浅谈ORC螺杆膨胀机在油田地热发电的应用

浅谈ORC螺杆膨胀机在油田地热发电的应用

靳鹏程韩伟邹继龙

（冀东油田供电公司河北唐山063200）

一、课题背景

在油田开发中，存在很多“报废油气井”、“干井”或“热水井”，如果对这些井采取一定的措施，完全可以利用其开采地热，变成“地热井”或“油—热—电”联产井。此外，油田的回灌系统已经在开采油气的过程中建成并运行，不需要另行建设，也为地热开发创造了条件。

如何利用ORC螺杆膨胀机在油田进行地热发电，是本文探讨的重点。

二、油田地热现状

目前，油田可用热源主要有“老油井伴生热水”和“地热井”两种，井口温度从85℃-90℃不等，工艺流程要求回水温度在70℃，只能利用有机朗肯循环（ORC）配合螺杆膨胀机才能发挥最大效益。

三、有机朗肯循环

3.1原理

有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器、动力机、冷凝器和工质泵四大部套组成。

在这种发电系统中，采用两种流体：一种是采用地热流体作热源，它在蒸汽发生器中冷却后同层回注；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质，种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化，产生的低沸点工质蒸汽送入动力机带动发电机组发电。做完功后的蒸汽在冷凝器中冷凝成液体，然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。

3.2应用案例

1977年，西藏羊八井地热电站利用一台改装过的汽轮配合重力离心式汽水分离器、淋水盘型混合式凝汽器进行发电。该机组采用单级扩容循环，由于这台主要是承担试验任务，系统较为简单，目前，该试验机组已经停运。

3.3特点

热源要求：70℃≤温度≤160℃，压力≥0.1MPa的饱和水或蒸汽；

优点：系统运行稳定、发电效率较高；对资源品质要求低；发电量可灵活调整，热源气体不直接与汽轮机叶轮接触，100%回灌，最大程度保持产出。

缺点：投资较大；循环系统密封要求高，运行成本高，易发生环保事故；换热器结垢，保养成本较高；单机容量较小；适用于适应化学成分比较复杂的热源。

四、双螺杆膨胀机

4.1原理

螺杆膨胀机是一种容积式发动机，工作原理是利用阴、阳螺杆槽道中热流体体积的膨胀作用，推动阴、阳螺杆向相反方向旋转，实现热能转换成机械能的作功。螺杆膨胀机作功由进气、膨胀、排气三个过程组成。它的基本结构是由一对阴、阳螺杆转子和机壳体组成。热流体（蒸汽或汽液两相流体）进入螺杆齿槽入口，热流体的体积膨胀能量推动螺杆转子旋转，齿槽容积增加，流体降压膨胀作功，最后从齿槽出口排出，实现能量转换。螺杆膨胀机功率从螺杆转子输出，驱动发电机发电或驱动负载节电。

4.2应用案例

1、2008年，羊易地热电站1期试验项目，2套江西华电生产的500KW双螺杆膨胀动力机发电机组成功投产。

2、2008年，羊八井地热电厂第二分厂安装1套江西华电生产的500KW饱和热水双螺杆膨胀动力机发电机组，并投产成功。

4.3特点

热源要求：90℃≤温度≤300℃，压力≥0.2MPa的饱和蒸汽或热水。

优点：①螺杆膨胀机转子强度高、不易损坏、转动惯量小且无飞车问题，可靠性和安全性较高。

②螺杆膨胀机设备少，布置紧凑，为快装可移动式机组。由于地热井参数在不断变化甚至有可能地热井停用报废，可以实现从一个井口快速地移动到另一个井口而重新投运发电。

③螺杆膨胀机可实现全自动运行和启停机，日常维护简单，停用时间短。

④由于螺杆膨胀机的结构特点，两对转子刚度较大，与机壳间隙很小，转动时相互修刮，阻止了垢的生长。同时由于垢的存在填补了转子的加工误差，使泄漏降低，效率提高。

缺点：发电效率低；螺杆轴易结垢，运行保养成本高；单机容量小。

五、地热发电方案

5.1有机朗肯循环设计

5.1.1热力系统设计

地热水从生产井吸出后经除砂后至蒸发器，在这个过程中，从生产井出来的压力要足够高，便于长距离输送，无需将不可凝气体析出。经过蒸发器及预热器后返回回灌井，从此完成地热水的闭式循环。

ORC循环介质在热交换器中吸收热量达到饱和状态，进入汽轮发电机做功，做功后的乏气进入冷却塔，冷却至液态后，被冷却泵打至预热器，预热到气态温度后再次进入蒸发器加热至饱和温度，至此完成ORC循环介质的闭式循环。

5.1.2循环水系统设计

冷却水系统可采用机力通风间接空冷系统，其系统流程是：冷却水进入冷却器的水侧通过表面换热，受热后的循环水由循环水泵送至间冷塔，通过空冷散热器与空气进行表面换热，循环水被空气冷却后再返回冷却器，构成了密闭循环。

机械通风干冷塔包含以下部件：空冷散热器、轴流式引风机组、其他辅助设施等部件空冷散热器采用铝管铝翅片，塔外垂直布置。在主厂房内设有高位膨胀水箱以保持整个系统内的静水压，并保持系统压力稳定。通过空冷散热器的冷却空气流量由位于辅机间冷塔顶部设置的轴流式引风机组提供，电动机采用变频装置驱动。

5.1.3有机工质选择

由于ORC发电循环采用低沸点循环工质，与水蒸汽相比，要求在较低的温度下具有较低的沸点和较高的蒸汽压力，因此工质的选择必须综合考虑热源温度和工质的热物理性而决定。现有ORC地热电站通常使用低沸点碳氢化物（如正丁烷、异丁烷、异戊烷），或使用其他一些制冷剂或碳氢化合物的混合物作为系统工质。

因此需要根据地热温度资源，分析不同地热流体温度下有机工质R290，R134a，R600a，R600，R601a的做功能力，结合有机工质自身的热稳定性和系统技术经济性，从而确定最佳循环介质。若利用的地热资源低于下限温度，会使热交换器的面积太大，系统经济性较差。

5.2动力机方案

本项目所用热源井口温度85~95℃，井口压力1MPa，井口流量1000m3/h，回水温度70℃。

热源温度较低，适合采用双工质循环发电。

1、800KW螺杆膨胀动力机：2台

2、并网柜：2个

3、联络柜：2个

4、控制柜：2个

5、蒸发式冷凝器：8台

6、工质泵：2台

7、润滑油系统：2套

8、阀门仪表及其他：2套

9、水源：生产、生活及消防水采用油田厂区水源，水质满足国标要求，水量满足本工程的需要，水源接引点距厂区500m。

10、接入系统：由0.4/10.5KV升压变压器升压后，经10KV线路并入35kV变电站。

11、机组年利用小时数：按5000小时设计。

五、经济性分析

按照相关数据计算，主要财务指标如下：

1、静态投资：2727万元

2、年发电量：Gwh8

3、机组利用小时数：h5000

4、电价（含税）：550元/MWh

5、项目投资内部收益率（税前/税后）：7.68/6.15%

6、项目投资回收期（税前/税后）：10.82/11.84年

7、项目资本金内部收益率：6.15%

8、投资方内部收益率：3.33%

9、总投资收益率：4.72%

10、资本金净利润率：3.66%

六、结论和认识

1、目前，各种地热资源都有与之对应的地热发电工艺流程和设备，并且在实践中得到了检验，各种发电工艺流程都有商业化地热电站运行，因此，从技术方面分析，该方案是可行的。

2、从油田目前的热源资料分析，“老油井伴生热水”和“地热井”两种热源较多，属于中低温热源，如果使用ORC配合螺杆膨胀机是可以产生经济效益的。

3、目前国家正在大力引导开发地热资源，同时冀东油田已将地热资源列为公司第三大资源，这类发电项目不论作为示范工程还是技术储备工程，都有很好的现实意义。

4、目前环境下，ORC配合螺杆膨胀机发电项目节能环保，但属于高风险、高投入项目，平均成本回收期均在10年左右甚至更高，所以其经济性较低，所以该项目必须争取国家政策扶持（补贴电价、税收优惠）等政策才会有更显著的经济效益，建议油田地热发电项目与其他地热项目统筹规划降低投资成本，同时可按照地热示范项目开展，争取集团公司、地方和国家经济政策扶持。