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地热能是蕴藏在地球内部巨大的自然能源,已成为21世纪能源发展中不可忽视的可再生能源之一。相对于其他可再生能源,地热能的最大优势体现在它的稳定性和连续性,因此,地热能在未来能源结构中发挥的最重要作用就是供应稳定、连续的基础负荷,将在国家未来可再生能源结构中占据重要位置。
我国具有丰富的中低温地热资源,由于技术的缺乏,这部分资源浪费严重。国际上,中低温地热发电技术以双工质发电系统为主,主要包括有机朗肯循环(ORC)和Kalina循环两种。本文基于Kalina循环理论,提出一种新型的氨水溶液动力循环(AWPC)系统,为我国中低温地热发电提供一种有效的技术途径。
本文以“电力产率”作为优化目标,分别构建了ORC循环和AWPC循环的热力学模型,并对两种双工质发电技术进行了全面的分析。ORC循环理论分析结果表明,系统存在最佳的窄点温差和冷凝器端部温差,其范围为5-7K;最佳蒸发温度不仅与热源温度和冷凝温度有关,还取决于有机工质的热物性。AWPC循环理论分析结果表明,系统存在最佳的循环倍率,其值为4,对应的氨水溶液浓度差范围为12%-13%;较高的氨水溶液浓度有利于改善系统性能,增加溶液热交换器端部温差有利于提高系统电力产率。通过对比ORC循环和AWPC循环,可以发现,AWPC循环性能总体要优于ORC循环。
在AWPC循环系统中,本文采用垂直降膜换热器作为发生器和吸收器,研制了一种新型的垂直降膜换热器,并对氨水溶液垂直降膜传热传质特性进行实验研究,实验结果表明,采用切向流和合适的环隙间距,单管垂直降膜效果最佳;不论单管降膜还是多管束降膜,要获得最佳的换热效果,存在最佳的浓溶液流量。最后基于AWPC循环,建成了5kW中低温地热双工质发电试验系统,试验结果表明,垂直降膜发生器和吸收器的传热系数均比单管垂直降膜实验值偏低;由于实际运行参数偏离设计参数以及螺杆膨胀机整体效率较低,使得系统实际发电功率仅为2-3kW,而系统理论做功能力可达10kw。