地热耦合槽式太阳能发电系统研究

地热耦合槽式太阳能发电系统研究

张俊，刘志国，范建锋，张建亮

山东电力建设第三工程有限公司，山东省 青岛市， 266001

摘要：目前全球都在致力于研发新能源解决方案，以克服传统能源系统对环境造成的不利影响。同时人们寻求的可持续发展的同时也关注可再生能源的成本的下降。在文本中具体分析了地热闪蒸和槽式集热器（PTC）组成的混合系统，建立了PTC和地热能发电的数学模型并进行了模拟分析。由于PTC的导热油将太阳能热传递给闪蒸蒸汽，提高了汽轮机进口参数，从而提高了全厂总体效率。本文中电站的输出功率为20MW，由四口生产井供汽。

关键词：可再生能源，单级闪蒸地热电站，槽式集热器，发电量。

1 导言

今年来全球已经从完全依赖传统能源转变为同时依赖传统能源和可再生能源，国际可再生能源机构指出，到2040年，可再生能源在发电量中的份额将达到75%以上^[1]。我们国家正在引领可再生能源的发展，以应对包括气候变化、温室气体效应等不利影响。

但是由于太阳能和风能等可再生能源难以持续提供能源，促使研究人员提出了可再生能源与其他能源形式结合的系统。合理的能源组合可以在环境、社会影响最小的情况下获得显著的经济效果，有助于尽快实现“双碳目标”。

2 地热能和太阳能光热的耦合

2.1 地热能

地热能是一种储存在地下的可再生能源，与太阳能和风能相比，地热能更可靠的优势是无论天气条件如何，它都可以全年使用。即使目前对地热能的研究还没有达到一定的程度，但由于其极具竞争性的运作方式，地热能发电仍然具有非常大的发展潜力。

研究表明，超过82个国家正在直接利用地热能资源，而已有超过26个国家直接利用地热资源进行发电。随着技术进步预计地热发电的成本将继续下降，地热能的直接使用量大幅增加；从1995年的1.124e10⁵TJ/年的使用量增加到2015年的5.93e10⁵TJ/年^[2]。此外，地热能的应用场合也极为广泛，包括供热、发电、制氢和海水淡化。

并且，地热能源每年可生产超过100PJ的能源这使得它成为可持续发展中最具吸引力的能源之一。它的累计发电能力预计在2030年将达到25GW^[3]。通常地热发电站是单闪蒸汽或双闪蒸汽地热发电厂，在前者中，只有一个分离器将蒸汽分离出来，而在后者中，有两个分离器，一个高压分离器和一个低压分离器。

2.2 太阳能光热

太阳的直接辐射是一种可再生资源，可直接加以利用，譬如太阳能光伏技术或太阳能热发电技术。太阳能光伏系统主要用于直接产生电力，通常需要一个逆变器将产生的直流电转换为交流电，以满足电网连接的要求，而太阳能光热则是直接收集和集中太阳的热能，并将其传递给流经吸收器的传热液体（HTF），其中高温导热油作为PTC的工作流体，它具有成本低，比热容高等优点。

太阳能热发电不可避免的要用到储热系统（TES），本系统使用相变材料（PCM）潜热进行储热。相变材料储热优势在于：熔化和凝固是在几乎恒定的温度下进行的。这使它能够吸收和释放大量的能量，与其他储存方法相比，它们的熔点很容易达到，而且还能储存5-14倍的热量^[2]，极高的储热密度这使得储热装置的体积变得很小。

因此基于地热能和太阳能利用的优缺点，本文提出将这两类能源结合，克服了单纯太阳能发电对于天气条件的依赖，是地热能用于发电和区域供暖、制冷等的创新解决方案。这种混合系统可以显著提高汽轮发电机动力输出和整个系统的热效率，此外这种结合将增加地热井的使用寿命。

白天太阳直接辐射（DNI）良好时，槽式集热器将吸收太阳的辐射热，加热集热管内流动的HTF（导热油）。然后将其泵送到热能储存罐或直接泵送到太阳能热交换器，以加热生产井闪蒸产生的饱和蒸汽。从而提高了蒸汽干度和温度。做完工的蒸汽在冷凝器中被冷凝后被泵打回注水井，循环往复。

研究分析的混合系统的流程图如图1所示。

图1 地热耦合槽式集热器发电流程图

3 数学模型建立

如图1所示，高温导热油通过换热器加热单级闪蒸地热分离器后的蒸汽，并将其温度提高后进入汽轮机做功。为了研究该系统的性能，本文提出了详细的数学模型。通过对发电厂中每个组件列出质量和能量平衡方程并进行求解，可得到各点的质量流量，压力温度等参数^[3]。其中默认流程中的分离器设定为定温定压运行模式，蒸汽轮机定熵运行。

热力学模型及公式如下；

状态1：热井出口饱和流体

(1)

其中， 是生产井中液体的焓；

是饱和液体的焓；

是状态1的温度；

是状态1的压力。

状态2：两相流

（2）

（3）

其中， 是两相流体在膨胀阀出口处的焓值；

是相变的比热；

是分离器的压力。

状态3：分离器内饱和液体

（4）

其中， 是饱和气体在分离器出口处的焓；

是分离器的压力。

状态4：饱和蒸汽

（5）

其中， 是饱和蒸汽在分离器出口处的焓值；

是饱和蒸汽比焓， 是分离器压力。

涡轮机入口处的饱和蒸汽的熵为：

（6）

其中， 是饱和蒸汽的熵。

状态5：过热蒸汽

（7）

状态6：两相流

状态5中的蒸汽流量和比焓可由下面的公式（9）和公式（10）计算得到。

（8）

（9）

（10）

其中， 是冷凝器压力； 是相变的比熵。

状态7：饱和液体

（11）

其中， 是饱和液体的焓值；P7是冷凝器压力，与P6相等。

状态8：过冷的液体

（12）

（13）

_{其中，v是比体积。}

泵的等熵效率被定义为

（14）

泵的功率则表示为

（15）

其中，上述公式中在每个状态下的质量流率由以下公式计算获得

（16）

（17）

（18）

（19）

汽轮机的输出功率为：

（20）

4 模拟及结果分析

建立了地热电站模型并进行模拟分析。地热资源的输入参数如下图2所示：

图2 地热资源输入

地热电站模型输入参数如下图3

图3 地热电站模型输入参数

所选择的地热资源特征深度为2000米，总潜力为210MW，储层平均温度为200℃，生产井底压力为2.15Mpa，生产井的质量流量为170kg/井，其他包括泵的配置等参数见图3所示。

导热油经槽式太阳能集热器后温度达到275.37℃，这个温度远高于地热汽轮机原来的进口蒸汽温度，导热油在换热器中与分离器出口的饱和蒸汽进行换热，从而显著提高了汽轮机的性能。

经详细模拟计算后得出地热耦合槽式集热器后全年各月份的发电量数据如图4所示，

图4 地热耦合槽式集热器各月份发电量数据图（kWh）

单纯的单级闪蒸地热发电站月度发电量数据如图5所示

图5 单级闪蒸地热电站各月份发电量数据图（kWh）

从上图4图5的对比可见地热电站耦合槽式集热器后最高月度发电量可达到14.88GWh,比单纯闪蒸电站的14.01GWh多发电约6.2%，具有明显的经济效益。

5 结论

本文研究了单级闪蒸地热利用系统与太阳能槽式集热器系统耦合的地热发电站的系统性能。

通过对混合系统的数学建模和模拟分析，得出了在地热井数量固定时，采用槽式集热器加热蒸汽可以提高电站的效率，显著增加地热电站的发电量；改善地热电站设备的使用环境，提高使用寿命，降低运维成本；并且将增加地热井的使用寿命。值得进一步探索研究。

[1] Sharma A, Tyagi VV, Chen CR, Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Energy Rev Renew Sustain2009.

[2] Zhu J, Hu K, Lu X et al. A review of geothermal energy resources, development, and applications in China: Current status and prospects. Energy 2015;93:466–83.

[3]自然资源部中国地质调查局，国家能源局新能源和可再生资源司，中国科学院科技战略咨研究院，国务院发展研究中心资源与环境政策研究所． 中国地热能发展报告( 2018 )［Ｒ］． 2018.

[4]赵洋洋.‘增强型地热系统复合发电方式优化及适用性研究’:工程科技Ⅱ辑.电力工业,2017,

作者简介：张俊(1978-)，男，汉，山东青岛，高级工程师，新能源储能，电力设计。