羊易电站地热光热联合发电方案比选

2021-11-16许志翔舒崚峰李成军

水电与新能源 2021年10期

许志翔，舒崚峰，高俊，李成军

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122)

目前我国地热和光热资源的开发模式仍以单一开发为主，未见二者联合开发的工程案例。西藏地区地热和光热资源丰富，具备地热/光热联合发电的基础条件[1-3]。羊易电站位于西藏当雄县，该地地热能及太阳能资源具有较好的开发条件。本文将以羊易电站二期工程为研究对象，结合现有的资源条件，对地热/光热联合开发方案进行初步探索。

根据地址勘测结果及现场条件，羊易电站二期工程设置三口地热生产井，井口温度180°C，井口压力1.0 MPa，井口干度12.55%，单井地热流体流量160 t/h，回灌温度70～80℃。工程场区历年太阳总辐射量变化不大，多年平均太阳总辐射量为7 050 MJ/m2，镜场面积1.65×105m2。根据羊易电站规划，二期工程地热发电装机规模为16 MW[4]，光热发电装机规模根据比选结果确认。

1 联合发电方案比选

根据现有的资源条件，羊易电站二期工程可考虑ORC(有机朗肯循环)和WRC(水蒸气朗肯循环)两种发电方案。两种发电方案除工作介质不同外，换热方式也有很大差异。下面从原理、结构、运维和效益等方面进行综合比较。

1.1 ORC发电方案

ORC发电方案原理见图1，其工作介质采用异戊烷。地热流体进入1号蒸发器，加热临近饱和的异戊烷。凝结后的地热流体进入1号预热器，加热从1号复热器出来的异戊烷液体。光热系统中的导热油依次通过2号蒸发器和2号预热器，将从2号复热器出来的临近饱和的异戊烷加热到过热蒸汽状态。两股过热异戊烷蒸汽在母管汇合后进入汽轮机做功，带动发电机旋转发电[4-5]。

图1 ORC发电方案原理简图

1.2 WRC发电方案

WRC发电方案原理见图2，其工作介质采用水/水蒸汽。地热流体首先入预热器，加热从冷凝器出来的水。预热器出口的接近饱和状态的水进入蒸发器吸热后变成高温高压的过热蒸汽。然后进入汽轮机中做功，带动发电机旋转发电[6]。

图2 WRC发电方案原理简图

1.3 两种方案比较

ORC发电方案中有机工质可以与地热流体和导热油独立进行换热，因而采用两套换热设备独立工作。光照充足时，光热和地热系统同时工作，满负荷运行；光照不足或者无光照时，主要由地热系统工作，部分负荷运行。WRC发电方案受制于光热系统，只有光照充足或储热充足时才能运行。通过增设储热系统可以增加整个系统的运行时间，但受制于光场面积，储热容量不大。

以羊易电站现有的地热和光热资源作为输入条件，综合考虑机组运行参数、光热转换效率、发电效率、储热时间等因素，初步拟定ORC和WRC发电方案的基本参数，并将两种发电方案进行技术经济比较，详见表1。

表1 ORC和WRC发电方案技术经济参数比较

由表1可以看出，虽然WRC发电方案有着更高的工质运行参数和发电效率，但是受制于光热系统，年发电量相对较小，对地热资源的利用不够充分。考虑到发电的连续性，WRC发电方案必须设置储热系统，相应的辅助设备及运维人员都要增加。同时，WRC发电方案采用水/水蒸气作为运行工质，发电岛相关辅助设备较多，建设及运行成本都将有所增加。

综上，推荐羊易电站二期工程采用基于ORC原理的地热/光热联合发电方案。

2 光热配置方案比选

在选定地热/光热联合发电方案采用ORC原理后，对光热配置方案进行比选。在同样的镜场面积下(槽式集热)，通过配置不同的装机容量和储热容量，会产生不同的工程方案。以羊易电站为例，采用ORC原理后，其光热系统最大可提供约10 MW出力，若不设储热系统，则光热系统需配置10 MW的装机容量；若设置一定容量的储热系统，光热系统配置的装机容量会下降，但是发电小时数增加。不同的光热配置方案，其效益、风险、运维投入等都有所不同。为初步探索不同光热配置方案的影响，拟对光热装机5 MW和10 MW两个典型方案进行比较，储热容量根据计算结果确认。

以羊易电站光热资源作为输入条件，其镜场面积为1.65×105m2，发电效率取15%，储热容量以储热时间等效表达，分别对光热装机5 MW与10 MW两个典型方案进行了计算分析。

2.1 光热装机5 MW方案

当光热装机为5 MW时，在不同的储热时间下计算相应的年发电量。储热时间在1 h以内，储热介质通常使用油；储热时间大于1 h时，储热介质通常使用熔融盐。光热5 MW装机储热时间与年发电量关系见图3～4。可以看出，储热时间在1 h以内时，光热年发电量随着储热时间的增加而增加；储热时间大于1 h时，光热年发电量随着储热时间的增加呈现先增后降的趋势。当储热时间为15 h时，光热年发电量达到最大值约2.150×107kW·h。

图3 光热5 MW装机油储热时间与年发电量关系图

图4 光热5 MW装机熔盐储热时间与年发电量关系图

2.2 光热装机10 MW方案

采用与光热装机5 MW方案相同的分析方法，光热10 MW装机储热时间与年发电量关系见图5～6。可以看出，当光热装机为10 MW，储热时间在1 h以内时，光热年发电量虽有起伏，但差别很小；储热时间大于1 h时，光热年发电量随着储热时间的增加而减少。当储热时间为0.2 h时，光热年发电量达到最大值2.072×107kW·h，当储热时间为0 h，光热年发电量为2.063×107kW·h，两者相差仅0.009×107kW·h，几乎相同。因此，光热装机10 MW方案可不设储热系统，其短时储热由膨胀罐实现。

图5 光热10 MW装机油储热时间与年发电量关系图

图6 光热10 MW装机熔盐储热时间与年发电量关系图

2.3 两种方案比较

2.3.1 发电量比较

光热装机5 MW方案和10 MW方案的储热时间和年发电量比较见表2。可以看出，光热装机5 MW方案需要配置可储热15 h的储热系统，才能使年发电量达到最大2.150×107kW·h，而光热装机10 MW方案不用配置储热系统即可实现年发电量2.063×107kW·h，二者的年发电量仅相差0.087×107kW·h。光热装机5 MW方案在年发电量上略有优势，但不明显。

表2 储热时间和年发电量比较

2.3.2 经济性比较

经济性主要从储热系统投资、储热防凝系统、运维投入、储热系统风险方面进行定性分析，详见表3。可以看出，光热装机5 MW方案由于设置的储热系统，其在储热系统投资、运维投入、系统风险方面都明显劣于光热装机10 MW方案。

表3 经济性比较

2.3.3 比较结论

根据上述比较结果可知，光热装机10 MW方案与5 MW方案相比年发电量几乎一致，但在经济性方面却有明显的优势。其原因主要在于，地热/光热联合发电系统采用ORC原理，系统不再受光热系统的制约，地热系统可以保证整个系统的连续发电，光热系统相当于是额外的出力补充。由于镜场面积一致，光热系统提供的年发电量也基本一致，储热系统无法有效增加光热系统的年发电量，也无需通过它来保证系统的连续运行。因此，在羊易电站现有的光热资源条件下，推荐配置10 MW的光热装机，且不设专用储热系统。结合羊易电站的地热资源条件，地热/光热联合发电系统可配置26 MW装机规模，其中16 MW由地热系统提供，10 MW由光热系统提供。在光照充足的时候，满负荷运行，在光照不足或者无光照时，部分负荷运行。