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【天富平台网页版】一种利用地热能发电的电力系统,可有效解决部分地区能源紧张问题!

针对全球干旱到半干旱地区地热资源短缺和水资源匮乏的双重发展挑战,提出了一种新型利用地热能的电力和淡水联合发电系统。在该系统中,采用全流式汽轮机(TF)与传统的单闪式(SF)系统进行耦合,此后在本工作中对TF-SF耦合系统进行了研究。除了发电外,汽轮机排出的蒸汽还被回收,通过冷凝水生产淡水。基于新颖设计的系统,研究了在可变井口条件下,包括可变井口压力、温度、质量流量和蒸汽质量的情况下,电力和水的生产。研究了总流量膨胀结束和蒸汽膨胀开始的分离点的温度,以获得最佳系统产量。此外,还研究了全流式汽轮机对联合系统性能的效率影响。发电对比表明,所提出的TF-SF联合系统具有良好的发电潜力。有效的全流式汽轮机平均效率为65%,可获得最佳的发电量,比传统的单闪系统(SF)高出23.7%。此外,通过电站自然配备的冷凝过程,超过1/3的井口总排量可以回收为淡化淡水,显示出地热能利用的额外效益。

相关论文以题为“Research on a Coupled Total-Flow and Single-Flash (TF-SF) System for Power and Freshwater Generation from Geothermal Source”发表在《Applied Sciences》上。


《【天富平台网页版】一种利用地热能发电的电力系统,可有效解决部分地区能源紧张问题!》

地热能作为一种可再生、可持续的资源,可以很好地利用于人类活动和工业。虽然世界范围内存在,但驱动发电站所需的高温地热能在相对较少的地方发现。在埃塞俄比亚的Aluto Langano等地区,已经发现了大量温度各异的地热能,但大部分地热能都没有得到充分利用。

作为最常见的电站,单闪电站总是安装在新开发的以液体为主的地热。然而,闪蒸过程所带来的不可逆性是不可避免的。如果将能源-废弃物闪蒸过程改革为能源利用过程,将达到更好的能源利用效果。基于这种考虑,可以采用全流扩能理念,将井口地质流体利用到两相扩能器/涡轮机中直接发电,以取代单闪装置中的闪采工艺。研究人员对全流膨胀机/汽轮机进行了广泛的实验和分析研究,大部分焦点都放在了其稳定的间歇过程的螺杆膨胀机上。到目前为止,还没有商业上成功的全流系统可以取代传统的整个地热应用中的单闪系统。然而,用全流膨胀机仅取代能量浪费的闪蒸过程的想法显示出广阔的潜力。

基于以上思路,本文提出并研究了一种地热能利用的优化能源系统。采用全流工艺代替闪蒸工艺,以获得更多的动力输出。基于新颖设计的系统,科学家研究了在可变井口条件下,包括可变井口压力、温度、质量流量和蒸汽质量的生产情况,研究了总流量膨胀结束和蒸汽膨胀开始的分离点的温度,以达到最佳输出效果。此外,他们还研究了全流式汽轮机对联合系统性能的效率影响。

地热井分析

本工作所研究的地热井位于埃塞俄比亚的Aluto Langano地热田,该地热田是非洲东部公认的高温液体为主的地热田。选取一口典型的活动地热井(即LA8)作为拟建系统的热源。它产生的是以液体为主的两相井口排放,收集并分析了井口测试的排放数据,见图1。现场测试了井口蒸汽质量(WHQ)和井口质量流量(WHM)。对测试点进行多项式曲线拟合,将井口流量数据与相应的井口压力进行关联,以更好地显示出排放倾向。制定了井口蒸汽质量和井口质量流量的相关公式,如图1所示。此外,根据REFPROP中的纯水特性计算井口温度,忽略所含化学物质。

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图1.Aluto Langano的井口信息。Aluto Langano(a)地热田地热和(b)LA-8井的井口信息。

随着井口压力的增加,井口蒸汽质量和流量不断降低。LA-8井的蒸汽质量大多在0.19-0.25范围内。与同油田其他活动井相比,LA-8井的蒸汽质量相对较高,因此以液体为主的情况较少。LA-8井排出的井口质量流量(WHM)由15.4 kg/s小幅下降到14.2 kg/s,说明LA-8井的排量比较稳定,对井口压力变化的敏感性不高。

组合式全流和单闪系统(TF-SF)

如上所述,带弧形喷嘴的全流式汽轮机能够同时完成闪蒸和发电任务,它的设计目的是通过替代闪蒸过程与单闪蒸系统进行耦合。此外,与以往的地热能利用方式相比,在所提出的三个系统中,凝结过程中的脱盐淡水没有直接回注到地热水库,也没有以联产盐水和/或未凝结蒸汽的形式排放到环境中,而是全部回收。

拟建的地热源联合发电和淡水发电TF-SF系统的配置及示意图见图2左半部分,相应的系统温度熵图见图2右半部分。首先,将井口地流体引入全流式汽轮机进行两相膨胀。其次,将全流式汽轮机出口处的汽液和液体进行分离,汽液引入原单闪系统的汽轮机进行二级膨胀。最后,全流式汽轮机出口5点处的液体由于不含其他化学物质,将完全冷凝,作为淡水回收。

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图2.TF-SF系统的配置和温熵图。

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系统性能

随着井口条件的变化,井口压力和温度都会相应变化。首先研究了所提出的TF-SF系统在可变井口条件和不同分离温度下的发电量,因为发电量是地热田电站的首要目标。而后分析了淡水产量作为这种新设计的额外效益。在此模拟过程中,涡轮机的总流量效率被保守地预设为35%。

图3为TF-SF系统的发电量与井口压力和分离温度的关系。如图所示,系统功率输出对井口压力的敏感度低于分离温度。当井口压力低于650kPa时,随着分离温度逐渐向井口温度升高,系统发电量不断增加。这意味着,在井口压力较低、温度较低但蒸汽质量较高的条件下,当蒸汽和液体从井口排出后直接进行分离时,发电量最好,实际上不需要闪蒸/总流过程。这样一来,要想获得较高的发电性能,最好的办法是将系统改为传统的蒸汽系统,将从井口分离出来的蒸汽直接引入汽轮机。

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图3.系统发电量随井口压力和分离温度的分布。

但是,当井口压力上升到650 kPa以上时,由于功率先增大后减小,出现了最佳分离温度,说明TF-SF系统在此条件下的发电量优于直接蒸汽系统。当井口压力从650 kPa上升到940 kPa时,最佳分离温度从162.3℃略微上升到177.2℃,最佳输出功率从851.1 kW下降到812.4 kW。总的来说,在LA-8井口条件中,当平均总流量涡轮效率仅预设为35%时,TF-SF系统的最大功率容量为851.1 kW。

图3中系统功率容量的变化趋势,可以通过将全流膨胀部分(TF)和单闪及膨胀部分(SF)的发电量分开来更好地说明,如图4所示。基本上,当分离温度高于120℃时,SF部分的发电量明显大于TF部分的发电量,也就是说,在给定条件下,单闪部分的发电量占主导地位。但是,随着井口压力的增加,单闪部分比总流部分的发电优势呈现出下降趋势。原因是,较高的井口压力和温度会导致TF汽轮机入口焓值升高,即使井口汽质和质量流速降低,也会导致TF汽轮机的发电量降低。因此,TF部分的发电量随着井口压力的增加而增加。但是,热源的蒸汽质量和流量降低,会降低SFS涡轮机入口焓值,导致SF发电量降低。当分离温度变得低于120℃时,TF部分的功率容量超过SF部分,但系统的总发电量将变得低于629.6 kW。以上分析表明,在LA-8井口条件下,建议采用较高的分离温度来实现高发电量。

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图4.TF和SF透视发电量的分布。

结论

为了解决水资源和能源短缺的问题,对当地的经济发展造成阻碍,对丰富的地热资源进行开发利用。本项目中设计的全流式水轮机(TF)与传统的单闪系统(SF)进行了耦合,提出并比较了TF-SF组合系统。研究了发电和制水两方面的性能,可做如下几点改造:

(1)在选定的井口条件下,TF-SF模式的发电性能优于传统的单级系统。在压力、温度、质量流量均为655.7 kPa/162.3 °C/14.5 kg/s的井口条件下,即使假设TF水轮机效率低至35%,在此条件下也能达到851.1 kW的最佳系统功率。

(2)有效ηtf为65%,可使最佳功率容量达到933.0 kW,超过传统SF系统23.7%,证明全流和单闪(TF-SF)系统的有效组合是很有前途的。

(3)通过电厂自然配备的冷凝工艺,可将井口排放总量的三分之一以上回收为淡化淡水。这是在不增加额外的海水淡化设备、不消耗更多电力的情况下,缓解缺水压力的经济途径。

论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2689/htm

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