地热水双级吸收式制冷系统的火用经济分析

王永真，罗向龙，陈 颖，胡嘉灏，龚宇烈

(1.广东工业大学 材料与能源学院，广东广州510006;2.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640)

如今，地热能的利用已经逐步被世界各国所关注.“世界地热大会WGC2010”统计，截止2009年底，全球已有27个国家实现了地热发电，装机容量和年发电量分别为10 715 MW和672.5亿kWh;地热直接利用装机容量达50 583 MW，年产能达4.38×1014kJ［1-2］.我国地热能分布以中低温为主，地热能较多地被用来采暖、洗浴和热泵等［3］.发电方面，国内目前仅存且运行的地热能发电站只有西藏羊八井和广东丰顺两个.丰顺闪蒸地热电站是将91℃地热水抽入闪蒸器闪蒸出蒸汽，从而推动汽轮机发电.调研发现，电站仍有大量未闪蒸的地热水未被进一步利用而直接排弃.而这些直接排放的地热水的温度在68～75℃之间，利用温差较小，利用率较低.

地热发电与地热直接利用相结合的地热梯级综合利用系统能够有效地提高地热资源的利用率，进而提高地热利用系统的热力性能.近年来，国际上有学者在地热的综合利用方面进行研究，如T.A.H.Ratlamwala等［4］将地热水串联通过双级闪蒸发电循环、四效氨水吸收式制冷循环、尾水换热循环和制氢循环，形成地热的梯级综合利用.建模并分析了地热水温度、压力及环境温度对系统性能的影响;Oguz Arslan等［5］对土耳其某地热资源进行了梯级综合利用，地热水依次完成有机朗肯循环发电、居民采暖、温室养殖和温泉洗浴;Duccio Tempesti等［6］研究了一种太阳能地热耦合的有机朗肯循环发电系统，并对不同月份下系统发电效率进行了分析;Can Coskun等［7］对供冷季、供热季不同地热综合利用系统的形式做了热力学的分析，并考察了环境温度对各系统效率的影响;Mehmet Kanoglu等［8］对地热发电、制冷和采暖这3种可能的组合方案分别做了热力学和经济学评价.

因此，根据丰顺夏热冬暖地区的气候特征，利用双级溴化锂吸收式制冷循环(TSARS)在低品位热能回收方面的优势，将地热闪蒸电站未被利用的地热尾水继续级联到TSARS，构成地热梯级综合利用系统，一方面提高地热水的利用率，另一方面则产生冷量以满足制冷需求.但是与传统的电制冷相比，TSARS设备复杂，投资高，且循环COP低.虽然近年来火用分析方法在吸收式制冷技术分析和评价有了一定的应用，较好地解决了TSARS热力学性能等方面的问题，如Sencan等［9］研究了发生器温度、冷凝温度、蒸发温度等因素对溴化锂吸收式制冷循环COP和火用效率的影响关系.但是火用分析方法没有考虑系统的经济性能.而火用经济分析则可以同时从热力学和经济学出发，分析评价系统的综合性能.如R.D.Misra等［10-11］利用火用经济方法分别研究了双效溴化锂吸收式制冷循环和氨水吸收式制冷循环的性能.

综上所述，本文提出将TSARS应用到电站地热尾水的回收，建立地热水发电－制冷梯级综合利用系统.以电站运行数据为基准，获得地热水的火用经济成本，利用火用经济分析的方法，研究对比地热水级联到TSARS两种模式的(串联和并联)性能的优劣.同时分析了地热水进口温度变化对制冷循环火用经济性能的影响.最后，设计具体案例模型，研究循环各设备的火用经济性能，以为实际工程案例做准备，为我国中低温地热能的利用提供参考.

1 地热电站运行情况

广东丰顺地热电站采用的是单级闪蒸发电循环，其流程如图1所示.从生产井(PW)出来的地热水通过生产井泵(P)输运到电站闪蒸器(FT)，进而通过控制闪蒸压力Pf，使闪蒸器内的地热水闪蒸产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机(ST)做功而推动发电机(G)发电，经过汽轮机做功后的乏汽进入凝汽器(CON-P)被冷却水(CW)直接冷却.据调研发现，闪蒸器内剩余地热水被直接排弃，流量达60 kg/s，最高温度为75℃.因此，当环境温度为25℃时，该闪蒸电站的地热水利用率仅为24.3%，即热水利用的能量只有其最大做功能力的24.3%，造成了地热能的大量浪费.图2为2011年1～10月电站的发电功率，平均发电功率约为240 kW，发电效率仅为4.48%.

图1 丰顺地热电站发电流程简图Fig.1 Flow chart of geothermal power plant in Fengshun

图22011 年电站各月发电功率Fig.2 The generated output of the Plant in 2011

2 地热尾水吸收制冷循环

基于地热电站较低的地热水利用率，结合地热电站循环排放尾水温位的特点，提出将闪蒸发电后电站排弃的地热尾水级联到TSARS，形成地热梯级综合利用系统，从而提高地热水的利用率.溴化锂吸收式制冷技术在低品位能源利用和工业余热回收方面有较大潜力，而TSARS对热源的温度要求比单效溴化锂吸收式制冷系统更低［12］，60℃以上的热水即可驱动，进而可利用其对70℃左右的地热尾水加以利用.TSARS流程如图3所示，而地热尾水级联到TSARS有串联供入和并联供入两种可能的模式，如图4所示.

图3 双级溴化锂吸收式制冷循环流程图Fig.3 Flow chart of the TSARS

图4 地热尾水供入TSARS的两种模式Fig.4 The ways of geothermal waste water entering into TSARS

3 制冷系统火用经济分析模型

其中，e为单位质量火用，kW/kg;h为单位质量焓，kJ/kg;s为单位质量熵，kJ/(kg·℃);、和为系统内部火用损失、外部火用损失、输入燃料火用和输出产品.

制冷系统计算模型是建立在如下假设的前提下进行的:

(1)系统稳态运行且所有的换热器与外界无热交换;

(2)制冷剂水(水蒸气)在冷凝器进口和蒸发器的出口均为饱和态;

(3)不考虑系统由于摩擦而带来的管道和换热器的工质压力损失;

(4)不考虑溴化锂水溶液的动能、势能和化学能;

(5)溴化锂水溶液在系统各点处于平衡;

(6)地热水物性采用纯水物性;

(7)为了保证溴化锂溶液不结晶，进入高低压节流阀的溴化锂浓溶液的温度保证在当前压力下结晶温度8℃以上.

3.1 子系统划分

将双级溴化锂制冷系统每一个热力过程划分成一个子系统，即把每个设备当做一个子系统.故每个子系统的“燃料－产品－损失”定义如表1所示.

3.2 子系统火用经济方程的建立

根据火用经济成本平衡式:输入成本等于输出成本，即

表1 各子系统“燃料－产品－损失”的定义Tab.1 The definition of“F-P-L”of each subsystem

其中，资金年度化系数［14］

式(6)中，m为年利率;n为系统运行寿命，年;t为系统年运行小时数，h.

建立各子系统火用经济方程，见表2.

双级溴化锂吸收式制冷系统的投资包括换热器投资、泵(电机)和节流阀的投资.其中高(低)压发生器、高(低)压吸收器、高(低)压溶液交换器、冷凝器和蒸发器的投资利用式(7)计算，节流阀、泵(电机)的投资利用式(8)计算［15］(把节流阀近似为泵的反向过程).

表2 各子系统火用经济方程Tab.2 The exergoeconomic equations of each subsystem

其中，换热器的换热面积和泵(电机)功耗分别按照式(9)、(10)确定.

其中，Qi为换热器换热量，kW;LMTDi为换热器对数换热温差，℃;Ki为换热器平均换热系数，kW/m2;g为重力加速度，m/s2;Hi为泵的扬程，m;βi为泵的效率，fi、fj、Ar、Wr为修正参数，参考文献［15］.

3.3 地热水成本的确定

据火用成本理论，电站系统中，地热水可以当做双线流来处理，根据双线流进出口火用经济成本相等原则［13］，那么地热尾水火用经济成本可以按照地热水生产成本来计.

其中，电站成本Cwater按式(12)计算，各含量取值见表3.

所以，得

其中，Wdesign为电站设计发电功率，kW;Cexp为勘测费;Cper为许可费;Cd为钻井费.

表3 地热电站各项目费用［15］($·kW－1)Tab.3 The fees of the geothermal power plant

3.4 系统评价分析指标

4 结果与讨论

表4给出了TSARS的设计和计算参数，考虑到实际运行条件，设串联、并联供给模式的TSARS利用地热水的温差均为8℃.

表4 双级溴化锂吸收式制冷循环设计及计算参数Tab.4 The designed and calculated parameters of TSARS

4.1 串联、并联系统的性能分析

4.2 地热水进口温度对系统热力学性能的影响

实地调研发现，由于受到电站运行参数和环境温度变化的影响，闪蒸电站的地热尾水的排放温度T22在68～75℃之间.从图6得，随着地热水温度的增大，循环的COP不断提高，且COP增大的速率不断减小，在75℃时达到并联TSARS的COP的最大值，约0.417.而从图7得，随着地热水温度的增大，循环的火用效率却不断降低，且火用效率降低的速率不断增大，并联TSARS在地热水进口温度为68℃时火用效率约14.11%.这也反映了地热水“数量”与“品质”的差别.同时，可以看到串联系统的COP和火用效率始终比并联系统的大.

图5 地热水成本对TSARS冷冻水火用经济成本的影响Fig.5 Effect of the waste geothermal water’s cost on the production exergoeconomic cost of TSARS

图6 地热水进口温度对TSARS的COP的影响Fig.6 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the COP of TSARS

图7 地热水进口温度对TSARS火用效率的影响Fig.7 Effect of the waste geothermal water’s temperature on the exergic efficiency of TSARS

4.3 并联TSARS各子系统火用经济性能

表5给出了地热水进口温度为71℃时，并联TSARS各状态点的参数.

在地热水进口温度为71℃，冷却水进口温度为28℃，冷冻水出口温度为10℃，TSARS总输入火用31.414 kW，冷冻水输出火用4.4 kW，总火用损27.014 kW，需要地热水7.562 kg/s，冷却水16.89 kg/s，单位产品火用成本7.73$/GJ.图8给出了并联TSARS各设备火用损占循环总火用损的比例，即各设备火用损失率.显然，低压、高压发生器由于较大换热温差的存在而带来较大的换热火用损，使其火用损失率较大，分别约25.354%和20.823%，高、低压发生器、冷凝器和蒸发器次之，这6个换热器的总火用损约占循环总火用损的95%.同时，从图9可以看出，制冷剂节流阀、冷凝器和高、低压吸收器的火用经济系数较低，分别为19.5%、22.4%、29.01%和33.21%，反映了这几个设备的不可逆损失较设备投资大，可通过增大投资或减少不可逆损失而进一步提高设备性能.

图8 并联TSARS各设备火用损占循环总火用损的比例Fig.8 The ξ of each equipment of the parallel TSARS

图9 并联TSARS各设备火用经济系数Fig.9 The f of each equipment of the parallel TSARS

5 结论

本文提出将TSARS级联到原闪蒸地热电站，形成地热水的梯级综合利用系统.从电站实际运行出发，确定地热水的成本.采用火用经济学的方法对地热尾水级联到TSARS的模式(串联和并联)进行了分析，发现:

(1)地热水并联级联到TSARS较串联模式具有较好的火用经济性能，其冷冻水火用成本较串联模式低.

(2)地热水串联TSARS的COP和火用效率在文中设定参数范围内始终略大于并联TSARS，且COP随着地热水进口温度的升高而增大，但升高的速率逐渐减小，而火用效率则相反.

(3)地热水并联TSARS中换热器的总火用损失率达到了95%，其中具有最大火用损率的设备是低压吸收器，是由于其最大的不可逆传热温差所致;制冷剂节流阀、冷凝器和高压吸收器的火用经济系数较小，可以通过增大投资或减少不可逆损失进行改善.

表5 并联TSARS各点运行参数和火用经济参数(T22=71℃，T29=10℃，T24=28℃，c22=2.98$/GJ)Tab.5 The properties of every state of the parallel TSARS

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