地热电站凝汽器真空系统的技术经济性分析

蔡正敏 章文英 刘俊 张立国

(中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司,北京 100101)

地热电站凝汽器真空系统的技术经济性分析

蔡正敏 章文英 刘俊 张立国

(中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司,北京 100101)

本文分析了真空系统对地热电站高效运行的重要意义,介绍了射汽抽气器及水环式真空泵两类真空系统的工作原理,并基于肯尼亚某地热井井口电站参数,对两级抽气器和两级水环式真空泵的当量能耗进行了技术经济性对比分析,给出了地热电站真空系统优选建议,为真空系统的优化提供了科学依据。

地热电站 抽气器 水环式真空泵 技术经济分析

1 引言

与火电相比，地热电站的蒸汽中含有相对较多的不凝性气体[1]，从汽轮机组排出的乏汽在凝汽器中凝结，蒸汽凝结成液体的过程中其体积减小几千倍，在凝汽器中形成较大的真空，同时随着蒸汽的凝结，不凝性气体逐渐聚集，使得凝汽器真空度下降，这将明显提高热力循环的冷端温度，从而降低地热电厂的整体热效率， 导致主蒸汽能源利用效率降低[2]。通常可以认为，凝汽器真空是由凝汽器建立，抽真空系统维持，特别是对于地热电站而言，蒸汽中含有不凝性气体含量相对较高，要依靠抽真空系统不断将不凝结气体抽出，才能保持凝汽器内的真空度[3]。凝汽器内压力的建立是一个动态平衡过程，不管循环水温度的高低，真空系统的抽吸压力必须低于凝汽器的压力，才能把凝汽器内的不凝结气体抽走，抽真空系统作为地热电站的主要辅助设备，其系统优化对于整个电站的初投资和运行维护费用产生直接影响[4]。本文将对地热电站射汽抽气器和水环式真空泵两类系统的技术特点进行对比分析，在此基础上，以肯尼亚某地热井机组参数为基础，对两类不同技术方案的两级真空系统能耗进行技术经济性计算分析，以给出真空系统的优选建议。

2 射汽抽气器及水环式真空泵的工作原理及技术特点

表1 肯尼亚某井口地热电站两级抽气器参数

凝汽器真空维持系统总体上可分为两大类，即被动式系统和主动式系统，被动式系统无需外界输入能量，仅靠高压蒸汽驱动，通常采用射汽(水)抽气器[5]；主动式真空系统需要额外消耗电功率，通常采用不同形式的机械真空泵，地热电站中常用水环式真空泵[6]。下面分别对两类真空系统原理和技术特点进行对比分析。

2.1 射汽抽气器

图1给出了射汽抽气器的原理结构示意图及其工作过程中的压力、速度变化曲线示意图。抽气器由高压流体喷嘴、混合室、拉伐尔喷管组成，高压驱动蒸汽进入喷嘴后压力能转换为动能，压力降低，速度增加，高速气流在混合室内对周围的低压蒸汽形成携带抽吸，在拉法尔喷管喉部之前的渐缩段，混合气体仍加速，在喉部，混合气体速度和压力均保持恒定，到扩张段后，速度降低，动能转换为压力势能。在地热电站中，射汽抽气器直接采用井口蒸汽作为高压驱动蒸汽，无需泵等耗能装置，但同时会导致进入汽轮机的蒸汽量减小。

2.2 水环式真空泵

水环式真空泵属机械式真空泵，是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的水环，水环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。如图2所示，在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图中指示的方向顺时针旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与锥轮上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。水环式真空泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。水环泵具有以下优点：(1)结构简单，制造精度要求不高；(2)压缩气体基本上是等温的，即压缩气体过程温度变化很小；(3)由于泵腔内没有金属磨擦表面，无须对泵内进行润滑，而且磨损很小；(4)转动件和固定件之间的密封可直接由水封来完成；(5)吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。

水环式真空泵也有其缺点，包括效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制，用水作工作液，极限压强只能达到2～4kPa，但用油作工作液，可达130Pa。

3 射汽抽气器及水环式真空泵的能耗对比分析

3.1 两级射汽抽气器组成的真空系统

针对肯尼亚某地热井井口电站的机组参数，两级射汽抽气器真空系统的系统流程如图3所示，运行参数如表1所示，该井口的高压饱和蒸汽即驱动蒸汽的压力为0.6MPa，两级抽气器消耗蒸汽量分别为500kg/h和800kg/h，共计消耗蒸汽量1300kg/h，根据机组汽耗率8.35kg/kWh，抽气器耗气量折合电功率为1300(kg/h)/8.35 (kg/kWh)=155.69kW。

3.2 两级水环式真空泵组成的真空系统

根据图3所示的系统参数，用两级真空泵替代射汽抽气器，两级真空泵的能耗均按照公式1进行计算：

其中γ为不凝性气体的比热比，mg不凝性气体的质量流速，Ru为气体常数8.314 kJ/(kmol K)，Tcond为凝汽器内的温度，ηvpump为真空泵的效率，Mgas为不凝性气体的摩尔质量，Patm和Pcond分别为大气压力及凝汽器工作压力。

(1)γ为CO2在凝汽器运行压力6.2kPa下的比热比，mg不凝性气体的质量流速250kg/h，Ru为气体常数8.314kJ/(kmol K)，Tcond为凝汽器内的温度310K，ηvpump为真空泵的效率取0.4，Mgas为不凝性气体的摩尔质量44，Patm和Pcond分别为34kPa和6.2kPa；根据式1可得出一级水环式真空泵的功耗为(假设电机功率为85%)。

(2)γ为CO2在凝汽器运行压力34kPa下的比热比，mg不凝性气体的质量流速330kg/h，Ru为气体常数8.314kJ/(kmol K)，Tcond为凝汽器内的温度345K，ηvpump为真空泵的效率取0.4，Mgas为不凝性气体的摩尔质量44，Patm和Pcond分别为105kPa和34kPa；根据式1可得出第二级水环式真空泵的功耗为

因此两级水环真空泵的总功耗为24.56+22.48=47.04 kW，由此可见，因此，单从技术能耗的角度，水环真空泵系统具有较低的能耗。

3.3 地热电站真空系统选择的经济性因素

在实际生产过程中，由于地热蒸汽是天然能源，不消耗外界能量，真空技术选用除了考虑自身能耗外，还需考虑地热井产量等因素，从经济方面考虑，假设蒸汽量与电站机组的额定进汽量相比仍有足量的过余蒸汽，此时，易于选用射汽抽气器方案作为真空维持系统，从而减少采用真空泵是的电厂自用电水平，否则过余蒸汽的直接排放造成资源浪费，真空本能耗也会提高地热电站的自用电水平；当地热资源不稳定并且蒸汽产量较低时，必须采用真空泵技术方案，以避免汽轮机组进汽的分流损失，从而减少机组的发电量。

4 结论及建议

本文对比分析了地热电站两类真空系统的技术特点，并基于肯尼亚某地热电站机组参数，对两类真空系统的能耗进行了对比计算与分析，发现真空泵的能耗远低于射汽抽气器的能耗，并进一步指出地热电站由于受地热资源参数的影响，真空系统的选择需综合能耗与地热资源的参数特点进行优选，以实现地热资源的最大利用率。从定性角度，地热电站真空系统的优选应结合以下因素综合考虑。

(1)不凝性气体含量对抽真空系统的选择起决定作用，当不凝性含量相对较低时(2%以下)，选择抽气器真空系统；不凝性气体含量较高时，采用机械式真空泵。

(2)对于汽水分离器压力(驱动压力的影响)，通常认为当驱动压力较高(＞5bara)时，倾向于采用抽气器；当驱动压力较低时，建议选择机械式真空泵。

(3)对于凝汽器压力，通常凝汽器压力低于10kPa时，都可考虑采用射汽抽气器真空系统。

(4)考虑技术经济性，需综合评价地热电站所在地区的蒸汽汽源价格、电价及抽气器系统和机械真空泵系统的投资、运行及维护成本对技术方案进行经济性分析。

[1]周大吉,西藏羊八井地热发电站的运行、问题及对策.电力建设, 2003,24(10),1-9.

[2]地热和地热发电技术指南,西藏地热工程处(译).水利电力出版社, 1988年2月,第一版.

[3]Coskun C.,Oktay Z.,Dincer I.,Performance evaluations of a geothermal power plant,Applied Thermal Engineering,2011,31 (17-18),4074-4082.

[4]DiPippo R,Geothermal Power plant Principles,Applications,Case Studies and Environmental Impact,Third Edition,2012,Elsevier.

[5]徐奇焕,杨子临,徐明.射汽抽气器和射水抽气器的能耗分析与计算.能源技术,2005,26(2),87-88.

[6]俞健,杨建明.水环式真空泵对凝汽器经济性的影响.热力发电, 2009,38(10),29-32.

The significance of vacuum system for geothermal power station was analyzed. The working mechanisms of two types of vacuum system‘steam ejector and water ring vacuum pump’ have been elaborated. Based on the operating parameters of a geothermal power plant in Kenya,the energy consumption of these two types of vacuum systems was calculated and analyzed comparatively. Suggestions for optimum selection of vacuum system in geothermal power plant have been presented. This paper provides a scientific base for the design and operation of vacuum systems in geothermal power station.

geothermal power plant steam ejector liquid ring vacuum pump technical economical analysis

该项目为中国石油集团“可再生能源技术开发与应用研究”科研项目,课题名称“:肯尼亚地热开发技术研究与现场试验”,项目号:2012A-4906。

蔡正敏,博士后,高级工程师,副总工程师。