槽式太阳能与地热能联合运行系统设计

■ 仲旻 黄秀勇 王瑞林 王登文

(1. 南京南瑞太阳能科技有限公司；2. 江苏省太阳能技术重点实验室(东南大学)；3. 南京帕偌特太阳能有限公司)

0 引言

太阳能发电和地热发电都属于可再生的清洁能源发电，但都存在各自较为明显的缺陷。太阳能聚光成本较高，发电量受辐射强度不稳定的限制；而地热能发电成本较低，发电量最高温度的限制，且效率不高。研究人员对太阳能与地热能的综合利用做了许多研究，如：郭长城等[1]总结了太阳能-地源热泵系统应用与建筑温室、沼气工程领域的研究历程及各种技术的发展；胡晓微等[2]提出的综合利用太阳能与地热能的采暖空调系统将节能、安全、环保等优点集于一身，具有开发利用的现实意义和巨大的市场潜能；郑宋平等[3]提出了一种新颖的太阳能与地热能结合利用的吸收式制冷与供热系统，使制冷工况的热机子循环温差增大，热泵子循环温差减小。但是，鲜有学者对综合利用太阳能和地热能进行热发电做过研究。

本文旨在对太阳能联合地热能发电研究做出尝试，希望为以后的研究提供参考。对于地热能，引入一种高品位的能源作为其顶部循环，可大幅提高其热效率和电力产出；对太阳能而言，一个稳定底部循环的参与将在一定程度上稳定其出力，提高其发电稳定性，如果该底部循环的电力成本较低，对降低其总体成本亦有益。所以，太阳能和地热能循环耦合使太阳能地热能联合循环成为一种有效利用可再生能源的方法，同时也是能量梯级利用原则的体现。此外，我国西藏地区同时拥有高品质的地热资源和太阳能资源，但传统化石能源储量有限，并且交通运输条件有限，该地区发展太阳能地热能联合循环电站是因地制宜合理利用资源的明智选择，同时也是稳定边疆、推进边疆经济和维护社会稳定的利民之举。

1 槽式太阳能热发电和地热双循环发电技术

1.1 槽式太阳能热发电技术

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，其工作过程为：在跟踪控制系统的作用下，槽式抛物反射镜将太阳辐射能聚焦于安装有真空集热管的焦线处，加热集热管内部的传热载体。受热后的高温传热载体加热工质，接着高温高压的工质进入汽轮机中膨胀做功，完成发电[4]。这样的热发电系统称为双回路加热系统，主要由聚光集热子系统、蓄热子系统、二次换热系统和动力发电子系统等子系统构成。

1.1.1 聚光集热子系统

聚光集热子系统主要由聚光器、集热器和跟踪装置组成。

聚光器把低密度的太阳能辐射聚焦集中成高能量密度光束的装置。反射镜将入射的太阳光全部反射到聚光器的焦线处，即集热管线处。槽式太阳能主要使用的集热器为直通式金属－玻璃真空集热管，见图1。真空集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管，外面套有一根抽真空的玻璃管，两端采用金属波纹管，可伐合金及法兰将玻璃管和金属管相连。

图1 真空集热管结构图

对于槽式太阳能热发电技术来说，聚光集热器及时跟踪太阳，使入射光和抛物面光轴平行，保证阳光能够很好地聚焦于集热管线处，对于提高太阳能利用效率有很大意义。对于槽式热发电系统来说，单轴跟踪系统是更加合适的一种选择[5]。

1.1.2 蓄热子系统

蓄热子系统是太阳能热发电系统中重要的组成部分，对于保证槽式太阳能热电站在云遮天气时稳定出力有着重要作用，对于夜间和阴雨天则需借助于辅助能源系统。一般的蓄热方式主要有显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热3种方式[6]。

显热蓄热是利用材料升温吸热、降温放热的原理实现系统的蓄热和放热。槽式太阳能热发电系统的蓄热系统一般有两种布置形式：直接蓄热和间接蓄热。相变蓄热的蓄热原理主要是物质在相变过程中会吸收或释放相变潜热。化学蓄热的指导思想是利用可逆化学反应实现热能与化学能的转换，进而达到蓄热作用。化学蓄热优点较多，蓄热密度大、蓄热时间长、便于输运；但也存在明显的缺陷，如技术复杂、投资较大等。现阶段化学蓄热仍处于实验室阶段。

1.1.3 换热子系统

在双回路系统中，从太阳能集热管处吸收热量的合成油会在换热系统中把吸收来的热量传给工质。换热子系统的布置会根据系统要求进行调节，一般有预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器几种，另外还配有加压泵和膨胀箱保证导热油按照要求稳定流动。

1.1.4 动力发电子系统

太阳能热发电系统中的动力发电子系统同传统火电厂的动力发电子系统类似，也是由汽轮机、凝汽器、给水泵等一系列装置组成，具体进口参数可根据聚光集热器的参数来选择。同时，也可采用其他的如卡琳娜循环、有机郎肯循环等新型循环作为动力发电子系统的主要循环。

1.2 地热发电技术

1.2.1 干蒸汽发电系统

干蒸汽发电就是把地热蒸汽直接从地热井中引入到汽轮机中进行发电的技术。具体工作流程为：从生产井中引出的地热蒸汽进入分离器剔除掉岩屑和水蒸汽后进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电。为防止地热井塌陷和保证地热井出水的稳定，做功后的乏汽和从分离器分离出来的水滴一道进入回灌井完成回灌。

干蒸汽发电系统装置相对比较简单，热效率约为10%～15%，厂用电效率约为 12%。对于地热井的出口参数要求较高[7]。

1.2.2 扩容蒸汽发电系统

扩容蒸汽发电系统也是把地热井中工质直接引入膨胀机中进行发电的一种技术，但是它针对的工质不是干蒸汽，而是指地热热水或干度较低的地热混合蒸汽。工作流程和原理为：将地热井出口的热水引入压力较低的密闭容器中降压扩容(压力应低于出口热水温度所对应的饱和压力)，使热水迅速沸腾变成蒸汽，然后将该蒸汽引入汽轮机进行做功。做功后的废水和闪蒸过程中的卤水会混合并回灌回地热井。

1.2.3 中间介质地热水发电系统

中间介质法地热水发电系统与上面两种发电方法间最大的不同就是地热水不会直接引入膨胀机中进行做功，而是用来加热另外一种工质，而把这种工质引入汽机发电。一般来说都会选择加热一种较低沸点的有机工质来进行加热。中间介质法同样也可分为单级中间介质法和双(多)级中间介质法。多级中间介质法类似于传统火电厂中再热装置，将做一部分功的工质重新引入换热器吸热，然后再进行做功。

单机中间介质法系统较多级也简单，但是热效率和做功量都更低，热效率比起双级也是低了约 20%。中间介质法由于采用沸点较低的有机工质进行做功，所以在温度较低的时候仍能够保持一定的效率，比较适合于约100 ℃的地热水进行发电。但是中间介质法的有机工质一般都对环境有害，所以对整个装置的气密性有相当高的要求。

2 联合循环的形式

太阳能热发电采用技术较成熟的槽式太阳能热发电方式。地热能形式有干蒸汽、闪蒸和双工质循环3种。考虑到我国最多的是中温和中低温地热能，故不考虑干蒸汽形式；因闪蒸的循环压力受到出口温度的限制和提高工质参数的设备复杂度较双工质更大，故地热能循环将会采用双工质循环。

3 系统设计

3.1 朗肯循环系统设计

基于朗肯循环设计的联合运行系统是以田素乐[9]30 MW槽式太阳能为原型改造而成，系统模型如图2所示。

图2 朗肯循环联合运行系统示意图

系统中，槽式太阳能和地热能都采用双循环模式。太阳能子系统由太阳能镜场、导热油HTF、膨胀箱、泵和各级换热器组成。太阳能镜场将太阳能的热量传给导热油，导热油再进入膨胀箱，一部分导热油用来加热再热器，另一部分导热油沿途经过过热器、蒸汽发生器和预热器，两股导热油在换热完成后汇合重新进入太阳能镜场重新受热完成循环。

地热能供热子系统比较简单，地热卤水从地热生产井引出后经泵加压进入加热器，加热器加热冷凝水到预定参数，加热完成后的卤水被引入地热回灌井完成回灌。

系统的动力子系统同传统火电机组相似，主汽机进入高压缸做功后进入再热器加热，重新加热后进入低压缸做功，做功完成后的乏汽在冷凝器中冷凝。冷凝器中排除的冷凝水在地热预热器中受热，接着进入除氧器，除氧完成后加压，经过1#、2#回热器后升至预定参数，经过太阳能预热器、蒸汽发生器和过热器重新进入主蒸汽做功。

3.2 联合循环同单一能源循环的比较

本文所涉及的联合循环系统是从文献[9]和文献[10]中设计的槽式太阳能热发电系统改造而来的。原系统同改造的系统出口参数等方面完全一致。为便于比较，表1列出原循环和单一循环系统的结果。

表1 联合系统和原系统运算结果比较

从中我们可以看出，原系统的热效率比起联合系统来更高，因为地热加热器替代了原系统中的回热加热器，地热加热器的效用相当于一个简单的预热器，自然会降低整个系统的效率。但是地热加热器的加入明显提高了电力产量，根据西藏地区的自然条件，以及初始条件汽轮机机组功率30 MW和地热卤水温度150 ℃计算，约提高了8.9%。

原有的太阳能系统如果达成同样目的，只能采用两种措施：1)提高入口参数，但由于槽式太阳能自身的温限，提高入口参数的方式比较有限；2)增大汽耗量，增大供热量，这也就意味着更大的太阳能镜场面积，但由于太阳能镜场高昂的成本，这一措施显然是比较不经济的。

渗透检测:利用毛细现象，通过渗透剂覆盖在试件表面来显示放大缺陷痕迹。渗透检测设备简单、携带方便、适合野外工作，适用于陶瓷、玻璃、塑料、粉末炼金等各种材料制造的零部件表面开口缺陷的检测。

从该例中我们可看出，太阳能的引入对于提高地热电站热效率的重大意义。地热电站自身由于受到温限的限制，就算采用在低温条件下效率较高的有机朗肯循环，效率仍然较低，但是在引入太阳能循环后，地热能自身热量得到了更好的利用，这一点上凸显了联合循环相较于单一循环电站的优势所在。

4 卡琳娜循环系统

4.1 卡琳娜循环简介

卡琳娜循环是俄裔美国人Alexander I. Kalina于80年代中期提出的，相较于传统的朗肯循环，该循环没有采用单一工质作为循环工质，而是采用了水氨混合物作为整个循环的工质。水氨混合物工质同以往单一工质最大区别为变温吸热和变温放热。相较于传统的朗肯循环，变温吸热可有效降低传热温差，减少可用能损失，这一点是卡琳娜循环最大优势。

采用混合工质的卡琳娜循环可有效减少吸热过程的可用能损失[11]，但由于混合工质的放热过程亦是一个变温过程，要使混合工质在大气温度下完全冷凝为液体，汽轮机的排气温度就会很高，造成冷凝过程的火用损极大，两相比较下往往得不偿失。

卡琳娜最重要的贡献便是成功解决了混合工质动力循环在冷凝过程中过大的可用能损失的问题。以最基本的一级蒸馏卡琳娜循环为例。

如图3所示，以比例为50:50的氨水混合比为例，为保证输出功足够，要使混合物在 58.7 kPa下自然冷凝，则需要大气温度为-17 ℃，这自然不可能达到。若提高背压，则明显会增大损。卡琳娜采用回热蒸溜措施解决了该问题。透平T排气首先经11-12在回热器R处降温。然后经2在喷淋吸收器中同分馏器D重分流出的富水溶液混合成氨水比为1:3的基本溶液，该基本溶液泡点为21 ℃，在常温下可完全冷凝，基本容易在低压冷凝器LC完全冷凝后进入低压泵15升压，升压后的溶液泡点升高，经3同分馏器D中经6分离出来的富氨蒸汽混合后重新成为1:1的正常工质，而该工质因压力足够高而可在常温下完全冷凝。混合后工质经4进入高压冷凝器HC继续冷凝，之后在泵8升压到工作压力进入锅炉B中经9-10受热。分馏器中的溶液来源于升压后的基本成分，应该注意的是，基本成分的流量比起锅炉中的工质流量要大，根据质量守恒，本例中的基本工质流量约为锅炉流量的2.7倍。这样的冷凝方式气态线上看比较平坦，可很好地减少排热过程的损失。

图3 Kalinan 循环示意图

作为燃气轮机底部循环时，卡琳娜循环的效率是传统循环的1.16倍，热效率可提高约1.3～1.6倍[8]。在热源温度为400～550 ℃时，卡琳娜循环的热经济性都要高于朗肯循环，热效率至少可以提高3%[4]。同朗肯循环相比，卡琳娜循环的换热器、泵等设备在结构工艺上相差不大。又因为水和氨的相对分子质量区别也很小，所以在汽轮机设计上也比较接近。所以，在热力系统设计中，设备自身并不存在技术问题[12]。冰岛的Husavfk地热电站采用卡琳娜循环，而所有的器件都采用标准件，这一点便是卡琳娜循环设备通用性好的例证。

虽然卡琳娜循环有着诸多优点，但在其运行中仍有需注意的地方。首先，氨是有毒物质，需在运行中保证密封，由于氨是有异味的物质，故氨气泄漏可很快被发现，这一点对于运行的影响不会很大。氨对于材料有一定的腐蚀性，为了防止这一点，可行的一个方式是使钢材在500～540 ℃的情况下氨化。在较高温度下，氨气可能会分解出不凝气体，这一点需要注意，但是在实际运行中，这一点并没有得到验证[13]。

4.2 卡琳娜循环系统设计

为便于同郎肯循环比对，参考了文献[11]中数据，确定了卡琳娜循环进出口参数。为便于计算，卡琳娜循环的分馏冷凝系统采用最为简单的一级蒸馏式的卡琳娜循环，不考虑再热机组。水氨混合物的物性参数由软件reprop8.0计算获得。联合运行系统如图4所示。

图4 卡琳娜循环联合运行系统设计

以卡琳娜循环为联合电站系统的动力循环重新设计了整套系统，并针对系统进行了计算。从计算结果中我们可看出，卡琳娜循环的循环效率较朗肯循环的循环效率要高出2.4%，整体的全厂效率高出了 0.94%。仅从本算例分析，卡琳娜循环的循环效率明显较高，但是全厂效率比起朗肯循环并无特别明显的优势。不过考虑到本次计算中为了简化计算，卡琳娜循环未采用回热加热器，也仅采用了单级分馏冷凝装置，所以，卡琳娜循环在效率上还有一定提升空间。总体来说，卡琳娜循环在效率上优势更大。

在成本上比较两个循环，卡琳娜循环中，地热能处供热量占整体供热量的16.1%，而朗肯循环的吸热量占11.3%。这说明卡琳娜循环能更好地利用较低品位的热源，这主要归功于混合工质的变温吸热对传热温差的有效减少。由于吸收了更多地热能的热量，相应太阳能处吸热量也可降低，这可很大程度上减少太阳能镜场面积，减少聚光集热器的数量。从这一点可很好地降低成本。当然，卡琳娜循环的冷凝设备较为复杂，装置可能需另外设计(可能性不大)等问题都会额外增加成本，所以在成本问题上，卡琳娜循环联合系统并不一定有太多优势。

从上述一些比较中可看到，同朗肯循环的联合运行系统相比，卡琳娜循环具有一定的优势。但是，卡琳娜循环从上世纪80年代才开始提出，至今没有能够大规模应用，针对该循环足够的运行等其他方面的经验较为短缺，所以，建设卡琳娜循环为主的联合循环电站需要谨慎考虑。

5 总结

针对槽式太阳能热发电技术成本较高、不能连续稳定发电和地热能发电效率较低的缺陷，对原有的槽式太阳能热发电系统进行了改进，设计出了槽式太阳能和地热能联合运行的发电系统，并针对新的联合发电系统进行了热力计算。具体工作主要有：

1)在原有 30 MW 的槽式太阳能热发电系统基础上，建立了槽式太阳能和地热能联合运行发电系统。针对该系统进行了热力学计算，确立了循环热效率，一、二级加热器和除氧器的抽汽份额等参数。对联合系统的太阳能加热回路和地热能回路进行了计算，得到了太阳能集热场面积、导热油流量；地热能的进出口参数和卤水流量等参数。

2)取同联合系统同样参数，另外进行了地热能发电站的系统计算和槽式太阳能发电站的补充计算。分析比较了联合电站和两个单独运行电站的优缺点，得出联合电站可更加有效地利用地热能的热量、增大槽式太阳能电站的出力，同时基本不影响槽式太阳能热电站的热效率的结论，证明了联合电站的优越性。

3)提出了新的以卡琳娜循环为基础的联合循环系统，并完成了相关热力计算和系统计算。通过对比卡琳娜循环系统和朗肯循环系统，得到了卡琳娜循环联合系统在效率上更高，可更好地利用低温地热能资源的结论。同时也提到了卡琳娜循环运行经验不足，工质具有腐蚀性且有毒等可能增加运行成本的危害。

[1] 郭长城, 石惠娴, 朱洪光, 等. 太阳能-地源热泵联合供能系统研究现状[J]. 农业工程学报, 2011, 27(2): 356－362.

[2] 胡晓微, 张于峰, 张梅. 太阳能地热能喷射制冷系统的研究[J]. 流体机械, 2007, 35(6): 66－70.

[3] 郑宋平, 郑丹星. 太阳能与地热能结合利用的氨水吸收式循环[J]. 太阳能学报, 2005, 26(4): 513－517.

[4] 何梓年. 太阳能热利用[M]. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 2009.

[5] 周香香. 槽式太阳能热发电之聚光集热器的设计[D]. 南京:东南大学, 2012.

[6] Tamme R, Laing D, Steinmann W D, et al. Advanced thermal energy storage technology for parabolic trough [J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2004, 126(2): 794－800.

[7] 周大吉. 地热发电简述[J]. 电力勘测设计, 2003, (3): 1－6.

[8] 马伟斌, 邓帅, 龚宇烈. 中低温地热双循环发电技术发展与应用[A]. 2007中国可持续发展论坛暨中国可持续发展学术年会论文集[C], 广州, 2007.

[9] 田素乐. 槽式太阳能热发电系统性能分析[D]. 济南: 山东大学, 2012.

[10] 蒋川. 槽式太阳能热发电系统设计[D]. 南京: 东南大学,2013.

[11] 薄涵亮, 刘咸定, 刘桂玉. 卡林那循环的热力学分析[J].西安交通大学学报, 1989, 23(3): 57－63.

[12] 刘齐寿, 王运路. 高效率的新型动力循环[J]. 现代电力,2001, 18(4): 9－14.

[13] 吕灿仁, 严晋跃, 马一太. Kalina循环的研究和开发及其提高效率的分析[J]. 热能动力工程, 1991, 6(1): 1－7.