肯尼亚分布式井口地热电站风耗分析

蔡正敏++张文明++杭国敏++李亚

【摘 要】肯尼亚位于非洲东部，处于热带季风区，大部分地区属于热带草原气候和热带季风气候，随着人口的大幅增长、环境恶化特别是气候变化使得水资源不断减少。本文对地热电站运行过程中的水资源消耗进行了分析，以肯尼亚奥卡瑞地区井口地热电站为例进行了循环水风耗的定量计算，为有效地控制地热电站运行中的水资源的消耗提供了理论依据，可保证地热资源的可持续发展。

【关键词】井口电站 水资源 风耗

【Abstract】In this article the consumption of water is analysed in the operation process of the geothermal power unit. A typical wellhead geothermal power unit in Kenya is selected as an example to make a wind consumption quantitative calculation and analysis of circulating water. This article provides theoretical evidence for effectively controlling and preventing the water waste in the operation of geothermal power unit and ensure the sustainable development of geothermal resource.

【Key words】 Wellhead power unit；water resource； wind consumption

1 引言

肯尼亚位于非洲东部，处于热带季风区，大部分地区属于热带草原气候和热带季风气候，随着人口的大幅增长、环境恶化特别是气候变化使得水资源不断减少。预计到2025年可再生利用的淡水资源量将下降至不足全球水平的23%，根据报告显示，当前可再生利用的淡水总量是210亿立方米，人均年用水量约为650立方米，肯尼亚国内的安全用水量约占总用水量的57%，低于全球年人均年用水总量少于1000立方米，已经被列为缺水国家。

随着肯尼亚蓄水区进一步受到污染、全球变暖、落后的耕作方式、环境退化和人口增长等的严重破坏，对以水电装机为主的肯尼亚电力造成严重影响。

截止2013年，肯尼亚全国装机容量约为1672MW，其中水电装机容量约为820MW，根据肯尼亚电力照明有限公司公布的数据显示，从2011年到2013年，肯尼亚电力需求峰值增加到1334MW，以大约8%递增，因此一旦出现干旱等缺水现象就会引起发电量严重不足。

为了解决水力发电的不足，肯尼亚政府目前大力推进开发地热资源，肯尼亚位于东非大裂谷，地热资源十分丰富，地热发电潜力估计为10000MW，目标在近几年将地热发电能力由现在的255 MW提高到约600MW。然而随着肯尼亚地热电站开发大规模的开展，环境问题尤为突出，其中地热电站开发中对水资源的消耗等问题越来越引起人们的重视。

2 地热电站的风耗[1][2]

典型地热电站热力系统由八大部分组成：地热蒸汽集输及放空系统、主蒸汽系统、循环冷却水系统、疏水系统、回灌水系统、轴封系统、抽真空系统、调节保安润滑油系统。其中地热电站的用水主要为机组启动时循环冷却系统的注水，对循环冷却水系统的耗水量进行科学控制，循环使用，大大节约水资源。

地热电站中主要水循环过程由以下几部分组成：

首先，循环冷却水和热力系统中的冷凝器中的湿蒸汽换热，然后温度较高的循环水流到冷却水塔顶部，通过安装在塔顶的布水器进入冷却水塔，经过布水器均匀喷淋在塔内填料上，依靠重力穿过填料流向塔底，同时安装在塔顶的风机从塔底侧面抽进塔外的冷空气自下而上与被冷却的热循环水在塔内填料中逆向接触进行热量交换，冷却后的循环水进入塔底通过管线回到循环水池。

在上述循环过程中，冷却塔外冷空气是低湿度的，进塔前空气中的水蒸汽含量较少，在冷却塔运行过程中，空气和水经过冷却塔填料层时，空气和水充分接触混合，冷空气中水的分压达到了当时温度所对应的饱和压力，进入冷却塔的冷空气变成为了饱和热湿空气，分布在冷却水塔内布水器上部空间，在冷却水塔风扇的作用下，饱和的热湿空气在塔内逐渐上升，越向塔外靠近，与塔外的冷空气接触越多，湿空气温度逐渐下降，并逐步呈过饱和状态，开始凝结成水雾，形成小水滴，至塔顶处时湿空气温度基本接近大气温度，水蒸汽凝结达到最大程度，就会形成雾汽团甚至是小水滴，上升过程中遇到凝结核以后，形成的小水滴会凝结形成大水滴。

在冷却水塔冷却过程中塔内排出的湿热空气所携带的水分一部分是混合于空气中的水蒸汽，称为蒸发损失；一部分是随气流带出来的水滴，称为风吹损失。这两部分的总损失量是非常大的，如果损失的这部分水能回收起来并利用，这对节约生产成本、设备和环境保护都有积极的作用。

3 肯尼亚奥卡瑞井口电站风耗实例分析[3][4]

肯尼亚唯一商业开发的奥卡瑞地热田，平均海拔高度约为2000米，全年降雨量分布受热带辐合带运动的影响，形成了双峰降雨分布模式，长历时降雨出现于3月、4月和5月，短历时降雨出现于10月、11月，年平均降雨量为714mm。

目前该地热田中的地热电厂水源取自附近Naivasha湖，湖泊周边区域年蒸发量约为1700mm，采用管道输送的方式将湖水供给地热电站。肯尼亚奥卡瑞典型的井口电站，位于奥卡瑞（Olkaria）地热田东北区，预装机容量12MW，热机部分电站安装4台3MW纯凝式地热汽轮发电机组，单元制运行。

该电站的循环冷却水系统采用开式流程，浓缩倍数按大于等于5，为电站的混合式凝汽器和一些辅助设备提供冷却水。冷却水进入混合式凝汽器与蒸汽凝结水混合，经凝结水泵加压进入冷却塔冷却。循环冷却水系统同时设有循环水泵为发电机空冷器、冷油器、真空泵等辅助设备供给冷却水。在凝汽器中蒸汽不断地被凝结成水，凝结水与冷却水一同进入冷却塔水池，作循环冷却水系统的补充水。

地热电站中各装置冷却水用水量见下表1，表2和表3分别给出了循环冷却水设计参数及冷却塔挥发水量参数。

根据资料显示，奥卡瑞地区的常年平均温度在25℃左右，根据计算和测量该井口电站每小时挥发到空气中的蒸汽就达96吨左右，地热电站长期运行会浪费大量的淡水资源，尽管由于地热蒸汽在发电做功后凝结成水补充了一部分损失，但是随着地下蒸汽的大规模开采需要地面进行回灌补充，否则难以保证地热田能长期提供高品质的蒸汽，因此降低电站循环水的风耗是不容忽視的。

4 结语

综上所述，尽管地热能是一种清洁能源，但是开发利用过程中引起的水资源消耗问题是急需解决的问题，必须采取各种有效的技术措施来消除。

首先应重视冷却塔的日常维护工作，因为若冷却塔的冷却效果较差会引起冷却塔的出水温度上升，这不但会增加其耗水量，同时还导致风耗升高。

其次，安装地热电站冷却塔除雾装置等，减小水蒸气的损失，既可以节约用水，又可以保护环境，将冷却后用于循环冷却系统后多余的回灌到地下，保证地热田蒸汽的可持续开采。

参考文献：

[1]吴晓敏，姚奇，王维城.环保节水型冷却塔的研究[J].工程热物理报，2007，28（3）：502-504.

[2]王森，王军奇.开式冷却水塔水蒸汽回收方法研究[J].内蒙古石油化工，2014（6）：12-14.

[3]蔡正敏，郑申，曾双，等.浅谈分布式井口地热电站在肯尼亚Olkaria地区的应用[J] Sustainable Energy.2014，04：57-62.

[4]蔡正敏，李雪宁，侯祥群，等.肯尼亚井口地热电站的环境因素分析[J].科技视界，2015（33）：84-84.