地热发电技术之ORC

2018-11-01 09:57:15 admin 48

作者 : 王凡

全球地热能发电概况

近年来,人类活动中对化石能源的大量使用,加剧了全球气候变暖和极端气候灾害进程,再加上各国政府和社会公众环保意识的抬头,节能减碳与开发清洁、可再生能源已是各国政府最为关切、亟待优先解决的课题。中国作为世界上负责任的大国,当然也不会置身之外,而是以实际行动认真履行国际减排公约并积极推动相关减排计划。中国政府在“十三五”规划中先后密集公布了“大气污染防治行动计划”、“可再生能源发展、地热能开发利用规划”及“控制温室气体排放工作方案”等。可见,开发清洁、可再生能源是中国政府刻不容缓的大政方针,亟待快速推进和实施。

目前可以利用的清洁、可再生能源主要包括:地热能、太阳能、风能、水能、生物质能等。其中,地热能发电具有不受环境影响、无需燃料供应、全年365天恒温稳定运转、发电容量因子高(Capacity factor)注1等诸多优点,在各种清洁、可再生能源中具有独特的、不可比拟的优势。美国Energy Information Agency(EIA)统计了各种可再生能源的平均容量因子(图1),其中,地热能发电的容量因子高达95,是光伏发电的4.5倍。美国GALAXY公司资深副总 Diamon说:“这代表相同规模电厂的地热发电量是光伏发电量的4.5倍,这还不考虑土地成本,并且地热发电不中断、维护成本低,是目前最佳的再生能源及基载电源”。

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图1 不同可再生能源技术的容量因子(据EIA)

THINK GEOENERGY对全球地热发电市场统计表明(图2):截至2018年2月,全球已安装的地热能电厂规模达14,060MW(兆瓦),正在建设或已通过开发之电厂规模高达14,000 MW(兆瓦)。在已装机的地热能发电容量中,美国3,591MW(兆瓦)最多,其次为菲律宾的1,868MW(兆瓦)及印度尼西亚的1,809MW(兆瓦),中国地热能发电的发展则相对迟缓。印度尼西亚因火山及离岛多(电网跨海难度高),故政府大力推动,获得了大量国际金融资源资助,目前正在建设中的地热能电厂发电容量高达3,958MW(兆瓦),为所有地热能发电的国家中最多。美国因之前受法规限制而停滞,但在深层地热技术开发成熟及政府法规修正后,也开始加速开发中,已取得开发许可的地热能发电容量有1,248MW(兆瓦),另外正计划新开发的地热能电厂容量超过5,500MW(兆瓦),新建或改善电厂计划超过140个。与上述国家对比,中国在地热能发电开发进度上则较为缓慢。此外,Mordor Intelligence分析结果表明(图3):2017年到2023年,全球地热能发电容量将逐年上升,2023年将超过22,500MW(兆瓦)。

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图2 THINK GEOENERGY对全球地热能发电市场的统计结果

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图3全球2023年地热发电容量(据Mordor Intelligence)

据 THINK GEOENERGY资料可知,全球高温地热资源最丰富地区主要集中在环太平洋火山带。THINK GEOENERGY全球地热能发电潜力分析结果(图4)表明:日本、中国东南沿海(如台湾、福建、广东一带)、菲律宾、印度尼西亚等国约有70,900MW(兆瓦),中南美洲约有58,200MW(兆瓦),北美洲约有32,200MW(兆瓦))、地中海——喜马拉雅山约有5,950MW(兆瓦),东非约有11,600MW(兆瓦)。

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图4全球地热能发电潜力(据THINK GEOENERGY)

综观图4所示的全球主要地热场区,包括美国、墨西哥、菲律宾、印度尼西亚、新西兰、土耳其、肯尼亚、埃塞俄比亚等,其地热能发电技术大多来自美国。美国GALAXY资深副总Diamon说:“美国近年来受惠于页岩气的水平井压裂技术及增强型地热开采(EGS)技术成熟,地热电厂的开发得以大幅扩大产能规模并有效降低发电成本,过去传统电厂发电规模仅约数十兆瓦(MW),现在地热能电厂动辄100MW甚至200MW”。

需要指出的是,尽管中国也位于环太平洋火山带高温地热资源丰富区,但尚未有效开发利用地热能发电。而在美国、墨西哥、日本、菲律宾、印度尼西亚及新西兰等国都建有规模不小的地热电厂。美国GALAXY资深副总Diamon建议:“中国若要奋起直追,第一可以模仿美国的政策,由政府带头主导,除法规的配合修正外,搭配诱人的抵税措施及大幅经费支持,美国联邦政府对单一示范电厂开发提供了动辄上亿美元的补助,才可以发展技术研发,其中已发展地热技术研发的国家,地质勘探调查经费也多是由政府出资完成;第二,可以开发中国自主知识产权的技术,中国北方地热肩负发电及供暖任务,不像世界其他国家纯以发电为主,宜由政府支持发展开发利用电能及热能,有效分配和优化智能地热系统技术(Smart Energy Optimization);第三,就是积极扶持中国企业引进国际地热能发电技术,政府可以给予相当政策支持及财政扶持,这样可以加速国内地热电厂的开发规模,能提升技术水平”。美国GALAXY资深副总Diamon还特别强调:“若要发展地热能发电,政府必需大胆投入,不能只依赖学术讨论。数千公尺的地底下,几乎没有人去过,唯有大量商业电厂的实际营运,才能累积真正的自有技术”。

美国的地热能电厂商业运转已有近百年的经验,除了地热资源勘探分析和水平井压裂技术独步全球外,如何达到高效率及低成本发电亦是其关键技术。传统之直接干蒸汽(Direct dry steam)方式因效率较差,成长有限,取而代之的是采用新技术的增强型地热系统(EGS),包括闪式(Flash)-单闪或双闪、双井式(Binary)或复合循环(Combined-cycle)等方式。同时,美国还改良了有机朗肯循环发电机(Organic Rankine Cycle,ORC)技术,可以使发电效率由16%提升至35%,大幅增加了电量产出并降低发电成本。

有机朗肯循环发电机技术(Organic Rankine Cycle, ORC)

传统燃煤或燃油发电机的工作温度超过1000℃,然而目前用于发电的地热温度仅在120℃-200℃,因此地热发电不能采用传统之高温蒸汽发电,而是要采用有机朗肯发电循环系统(ORC System)。

如图5所示,有机朗肯循环(ORC) 发电技术的工作原理是:利用低温沸点的有机工作流体冷媒取代高温发电用水,将热源、冷源的温差能转为电力。其工作温度为120℃-200℃,冷热温差越大,发电效率越高。有机朗肯循环(ORC)发电技术常用的冷媒种类及其温度如图6所示。

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图5 有机朗肯循环 (ORC) 发电技术的工作原理示意图

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图6 有机朗肯循环(ORC)发电技术常用的冷媒种类及其温度

近年来,应用有机朗肯循环(ORC)发电技术发电规模不断增加。Energy Procedia提供的数据表明(图7):至2016年底,全球ORC技术发电装机1754台,总容量为2701MW。其中,地热发电应用超过2000MW,占74.8%。其次,生物质能源(Biomass)发电占11%。再其次是工业余热再利用发电,如水泥厂、玻璃厂等高耗能产业。

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图7 应用有机朗肯循环(ORC)发电技术发电规模及电源类别(据Energy Procedia)

此外,不同燃料的热电转换效率会严重影响发电成本,差异可能高达3倍左右。因此,需要依据地热资源状况(包括温度、热流量及蒸汽干度等),设计客制化的、最适合的发电系统(图8),依据最优的成本效率选择单闪有机朗肯循环(FORC)或双闪有机朗肯循环(DFORC)等方式。

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图8 不同燃料的热电转换效率及客制化设计方案

传统干热蒸汽系统(Dry Steam)

传统干热蒸汽(Dry steam)系统自地下抽取热蒸汽后直接推动涡轮发电机,剩余热气或热水再经过冷却塔降温。干热蒸汽系统采用低压及大量蒸汽操作,该类 型地热发电厂使用蒸汽要高于150°C,通常蒸汽进入涡轮干度需要至少99.995%,以避免结垢或涡轮机或管道的组件被腐蚀。直接干热蒸汽设备从8兆瓦到140兆瓦都有。但传统干热蒸汽能源浪费高,一般转换效率最高约16%(依地热能量而定),若是热源带水分过多时,其转换效率将更差。当然,因为结构单纯,建置成本也较低。干热蒸汽系统通常应用于热源充足及较干蒸汽的环境下。

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图9 传统干热蒸汽系统(Dry Steam)基本结构

闪式(Flash)系统

这是目前地热发电厂采用最多的系统。是在干热蒸汽系统多加了气水分离器,蒸汽是从分离中获得的,称为闪烁。分离出的蒸汽直接输往涡轮机发电,发电后产生的冷凝物则送去冷凝器(Condenser)重新注入或者到较低压处再闪烁。假如热源热量较不够充足,系统压力容易下降就会导致温度掉下来,涡轮便会无法推动发电,这时就需要采用闪式系统。一般热源最好要能超过180℃,经过越多次闪烁,发电容量会较大,如单闪(Single Flash, SF)(图10)约在0.2-80兆瓦,双闪(Double Flash, DF) (图11)在2-110兆瓦,三闪(Triple Flash, TF) 在60-150兆瓦。双闪比单闪输出电力最高可增加近20%。(图12)

当然,越多闪烁,建置成本也越高,也不一定效率就会提高,美国GALAXY资深副总Diamon就强调:“必需经过有丰富经验专家详细严密的分析该处的地热条件作设计,才能达到预期效能,并不是每个地热电厂都一致,都用一样的发电机,也不是发电机越大就越好,完全都取决于地热田之热能结构而定,全球的地热电厂几乎都是客制化设计”。

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图10 单闪系统(Single Flash)基本结构示意图

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图11 双闪系统(Double Flash)基本结构示意图

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图12单闪系统(Single Flash)与双闪系统(Double Flash)发电效率对比

单闪ORC系统(Single Flash ORC, FORC)基本结构如图13所示,单闪式FORC发电系统减少浪费热水气能源,再蒸发利用,其总转换效率可比单闪(SF)增加近25%,电量输出如图14所示。

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图13 单闪ORC系统(FORC)基本结构示意图

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图14 单闪ORC系统(FORC)电量输出情况

双闪式DFORC发电系统总转换效率可比SF增加近35%,电量输出如图15所示。

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图15 双闪ORC(DFORC)系统电量输出情况

目前,地热电厂以闪式有机朗肯循环(Flash ORC)系统为主,但是必需依据不同地热资源作最适合的设计,并非一成不变。美国GALAXY资深副总Diamon再次强调:“地热井工程成本浩大,在同一个生产井抽取出同样热量的蒸汽下,若发电效率不理想就会直接影响总发电效能,因此,采用何种发电系统非常重要,是要选择SF、DF、FROC、DFROC还是复合式ROC,一定要有丰富经验专家作计算设计,才能达到最佳效能,将开发出的热能浪费降到最低”。

中国虽然燃煤燃气发电机数量在全球领先,但对于低温闪式有机朗肯循环(Flash ORC)系统装机量还是较为落后,亟需开发相关技术。首先,中国得有大量的地热市场,才能扶持闪式有机朗肯循环(Flash ORC)技术的发展。以土耳其为例,不吝引进美国技术,经过10年努力,电厂规模超过1000MW(兆瓦),才开发出自有地热有机朗肯循环(ORC)发电技术,这个做法值得我国学习。

数据提供 : 美国 GALAXY INC.

注释

注1 : 容量因子(Capacity factor)是发电厂的平均发电量除以额定容量,介乎0到1。不同类型发电厂的容量因子会有很大差异。若是24小时以满载额定容量运行,容量因子接近1。停机维修时,容量因子便是0,火电厂或核电厂在正常运转下容量因子几乎可达到1,但逢每年岁修会关机,容量因子就会降至0,岁修后重新启动则会再逐渐爬升至1。可再生能源的容量因子则会受天气影响。在夏季,水电厂平均发电量会较高,容量因子便较高,但如果冬季枯水期时容量因子会较低。所以发电厂有较高的容量因子,其发电平均成本会较低。因为发电厂可以减少固定成本,如投资发电机及租地的支出,电力公司可有较大利润。(作者 : 王凡)

参考文献

n Geothermal Power Technology Brief – IRENA 2017

n A Selection Method for Power Generation Plants, Used for Enhanced Geothermal Systems (EGS) – MDPI 2016