闪蒸地热发电系统设计
1.背景：
地热能是指地球内部蕴藏的能量, 一般集中分布在构造板块边缘一带, 起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变. 据估计, 距地壳深度3 km 以内蕴藏的热量约为4. 3 *10(19)MJ. 全球地热资源估计为6 *10(6)MW, 其中32% 的地热温度高于130℃,而68%的地热温度低于130℃。
通常, 地热资源可以按温度来划分, 地热温度高于150℃为高温, 地热温度低于90℃为低温, 而地热温度处于90~150℃为中温。
不论地热资源是湿蒸汽田或者是热水层，都是直接利用地下热水所产生的蒸汽来推动汽轮机做功的。
用100℃以下的地下热水发电，是如何把地下热水转变为蒸汽来供汽轮机做功的呢？这就需要了解水在沸腾和蒸发时它的压力和温度之间的特有关系。
大家知道，水的沸点和气压有关，在101.325kPa下，水在100℃沸腾。
如果气压降低，水的沸点也相应地降低。
50.663kPa时，水的沸点降到81℃；20.265kPa时，水的沸点为60℃;而在3.04kPa时，水在24℃就沸腾。
根据水的沸点和压力之间的这种关系，我们就可以把100℃以下的地下热水送入一个密闭的容器中抽气降压，使温度不太高的地下热水因气压降低而沸腾，变成蒸汽。
由于热水降压蒸发的速度很快，是一种闪急蒸发过程，同时热水蒸发产生蒸汽时它的体积要迅速扩大，所以这个容器就叫做“闪蒸器”或“扩容器”。
用这种方法来产生蒸汽的发电系统，叫做“闪蒸法地热发电系统”，或者叫做“扩容法地热发电系统”。
它又可以分为单级闪蒸法发电系统、两级闪蒸法发电系统和全流法发电系统等。
目前, 绝大多数的地热发电项目是通过钻井抽取地下的地热流体作为高温热源进行发电, 经过发电后的地热流体再灌回地下。
2.工作原理：
闪蒸地热发电系统就是：从地热井输出的具有一定压力的汽水混合物，首先进入汽水分离器，将蒸汽与水分离。
分离后的一次蒸汽进入汽轮机；而分离后的地热水进入减压器(也称闪蒸器或称扩容器)，压力下降，一部分地热水变为二次蒸汽(压力比一次蒸汽低)，然后将其入汽轮机低压段。
一次蒸汽和二次蒸汽驱动汽轮机，推动发电机进行发电。
闪蒸系统又可以分为单级闪蒸和多级闪蒸。
下图为多级闪蒸系统原理图和热力过程图。
图1 多级闪蒸系统工作原理图
图2 多级闪蒸蒸汽热力过程
3. 3.计算：
3.1原始资料：
热源为压力6.5Mpa下饱和热水，排气压力为5kpa。
汽轮机排气干度不低于0.88，做功过程可视作为等熵过程。
3.2要求：
设计一个1MW的闪蒸地热发电系统。
闪蒸可为多级闪蒸，以不超过三级为限。
机械效率0.98，发电机效率0.99。
确定各级最优闪蒸系数及其发电效率，确定地热热水流量。
求出单位质量的地热热水发电量，绘制T－S图。
3.3计算步骤： 3.3.1按单级系统计算
系统的热力过程如下图T-S 图，按照如图所示进行
图3 单级闪蒸蒸汽热力过程
查饱和水蒸汽性质表[1]得。
在压力为6.5MPa 时，蒸汽的饱和温度为280.23T ，饱和水的焓值为1241.14kg kJ /。
在压力为5kPa 时，蒸汽的饱和温度为32.89T ，饱和水的焓值为137.77kg kJ /，熵为0.4763)/(K kg kJ ⋅，饱和蒸汽的焓值为2561.59kg kJ /，熵为8.396)/(K kg kJ ⋅。
因为做功过程可视作为等熵过程，所以S2=S1可以根据干度的关系式求出2点的焓值。
根据各级热水温度按等温降分配时汽轮机功率为最大的原理确定各级的闪蒸温度[2]。
先假定闪蒸温度T1=160℃。
在温度为160℃时，饱和水焓值h '为675.47kg kJ /，熵s '为1.9425)/(K kg kJ ⋅，饱和蒸汽焓值h ''为2756. 72 kg kJ /，熵s ''为6.7475)/(K kg kJ ⋅。
结合热力过程图可以确定：hd=1241.14kg kJ /，h1=2756.72kg kJ /，h4=675.47kg kJ /，h 3=137.77kg kJ /，s 2=s 1=6.7475)/(K kg kJ ⋅。
s s s s h h h h x '
-'''-='
-'''-=
22
由上式可得，x=0.79，h 2=2052.58kg kJ /
对闪蒸器有能量守恒定理， 4
141h h h h m m d d
--=
对汽轮机有能量守恒定理，()98
.0*99.0211W
h h m =
-
联立上面2个方程，可以解出1m =1.46s kg /，d m =5.38s kg / 发电效率 ()()
%3.17)77.13714.1241(*38,5)58.205272.2756(*46.13211=--=
--=
h h m h h m d d η
单位质量的地热热水发电量kg kJ m W P d
/675.18538
.51000===
表1 不同的闪蒸温度下计算得到的结果
度为0.79，不满足汽轮机排气干度不低于0.88的要求，但此时理论计算的发电效率和单位发电量还是很理想的。
当闪蒸温度在85到80℃时，汽轮机的排气满足不低于0.88的要求，而此时发电效率和单位质量发电量比较低。
对比闪蒸温度为85℃和80℃时的计算结果，得出确定闪蒸温度为85℃最为合适。
此时蒸汽流量为2.9387s kg /。
热水流量为10.2683s kg /.发电效率为9.1%，单位质量的地热能发电量为97.39kg kJ /。
3.3.2 按两级闪蒸计算
两级闪蒸的热力过程如图所示。
图 两级闪蒸蒸汽热力过程
根据各级热水温度按等温降分配时汽轮机功率为最大的原理确定各级的闪蒸温度。
℃833
42
.3278.2801
3=-=
+-=
∆n t t t d
℃1988378.280831=-=-=d t t
℃115831988312=-=-=t t
由温度查水和水蒸汽热力性质图表，得kg kJ h /62.27901=，kg kJ h /54.8431='，kg kJ h /72.26982=，kg kJ h /5.4822
='。
1h '，2h '分别是t1,t2温度下等温线与饱和水线的交点的焓值。
根据干度的关系s s s s h h h h x '
-'''-=
'
-'''-=
22可以确定，1点和2点在等熵过程作用下，对应的
与等温线Tc 交点的焓值*
1h ，*
2h 。
计算得kg kJ h /22.1965*
1=，kg kJ h /41.2190*
2=。
由能量守恒得：
0)())((1111=-+-'-d d d h h m h h m m 0)())((12212
21='-+'-'--h h m h h m m m d 98
.0*99.0)()(*
222*
111W h h m h h m =
-+-
解上面3个方程可得到d m =4.396，1m =0.8977s kg /，2m =0.57s kg / 发电效率(
)
()%21)
()(31231*
222*
111=-'+--+-=
h h m h h m h h m h h m d η
单位质量的地热热水发电量kg kJ m W P d
/48.227396
.41000==
=
4.结论：
计算发现两级闪蒸的发电效率和单位质量发电量都比单级闪蒸大。
单纯从理论计算来说，两级闪蒸的效果要优于单级闪蒸。
但如果实际问题中考虑系统管道的复杂和收益等问题，则需要具体情况具体分析。
参考文献：
[1] 余晓福.水和水蒸汽热力性质图表[M].北京:高等教育出版社,2009
[2] 钱立伦,夏金安.多级热水闪蒸与全流透平发电系统的热力学分析[J]. 西安交通大学学报,1992(27):85.。
