河北省煤田地质局第二地质队（河北省干热岩研究中心） 李 翔

关键字：单螺杆膨胀动力机；全流—ORC循环系统；热力分析；双循环

地热开发主要有地热发电和地热能直接发电两大方向，其中地热发电又分为水热资源、干热岩资源和地压资源三大类。目前主要用到水热资源，其他两个两个在研究阶段。而水热资源在工质温度上可分为高温150℃、中温90-150℃、低温90℃以下，温度不同所呈现的流体性质不同。根据流体状态又可分为地热水发电，地热湿蒸汽发电和地热干蒸汽发电。

地热干蒸汽发电是目前最经济最简单的系统，其原理主要是靠分离的干蒸汽进行发电，因此，地热发电系统主要有分离蒸汽发电系统、闪蒸发电系统。我国地热资源占全球地热的10%左右，主要以中温和低温地热资源为主。目前全流式螺杆膨胀机作为“21世纪先进能源技术”在中低温地热能源中发挥着极大的作用，世界各国都很重视其能源的有效利用，并且该技术已被得到验证性应用。而我国现在对资源的利用率不是很高，没有充分的实现梯级作用，大部分的余量散失，而提高资源利用率的关键一步就是节约能源。

1 全流式螺旋杆膨胀机热力分析

1.1 全流式螺杆机工作原理

地热电厂发电以水蒸汽为工质，主要由背压式、凝汽式两种发电方式。背压式地热系统膨胀机出口温度高，用气比稳定，但是乏汽过高不宜充分利用。凝汽式主要在负压下，设备装置密封性强、成本高，但发电量明显比背压式要高[1]。全流式螺杆机系统结构简单，由一个螺杆膨胀机、除砂装置、热源以及未显示的冷凝器、压缩机、工质泵等组成，结构并不复杂。由工质泵将地热水工质从地热田引出，中间有不少阀门装置进而联动控制水流流量，后进入净化除砂装置，使工质完全成为汽水两相流体后再经阀门进入螺杆膨胀机。膨胀机紧接着就是发电机，从内能转化为膨胀机机械能再到发电机电能输出。过程完成后膨胀机内剩余乏汽，经管道通入冷凝器后处理，至此完成整个热力循环[2]。全流式螺杆膨胀机结构独特对工质进汽要求不高，擅长对中低温地热水形态进行处理，可以达到充分利用热源的目的，本文是先通过对全流式螺杆膨胀机的热力分析，转化效率及经济实用性后引入ORC系统，为构造双极循环系统建立基础。

1.2 全流式螺杆膨胀机热力分析

该系统采用我国某一大学实验室内所使用的的单螺杆膨胀机，膨胀机发电功率为15kW，装置内膨胀体积可达到2.0Nm3/min，膨胀比为6。选取100℃-150℃饱和水蒸汽，因其状态特点，地热蒸汽进入膨胀机进口前不用提供动力，全流式地热发电模拟系统地热水资源忽略回程损失，消耗功率只考虑真空泵，回灌水泵，冷却泵的消耗[3]。为了方便系统计算，特提出几点假设来简化系统。

单螺杆膨胀机工作效率有差异，现设定工况下效率相同，等熵效率60%，机械效率96%；工质流体经过预热器、过热器、蒸发及冷凝器时无压降损失；工质泵、真空泵、冷却水泵、回灌水泵的效率依次为75%、75%、60%、70%；设定真空泵出口压力为冷凝水进入储液罐的压力近似取120kp；流体流经泵时忽略流体温升对流体比体积的影响。

地热系统进口体积流量为膨胀机进口额定体积流量，由此得出水蒸汽流量在不同参数下的变值，由式（1）得出：

上式中工质质量为m单位kg/s，在膨胀机进口处的水蒸汽密℃为ρ体积为V，螺杆膨胀机的机械效率与自身的结构有所关联，其等熵效率也决定膨胀机的做功性能。

其中Pesh为膨胀机轴效率kW，Δhg为动力机进出口焓差，单位kJ/kg，ns为等熵效率，nm为机械效率。

回灌泵和真空泵功率计算相同，以下分别是真空泵消耗功率和回灌泵消耗功率。

其中Pezp、Pehp为真空泵和灌水泵的消耗功率，ΔPzp、ΔPhp为真空泵和灌水泵的前后压差，v为工质的比体积，nzp、nhp泵的效率。

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在膨胀动力机入口时为汽水混合，在出口的时候保证为全部液态，中间使用的冷却水消耗量为：

该式得出的是冷却水的质量，工质在膨胀机出口时的焓差为Δh0，Δhl是冷却水进入冷凝器后的焓差。

冷却水泵的消耗功率为：

Pelp为冷却水泵消耗的功率用kW表示，H为水泵的扬程，nlp为冷却水泵的效率。在循环中的净功率公式为：

膨胀动力机的汽消耗：

q单位为，kg/kW·h。

地热系统吸热量为Q=mgΔhx,hx为焓差。

最后得出系统热效率为：

根据以上公式数据分析，在100℃到150℃的饱和蒸汽为工质条件下计算出的膨胀机功率和汽耗率变化曲线为图1所示。

图1 臌胀机功率和汽耗率随温度的变化曲线

2 全流—ORC双级循环系统

全流系统在结构原理上比较简单，同时也带有一定效率问题，地热水在膨胀机内工作由于膨胀比的限制，水蒸汽不能充分发挥其作用。由于全流系统排气温度较高，不能有效的利用能量，因此对该装置进行优化改进，进而引入ORC有机朗肯系统进行串联，有效的提高了余热的利用率。

2.1 全流—ORC循环系统工作原理

ORC有机朗肯系统原理与全流式单循环系统大致相似，但性能却有所不同。其中工质的选择就对ORC循环系统热力效果有一定影响，其次还包括工质的蒸发温度、热源温度、环境温度等[5]。根据上述因素，本文提出一种全新的热力发电循环系统，该系统可以分层处理地热工质，充分优化系统能量利用率。

装置主要由高温螺杆膨胀机和低温螺杆膨胀机组成，工质先经高温膨胀机做功，经蒸发器升至到一定沸点，这里选择的是沸点低的有机工质易蒸发，气压升高。然后达到高温的低沸点工质再进入低温膨胀机，以此驱动发电机发电，最后通过冷凝器转化为液态。整个循环系统利用工质的特性，使能量充分有效反复利用，有效的提高了工质利用效率，从技术层面上看也有很大可行性。以下是全流—ORC循环系统工作的T-S图。

图2 全流-ORC循环系统的T-S图

T-S图以熵“S”为横坐标，温度“T”为纵坐标以此来分析循环系统的吸收或发热功率，由上图可知系统状态点有很多，其中“1点”为工质起初状态，经高温螺杆机高温做功后为“2点”，“2点”工质状态位气液两相型，带有一定潜热。“3点”为从蒸发器出来进入低温膨胀机时的状态点，“4点”为进入冷凝器时的状态点，4点和5点相同，但熵值不同。主要是经过工质泵重新进入下一轮循环时的状态不同。由上图不同状态点显示的不同温度可得，经高温第一次做功后的温度为T2，进入低温做功之前的温度为T3,对应的熵值为h3,系统做功后最后温度为T5,熵值为h5，由此可计算工质地热水所释放的热量为：

而低温工质吸收的热量为Q=γQ，γ为蒸发器保温系数。因此，可得到低温工质流量：

W1为地热水部分做功，W2为低温有机工质做功，由此得出此系统的整个发电效率：

2.2 全流—ORC循环系统应用分析

以我国某地区一地热田为例，地热温度182℃，饱和压强1.35MPa，工质选择为五氟丙烷（R245fa），在其他效率暂不考虑的情况下假设参数有地热水进气压力0.75MPa、进气温度164.89℃、进气干度7.3%；螺杆膨胀机效率为0.73，冷凝器出口温度34℃，机械效率0.96，机械效率为0.94。对全流式地热循环系统进行分析[6]。结合以上循环系统的工作原理及热力定律，对循环系统进行性能计算和分析，为提高系统能力利用率提供参考和依据。

假定蒸发器、冷凝器换热效率为100%，螺杆膨胀机出口压力为0.067MPa，经管道流动损失进入ORC循环部分的蒸发器压力为0.057MPa，然后在有机工质蒸发温度为65/70/75℃三个条件下发电效率比较，从而得出蒸发温度依据[7]。

2.3 全流—ORC系统发电功率和发电效率

根据蒸发温度出发，从相应的蒸发压力和工质流量及系统发电功率出发计算该循环系统。

由表1得出，系统在工质蒸发温度为75℃时的发电总功为13812.33kW，功率为12.12%。系统在冷凝器工质状态转化过程中，热量有所散失[8]。总体来说系统发电功率随工质蒸发温度的升高而增大，相应的温度升高的同时，工质流量有所降低这与工质自身状态有关。系统在经过优化后采用同种的工质进行热力转化下，其发电功率和效率总体是增加的。

表1 全流—ORC循环系统计算结果

3 结语

本文对单螺旋膨胀机工作原理和热力分析做了一定介绍，并结合实际装置进行了热力分析，总结其转换性能分析其实际不足之处。

工质在系统循环过程中有一定热量的散失，这是环节中避免不了的，但对以往单循环双循环系统来说转化效率有明显提升。文中在单级循环系统上加以优化，通过其工作原理介绍，参考实际数据应用和熵值分析得出了该系统在热力发电应用上的可靠性，为该系统的后续研究打下了基础。