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地熱發電技術(三):發電機組技術 - 雙循環系統

傳統地熱發電多使用蒸汽渦輪發電機組,對地熱資源的蒸汽量及溫度有較高的門檻。若想利用溫度較低且乾度(水蒸氣含量)較小的地熱資源,則必須採用發電溫度門檻較低的「雙循環系統(Binary Cycle System)」。雙循環系統透過熱交換器以熱源加熱工作流體,使其汽化並產生推力推動發電機組。由於工作流體的熱力學性質,雙循環系統可以適用於低溫、低溫差的熱源形式。台灣主要發展的雙循環系統技術為「有機朗肯循環(Organic Rankine cycle)」,利用低沸點的有機溶液汽化推動發電機,
 
 
宜蘭縣政府推動「清水地熱發電計畫」,委託工研院於清水地熱區建立一有機朗肯循環地熱發電示範機組。 (圖片來源:台電月刊)
▲宜蘭縣政府推動「清水地熱發電計畫」,委託工研院於清水地熱區建立一有機朗肯循環地熱發電示範機組。 (圖片來源:台電月刊)

傳統地熱發電多使用蒸汽渦輪發電機組,「乾蒸汽式發電」或「閃發蒸汽式發電」,前者對於地熱資源所含的蒸汽量有很高的要求,必須由地下產出大量的蒸汽才能推動渦輪發電;後者雖並非直接利用地層中蒸汽,但若熱水溫度不夠,則無法透過「閃蒸」,一種利用降壓使高溫液體快速化為氣態的步驟,產生大量蒸汽推動渦輪。台灣地熱資源多屬「熱液資源」,多以熱水的形式儲存於地層之中,乾度(水蒸氣含量)僅5~15%,且由於台灣地熱資源儲集層溫度多在160~200℃,實際採出的地下熱流溫度很難跨過180℃的門檻,屬於較低溫的地熱資源。為了能夠有效利用100~200℃低溫地熱資源,科學家提出了「雙循環系統(Binary Cycle System)」,專門針對低溫、低溫差的熱源轉化為機械能,推動發電機發電,被廣泛應用在廢熱發電、低溫發電及冷能發電等領域。應宜蘭縣政府委託,工研院於清水地熱區建立了一有機朗肯循環發電示範機組,吸取前人教訓,為未來清水地熱發展奠定重要的基石。

 

雙循環系統,降低溫度門檻

 

所謂的雙循環系統便是存在熱源以及工作流體兩個封閉循環的發電系統,透過熱交換器以熱源加熱工作流體,使其汽化並產生推力推動發電機組已達發電目的。雙循環系統因所採用的工作流體不同,可被分做「有機朗肯循環(Organic Rankine cycle)」、「卡林那循環(Kalina cycle)」以及「布雷頓循環(Brayton cycle)」,有機朗肯循環採用的工作流體為低沸點的有機溶液,卡林那循環的的工作原理則與有機朗肯循環無異,差別只在於其採用的工作流體為水與氨的非共沸混合液,布雷頓循環則比較特別,採用超臨界態的二氧化碳或氦氣做為介質,介質在定壓的情形下被加熱膨脹,推動噴射渦輪。由於工作流體不同於水及水蒸汽的熱力學性質,雙循環系統可以適用於廣溫度範圍熱源的利用,被廣泛應用在廢熱發電、低溫發電及冷能發電等領域,低溫的地熱資源也可以透過雙循環系統有效的轉化為電能,降低了地熱發電的溫度門檻。利用雙循環系統來進行地熱發電,由於地下熱流體僅透過熱交換器加熱工作流體,並無進入發電循環中及地表,可以避免傳統蒸氣渦輪地熱發電排放地下有害氣體的缺點,且地下酸性流體不會侵蝕膨脹機等管線系統,可以延長發電機組壽命,節省維護費用。

 

 

有機朗肯循環,清水地熱再生

 

目前台灣所發展的雙循環發電系統技術以有機朗肯循環為主,國內已經有工廠廢熱回收利用於有機朗肯循環系統發電的技術發展基礎,其廢熱溫度介於100~200℃之間,與台灣地熱發發電溫度相似,理應也適用於地熱發電。宜蘭清水地熱區曾在民國70建造過一蒸汽渦輪地熱發電廠,但卻因為地熱資源衰竭及管線截垢、腐蝕等問題,導致發電量銳減,電廠入不敷出,最後走上停運的命運。在民國102年,宜蘭縣政府委託工研院,於清水地熱區建製一裝置容量為50 kWe的有機朗肯循環地熱發電示範機組。該示範機組取得相當良好的欲轉成果,根據以往的失敗經驗,該示範機組輔以尾水回助系統,以保證地下流體儲量,且由於雙循環系統為封閉系統,也避免了地下流體對發電機組的侵蝕影響。雖然這僅僅只是50kWe的示範機組,遠遠不及清水地熱區的發展潛力(60MWe),但這對未來清水地熱的發展無疑為一個重要的里程碑。

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

審校:沈建豪

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