闪蒸地热发电系统设计

1、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130C。通常，地热资源可以按温度来划分，地热温度高于150C为高温，地热温度低于 90C为低温，而地热温度处于90150C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100C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

2、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100C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81C； 20.265kPa时，水的沸点为60C;而在3.04kPa时， 水在24C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100C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

3、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。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

4、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

5、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1241.14kJ /kg。在压力为5kPa时，蒸汽的饱和温度为32.89T，饱和水的焓值为137.77kJ /kg，熵为0.4763 kJ /(kg - K)，饱和蒸汽的焓值为 2561.59kJ / kg，熵为 8.396kJ /(kg - K)。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。先假定闪蒸温度T1=160C。在温度为160C时，饱和水焓值”为675.47kJ ,kg，熵ss为 1.9425

6、 kJ /(kg - K)，饱和蒸汽焓值 h 为 2756. 72 kJ / kg，熵 s 为 6.7475 kJ /(kg - K)。结合热力过程图可以确定：hd=1241.14kJ /kg，h1=2756.72 kJ /kg，h4=675.47kJ /kg，h3=137.77 kJ / kg，s2=S=6.7475 kJ /(kg - K)。h - h s - sXh，-h s，-s由上式可得，x=0.79，h2=2052.58 kJ / kg对闪蒸器有能量守恒定理，m = m1 d h - h对汽轮机有能量守恒定理，m&广h2)= 豹*0兜联立上面2个方程，可以解出m 1=1.46 kg

7、 / s，m广5.38 kg / s发电效率 =m】勺-h2)= 1.46 * (2756 .72 2052 .58) = 7 3% m： E - h3)5,38 * (1241 .14 - 137 .77) 单位质量的地热热水发电量P = 些 =185 .675 kJ / kg md 5.38表1不同的闪蒸温度下计算得到的结果闪蒸温度T(C)干度x焓值h2(kJ / kg )蒸汽流量m1( kg / s )热水流量md( kg / s )发电效率门单位质量发电量P(kJ / kg )1600.792052.581.465.3817.3185.675850.89262301.272.93871

8、0.26839.197.39800.92319.2083.17611.0518.4590.49由上表可以看出，若根据等焓降的原则确定闪蒸温度，则所得到的汽轮机出口蒸汽的干 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80C时的计算结果，得出确定闪蒸温度为85C最为合适。此时蒸汽流量为2.9387kg /s。热水流量为10.2683kg /s .发电效率为9.1%，单位质量的地热能发电量为97.39kJ /kg

9、。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。280 .78 - 32 .423=83 C = t - 83 = 280 .78 - 83 = 198 C12 = ti - 83 = 198 - 83 = 115 C由温度查水和水蒸汽热力性质图表，得h1 = 2790 .62kJ /kg , h； = 843 .54kJ /kg ,h = 2698 .72kJ /kg , h = 482 .5kJ /kg。h, h分别是t1,t2温度下等温线与饱和水线的2212交点的焓值。根据干度的关系X =

10、匕二=马二*可以确定，1点和2点在等熵过程作用下，对应的 h-h s-s与等温线 Tc 交点的焓值h* , h*。计算得 h* = 1965 .22 kJ / kg , h* = 2190 .41 kJ / kg。 TOC o 1-5 h z 1212由能量守恒得：（m 一 m ）（h 一 h ） + m （h 一 h ） = 0 d 11 d11 d（m m m ）（h 一 h） + m （h 一 h） = 0d 1221221wm （h 一 h *） + m （h _ h *）=1 112 220.99 * 0.98h *）发电效率门=21 %解上面 3 个方程可得到 m =4.396, m. =0.8977 kg / s , m =0.57 kg / s1,11 7222m h h 7+ m （h h ）1 d 3213单位质量的地热热水发电量P =史虬=227 .48 kJ / kg m d 4.3964.结论：计算发现两级闪蒸的发电效率和单位质量