[科普中国]-地热双工质发电

简介用于发电的地热资源，目前主要有三种，即水热资源、地压资源和干热岩资源。但目前只有水热资源能用于商业发电，其余还处于试验阶段。实际应用的地热水发电主要是闪蒸系统和双工质循环系统。

要提高动力循环的发电效率，只有改善循环吸热过程和放热的换热温度匹配。采用水作工质的动力循环朗肯(Rankine)循环的蒸发和冷凝过程都是恒温的等温相变过程。这样，工质和热源及冷源的换热就不能达到最佳的温度匹配，引起较大的有效能损失。

非共沸混合物等压相变过程是一变温过程，如果以其作为动力循环的工质就可以与变温的热源和冷源达到满意的温度匹配，降低蒸发和冷凝过程的有效能损失，提高循环的发电效率1。

系统设计采用NH3₃ -H₂0混合工质的地热双工质发电系统的循环流程如图2所示。

该循环系统由发生器、换热器、汽轮机、吸收器、节流阀以及泵组成。压力为7. 5 xlOSPa，浓氨水溶液被冷却水冷却由状态1经过泵加压到状态2，进人换热器换热升温后，达到状态点3，然后送人发生器，由地热水加热混合工质，低沸点工质氨开始蒸发，并从混合物中分离出来。从发生器出来工质蒸气4进人汽轮机膨胀做功，汽轮机出口排气5进人吸收器被来自6的稀溶液吸收，释放的热量由冷却水带走，并回到状态1的浓氨水溶液。发生器出口7为稀氨水溶液，它首先通过换热器放热到状态8，再经过节流阀减压后进人吸收器，吸收来自汽轮机出口排气，完成整个循环过程。

计算与讨论汽轮机的出口压力、吸收器的工作温度以及氨一水混合物的成分三个参数之间是相互影响的。随着汽轮机出口压力的升高，吸收器的工作温度也升高，而且在同一背压下，氨一水混合物中氨的质量分数越小，则吸收器工作温度也越高。

在热源温度和流量不变的情况下，系统循环热效率随汽轮机出口压力的变化曲线，随着汽轮机出口压力的升高，汽轮机进出口压差减小，汽轮机做功的能力下降。随着汽轮机出口压力的升高，效率降低，而且氨的成分越小，效率越低。

随着热源温度的升高，蒸发压力逐渐增加，汽轮机的进出口压差逐渐增大，系统的热效率逐渐提高。当热源的温度高于433 K时，系统热效率增加的比较缓慢，因为随着温度的进一步增加，蒸气量逐渐增加，发生器中的氨水溶液的浓度逐渐降低，继续增加热量，蒸发量逐渐减小，所以热效率增加比较缓慢。即存在一个最佳值热源温度，当低于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较快，当高于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较缓慢。

汽轮机出口压力和吸收器温度不变的情况下，系统发电功率随热源温度的变化曲线。随着热源温度的升高，系统的发电功率逐渐增加。当热源温度小于433 K时，系统的发电功率增加的较快，当热源的温度高于433 K时，系统热效率增加的比较缓慢。当系统的热源温度达到400 K时，双工质发电系统的功率可以达到175kW，进一步验证了地热水双工质发电系统存在一个最佳值热源温度，当低于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较快，当高于这个值时，系统热效率随热源温度增加的较缓慢2。

总结沸点不同的混合工质在吸热蒸发过程中是变温过程，这可以大大降低换热过程的不可逆损失，因此，将混合工质用于动力循环可以提高效率。按照一定的边界条件，采用模拟计算的方法对以氨水溶液为工质的地热水双工质发电系统的动力循环进行了研究，以热力学性质图分析了操作参数对循环特性的影响。主要结论如下:

(1)以地热水和工业余热为热源，当热源温度为353K时，系统的热效率为10.4% ,相应的卡诺循环效率为14.16%，热力学完善度为73.4%。

(2)随着汽轮机出口压力的升高，系统循环热效率降低，而且氨的成分越小，效率越低。

(3)随着热源温度的升高，系统的热效率和发电功率逐渐增加，并且存在一个最佳热源温度。

(4)中低温的热力过程的不可逆程度对系统效率的影响不容忽视，良好的中低温过程匹配将为系统带来显著的效果。

以低沸点的氨一水溶液作为工质的地热水双工质发电系统的动力循环，在未来的节能领域和对工业余热的开发利用具有重要的参考价值。本文所做的工作只是理论上的分析和探讨，为系统在不同条件下的开发设计打下了基础，但还需要进一步的试验验证和改进3。