陈杨杨*，刘志国，谢秀峰，安丰路，李培永，何洪英
青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司，青岛，266000；
摘要：地热资源作为一种可靠的绿色低碳的可循环利用的可再生能源，大规模应用地热资源发电对碳达峰、碳中和有重要意义。地热发电技术多种多样，以肯尼亚某项目14口地热井为例，通过对各个井口参数分析，从不同装机方案，不同的主辅机系统设计对全厂发电量的影响，厂用电率的影响，设备造价的影响等方面分析，当井口参数高、流量大的井口采用单级闪蒸/ORC联合地热发电时全厂发电量从56.1MW增加到64.943MW，增加了13.62%，净出力从52MW增加到58.796MW，增加了11.56%。另外本文从井口参数，热平衡拟定，主厂房，管道系统设计等方面详细的介绍了本项目的设计研究工作。为类似项目的设计提供了可参考的设计依据，以便合理和充分的利用地热资源。
关键词: 单级闪蒸；ORC；发电量；地热发电技术；设计研究
1 引言
地热能是新能源家族中的重要成员之一。地热资源按温度分级，分为高温热源(高于150℃)、中温热源(90~150℃)和低温热源(低于90℃)三类，中温及以上的地热资源即可用于发电。地热发电是利用地下热水或者蒸汽发电的一种技术，将热能通过汽轮机做功转变为机械能，再带动发电机发电。其中地热水多属于中低温热源，以液体形式存在，无法直接进入汽轮机发电，需借助某些技术转换为蒸汽才能发电。根据采用的转换方法不同，其主要技术方案包括闪蒸地热发电技术及双工质循环地热发电技术， 而单级闪蒸凝汽式发电系统则是目前选用最多的地热电站系统，技术成熟、可靠，发电效率高，机组容量多样。意大利世界上第一个利用地热发电的国家。1913 年第一座装机容量为 0.025 万千瓦的地热电站建成并投入使用，标志着商业性地热发电的开端，到2021 年全球地热发电装机容量可达1 840 万kW 左右。全球地热发电模式主要包括适用于高温热田的干蒸汽发电系统、适用于中高温热田的扩容式蒸汽发电系统、适用于中低温热田的双循环发电系统，其中扩容式蒸汽发电系统在地热发电市场占比约57%，是地热发电的主力。法国市场调查公司ReportLinker预计，2020～2027年间，上述三种发电系统的年均复合增长率将分别达到8.4%、10.6%、8.8%，到2027年，扩容式蒸汽发电系统仍将占据全球地热发电市场的主要份额。
单级闪蒸凝汽式发电系统则是目前选用最多的地热电站系统，技术成熟、可靠，发电效率高，机组容量多样。工艺流程是地热井口引来的地热水或汽水混合物,先送到闪蒸器中进行降压闪蒸使其产生部分蒸汽(或经汽水分离器将蒸汽分离出来，提高蒸汽干度)，再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内 冷凝成水，送往冷却塔冷却，分离器中剩下的含盐水排入环境中或打入地下。在世界范围内地热用凝汽式汽轮机发电机组主要的供货方为日本的东芝、三菱、富士电机、川崎和美国的GE，产品已形成系列化，均能生产几万千瓦等级的汽轮机，最大可达160MW，可以适用于不同地热资源开发。
（1）干蒸汽发电
干蒸汽发电是第一种商业上取得成功的地热发电厂，系统简单，成本低，系统较为简单。
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（2）单级/双级闪蒸蒸汽发电
闪蒸蒸汽发电系统，适用于压力、温度较高的地热资源，要求地热井输出的汽水混合物的温度较高。
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（3）双工质循环发电
有机工质的郎肯循环能够利用能利用埋藏深度较浅的中低温地热，那些不宜采用闪蒸式发电的地热水，可以采用此方式发电。将地热水/蒸汽中的能量传递给中间介质（氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等）。开采难度方面，双工质循环发电方式，能利用埋藏深度较浅的中低温地热，开采难度相对较小。环境污染方面，双循环式发电系统存在中间介质少量泄漏问题，一旦泄漏将对环境和人体造成危害。为防止中间介质的泄漏，对设备的密封性要求较高。
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2 工程概况
2.1项目概述
本工程位于肯尼亚OLKARIA地热田，共包含14座生产井，工艺方案拟采用蒸汽发电+ORC发电技术。其中14口井的详细的流量及压力分析见表1。
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针对地热田不同位置的地热井需要综合考虑不同地热井的资源差异，在电站配置时，通常采用分布式井口地热电站或集中式电站，本项目显示OW-802/A/B，OW804/B井口参数，距离较为接近，采用集中电站可收集更多的蒸汽及热水流量，可使用功率等级更高的汽轮机及ORC，提高发电效率，剩余井口采用井口电站配置，减少了长距离管道输送过程中的温压损失，井口资源得到最大化利用。
2.2主机选型
2.2.1汽轮机
针对本项目地热流体的参数，经过蒸汽参数优化，最终选定两种机型，参数见下表：
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2.2.2 ORC
ORC主机根据不同的名牌功率，分为A（4500KW）/B（2800KW）/C（2800KW）/D（1000KW）四种机型，一个完整的ORC模块包括预热器，蒸发器，工质泵，空冷器等主要部件，四种类型的机组可以根据需要增加或者减少蒸发器、预热器的数量，有机工质使用异戊烷及正戊醇。
2.3方案对比
方案一：纯汽轮机方案
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从表2中可知，14口井共设置11套蒸汽发电机组，其中地热井707 +724,802+802A+802B 和804+804B采用GXP-X机型，其余采用GXP-5机型，14口地热井总额定功率106KW，总发电量56.1KW，除去发电系统辅机电耗，净发电量52KW。整个地热区块厂内用电率为7.31%。
方案二：单级闪蒸/ORC联合地热发电方案
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从表3中可知，14口井共设置13套蒸汽发电机组，其中地热井802+802A+802B 和804+804B采用单级闪蒸/ORC联合地热发电，其余采用纯ORC机型，14口地热井总额定功率83.8KW，总发电量64.943KW，除去发电系统辅机电耗，净发电量58.796KW。整个地热区块厂内用电率为9.46%。
2.4 小结：
（1）联合发电机组高品质的蒸汽进入汽轮机做功，分离器分离出的热水送进ORC机组二次利用，回收做功，提高了整个电厂的出力，针对802+802A+802B井口，纯单级闪蒸地热发电总功率21.9MW，采用联合发电优化参数后总功率23.930MW，其中汽轮机部分21.514MW，ORC部分2.416MW，针对该井口提高了11.22%。针对804+804B井口，纯单级闪蒸地热发电总功率10.5MW，采用联合发电优化参数后总功率10.728MW，其中汽轮机部分9.813MW，ORC部分0.915MW，针对该井口提高了9.32%。
（2）针对井口参数高，地热流量大的井口，采用联合发电，能较大的提高全厂发电量，闪蒸地热水事宜二次利用，能源梯级利用受益更为明显。
（2）单级闪蒸/ORC联合地热发电厂用电率略高于纯单级闪蒸地热发电，主要原因是ORC机组厂用电率在11%~15%之间，纯单级闪蒸地热发电在8%左右，因此联合地热发电厂用电率略高。
（3）联合循环发电机组数量较单级闪蒸发电机组总数量增加了两台，但是采用联合循环后，优化大部分井口使用ORC发电，主机总价基本持平，略有增加。
（4）采用联合发电后，井口802+802A+802B 和804+804B较单级闪蒸发电机组的系统复杂，管道及辅助设备的工程量增加，与设备安装相关的土建基础等部分成本增加，同时，对运行人员的操作水平要求较高。
（5）方案二大量使用ORC机组，对机组启停，快速甩负荷等影响，需进一步研究。
3工艺系统拟定
地热发电系统主要由井口装置，地热水收集系统，汽水分离系统，蒸汽发电系统，ORC发电系统，回灌系统等主要系统组成，主要设备包括汽水分离器，除雾器，岩石消音器，汽轮机组，ORC机组模块组成。根据不同的井口参数，发电方案，确定每个井口的热力系统。
以井口802+802A+802B 为例，汽水分离器后蒸汽量70.971t/h,凝汽器背压7.29 Kpa,单机出力10.757 MW,汽水分离器后热水量147.89t/h，ORC单机出力2.416MW。
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4 布置方案
主厂房采用便于安装、拆卸运输的轻钢结构。汽轮发电机组厂房一般只有顶棚和几根支柱，仅能为主要设备遮挡雨水。这些设计充分体现了快装型电站的理念，便于易地重建，为业主大幅降低成本，实现效益的最大化。 全厂大量使用可以快速安装拆卸的集装箱结构
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5 结论
本文通过对正在设计地热项目，从方案选定，系统配置，主机辅机设备选型，管道系统设计等方面进行优化设备，方案对比，完整论述了项目设计过程中的关键技术，为同类项目的设计提供了经验参考，现将主要结论总结如下：
（1）联合发电机提高了整个电厂的出力，单个井口出力提高了10%左右，厂用电率略高增加约~3%，总体造价基本持平。
（2）高参数，流量大的井口，地热水经ORC二次发电后再进回灌井进行回灌，可大幅度提高能源的利用效率，降低损失。
（3）井口分布式电站与集中电站选择，需要根据井口间距离，井口参数等进行方案对比，针对距离较近，参数较为接近，混合后不会造成流体参数降低的井口，可以采用集中式井口，使用额定功率更高的机组，提供发电效率。针对井口距离较远，考虑到两相流体输送方面的问题，建议采用井口电站。
参考文献
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