cyclefor power recovery of exhaust flue gas.Applied ThermalEngineering,2015(75):135-144.6S.SUBBIAH,R.NATARAJAN.Thermodynamic analysis ofbinary-fluidRankine cycles for geothermal power plants.Energy ConversJ.Mgmt,1988,28(1):47-52.7于立军,朱亚东,吴元旦.中低温余热发电技术M.上海:上海交通大学出版社,2015.采出井出口温度 Twi/益1.21.11.00.90.80.70.60.5135140145150155160165环境温度 Tci/益1.21.11.00.90.80.70.60.5-11-6-14914192462