寒区地热热电联供系统非设计工况运行特性分析与多目标优化设计研究

《Carbon Neutrality》：Optimal design scheme of geothermal combined heat and power system in cold regions considering off-design operating characteristics

本研究针对寒区地热发电系统冬季易冻结、能量利用率低的问题，开展了基于有机朗肯循环(ORC)的地热热电联供(CHP)系统优化研究。通过全年非设计工况分析发现，CHP系统净发电量较传统纯发电系统提升179.1%，动态投资回收期(DPP)仅5.96年。研究提出了基于性能图谱法的设计环境温度优选方法，为寒区地热能源高效利用提供了创新解决方案。

　　

在全球碳中和目标推动下，地热能作为一种储量丰富、稳定性高的可再生能源，其高效开发利用备受关注。特别是在寒冷地区，传统地热发电系统面临严峻挑战——冬季低温环境下，为防止冷却系统结冰，往往需要采用空气冷却机组，但这会导致冷凝压力升高，发电效率显著降低。更棘手的是，寒区能源需求存在明显的季节性特征：冬季供暖需求旺盛，而非供暖季则以电力需求为主。如何设计一种能够灵活适应这种季节性需求变化的地热能源系统，成为寒区可再生能源利用的关键科学问题。

针对这一难题，北京理工大学的张云飞、李健等研究人员在《Carbon Neutrality》期刊上发表了创新性研究成果。他们提出了一种基于有机朗肯循环(ORC)的地热热电联供(CHP)系统优化设计方案，通过巧妙的运行策略创新，实现了"冬季供暖、夏季发电"的能源梯级利用模式。这种设计不仅解决了寒区地热发电的技术瓶颈，还显著提升了系统全年的能源利用效率和经济性。

为了量化评估CHP系统的性能优势，研究团队建立了完善的热力学和经济性模型，并首次开展了系统的全年非设计工况分析。与传统仅关注设计工况的研究不同，这项工作充分考虑了环境温度的连续波动特性，采用性能图谱法预测系统在实际运行条件下的表现。研究选取中国大庆市(46.6°N，125.1°E)这一典型寒区城市作为案例，该地区年极端气温从-29.8°C到26.6°C，供暖期长达195天，为研究提供了真实的地理气候条件。

在研究过程中，团队采用了多项关键技术方法：首先建立了ORC-CHP系统的热力学模型，包括蒸发器、涡轮机、冷凝器等关键部件的能量平衡方程；其次开发了经济性评价模型，采用设备购置成本(PEC)法和动态投资回收期(DPP)指标；然后运用Stodola椭圆模型和亲和定律分别描述涡轮机和泵在非设计工况下的性能特性；最后创新性地采用性能图谱法进行系统全年性能快速评估，大大提高了计算效率。

研究结果令人振奋。在系统配置方面，CHP系统采用湿冷机组，而传统纯发电系统则采用空冷机组。这种配置差异带来了显著的性能优势：

系统设计与运行策略对比

通过优化设计发现，CHP系统在年平均湿球温度1.58°C的设计条件下，蒸发压力为2078.32 kPa，冷凝压力仅为330.71 kPa；而纯发电系统在年平均干球温度4.71°C的设计条件下，冷凝压力高达558.52 kPa。这种压力差异直接影响了系统的发电效率。在非设计工况运行中，CHP系统的净发电量随环境温度升高而降低，但通过调节蒸发压力和夹点温度差(PPTD)，系统能够有效缓解性能衰减。

热经济性能优势显著

热力学性能比较显示，CHP系统在发电模式下的热利用效率达到9.1%，较纯发电系统的6.0%提高了50%以上。更值得注意的是，CHP系统在非供暖季的平均净发电量为153 kW，比纯发电系统高出179.1%。经济性分析表明，CHP系统的总投资成本比纯发电系统低17.6%，主要得益于湿冷机组较空冷机组具有更低的投资成本。在典型电价1.3 CNY·kWh^-1和热价90 CNY·GJ^-1条件下，CHP系统的动态投资回收期仅为5.96年，而纯发电系统在常规电价范围内无法实现投资回收。

市场适应性分析

敏感性分析揭示了能源价格对系统经济性的影响规律。热价对DPP的影响显著大于电价，当热价从40 CNY·GJ^-1增至45 CNY·GJ^-1时，DPP从24.86年降至19.66年，降幅达20.9%。这表明在寒区条件下，供热收益对系统经济性起着决定性作用。CHP系统在大多数市场场景下都保持经济可行性，展现出良好的市场适应能力。

最优设计参数确定

针对设计环境温度这一关键参数，研究团队系统比较了从年平均湿球温度(1.58°C)到非供暖季平均湿球温度(13.81°C)之间的多个设计点。发现较低的设计温度虽然能提高年发电量，但会增加系统投资成本。通过热经济权重指标(WI)综合评价，当热力学和经济性性能被同等重视时，最优设计环境温度为7.70°C，这一温度介于年平均和非供暖季平均湿球温度之间，实现了性能与成本的最佳平衡。

在讨论部分，作者强调了CHP系统在寒区的独特优势：运行灵活性使得系统能够根据季节需求切换工作模式，既克服了湿冷机组在严寒条件下的运行限制，又充分发挥了其在高温条件下的性能优势。与传统单一功能系统相比，CHP系统实现了地热资源的全年高效利用，且避免了化石燃料系统的碳排放问题。

该研究的创新价值在于首次系统量化了CHP系统在寒区的全年性能优势，提出了基于性能图谱法的设计参数优化方法，为寒区地热能源项目的规划和设计提供了科学依据。研究成果对推动地热能在寒冷地区的规模化应用、加速碳中和目标实现具有重要意义。未来研究可进一步拓展到不同地质条件、更大温度范围的资源类型，并考虑实际负荷特性和区域特异性成本因素，提升模型的工程适用性。

研究结论明确指出：地热CHP系统是寒区地热能源最优利用方式，在给定条件下较纯发电系统净发电量提升179.1%，动态投资回收期仅5.96年；系统经济性对热价变化更为敏感；考虑非设计工况可避免性能评估偏差；最优设计温度应综合考虑热力学和经济性性能确定。这些结论为寒区地热能源项目的技术选型和优化设计提供了重要参考。