位于非洲之角的沿海国家吉布提处于非洲、亚洲和欧洲的交汇地,拥有特殊的地理位置。在原本这个不稳定的地区,安定是它最宝贵的财富。它位于曼德布海峡,是通往苏伊士运河的门户,而苏伊士运河是世界上最繁忙的航运路线之一。吉布提也为内陆邻国埃塞俄比亚提供了重要的港口,更重要的是,两国首都之间已经建成了铁路。此外中国主导的基础设施项目包括航空和海运港口也在这里,同时很多国家也在这里建立了基地。由于经济和人口的增长,能源需求也在迅速增加,但是吉布提的能源供应主要依赖于不可再生的化石燃料资源,并且没有化石燃料储备,因此能源短缺成为一个问题。为了实现能源安全,确保经济发展,解决气候变化等环境问题,可再生能源必须迅速发展。地热资源有很大潜力帮助吉布提实现这些目标。本文以吉布提A-3地热井为研究背景,对地热发电系统进行了详细的热力学和结垢分析。通过EES软件建立了以下五种不同的地热发电系统模型:单闪蒸（SF）、双闪蒸（DF）、闪蒸有机朗肯循环（FORC）、双闪蒸有机朗肯循环（DFORC）和ORC系统。以最大净发电量为目标函数,通过对五个系统的优化分析,找出适合吉布提地热资源的最佳发电系统。研究结果表明,由于结垢问题和相对较低的净功率输出,DFORC系统被排除在选择范围以外。在保证各系统运行不存在结垢问题的情况下,各系统净输出功由高到低的排序为:FORC（3723kW）,DF（3335kW）,SF（2737kW）,ORC（2592kW）。由于FORC系统的净发电量仅略高于DF系统,因此有必要进行进一步的技术-经济分析,以找出适用于吉布提A-3地热井的最具成本效益的发电系统。地热源自希腊语;geo表示地球,而thermal表示热量,它可以解释为地热能或地球产生的能量^[1]。地热流体中的能量包含在水中,其可以是纯气相,液相或是汽液混合物。地热流体通常位于地球表面以下1千米以上的深度。从人类在地球上居住开始,地热能就已经被利用起来^[2]。吉布提共和国,位于东非大裂谷北端的一个小国,由于经济增长（Ghoubet港口,吉布提国际自由区和吉布提航空货运等）和人口增加,该国的能源需求正在日益增长;由于吉布提的能源供应主要依赖化石燃料资源,使得该国能源供应处于危机之中。在此情况下,为了实现能源安全并确保经济发展,提出了采用地热能（一种可再生能源）,以安全,可持续和环保的方式应对增加电力需求的挑战。吉布提政府一直在努力进行各种地表勘探活动,深钻已证实在Asal裂谷中存在高温地热田。在玄武岩伸展裂谷环境中,可以看到面积几平方公里并且至少1公里厚的240-350°C盐水资源。由于吉布提的高温地热资源（>300℃）具有较高的结垢概率,因此需要解决以下问题:1.找出用于吉布提地热资源的最佳发电系统?2.双级闪蒸系统在吉布提能否具有更好的热力学性能?3.在易结垢的地热条件下,ORC系统,单级闪蒸系统或者其他发电系统能否比双级闪蒸系统更好?自上世纪70年代以来,吉布提政府已经和联合国开发计划署展开合作,进行了多种地表勘察活动。但是,没有人对适合吉布提地热资源的不同电力循环的热力学性能和结垢问题进行分析。这些地热资源可以在不结垢的情况下获得最大的电力输出,以支持吉布提的电力供应。本文的主要目标是基于热力学和结构问题分析,对比研究用于Lac Assal（Djibouti）地区高温地热资源的不同地热发电系统,找出可用于吉布提地热资源的最佳发电系统。本文所考虑的系统有单级闪蒸系统（single-flash,SF）,双级闪蒸系统（double-flash,DF）,闪蒸-ORC系统（FORC）,双级闪蒸-ORC系统（DFORC）和ORC系统。本研究将会增加对于结垢问题和如何增大地热发电输出功的认识,这将会有利于吉布提的电力供应。本研究将通过对适宜吉布提地热资源的不同发电循环进行详细的热力学和结垢问题分析,以此来评估多种发电系统。该方法是将热力学的基本原理应用于循环部件和循环本身以构成一个非线性方程组。所采用的分析软件是工程方程求解器（EES）,可查找工质热力学性质和求解非线性方程组。本研究模型在考虑多种实用目标的条件下,使输出功率最大化。为了达到这些目标,研究计划如下:（1）从吉布提收集数据（井口压力,温度,焓,质量流量等）,基于现有的调查和已经发表的关于吉布提地热潜力的文献;（2）分析从吉布提获取的数据;（3）根据相关理论,找出适合吉布提条件的地热发电系统:（4）采用EES建模、模拟不同循环的热力性能,包括SF,DF,FORC,DFORC和ORC系统;（5）对循环的热力学性能进行对比;（6）对每种循环进行结垢分析:结合地热流体化学成分分析结果及其溶解度相位图,分析各个发电系统不发生结垢的热力学水化学平衡界限,并提出保证不发生结垢的最佳发电模式选择顺序。（7）总结出有用的结论,为吉布提政府和今后相关发电计划提供参考。地热能的开发和利用有悠久的历史。古罗马人曾经采用地热能进行供暖。现阶段地热能的利用非常广泛,如发电和热电联产。具体来说如加热泳池、温泉洗浴、室内空调、农业应用如大棚等。全世界范围内地热能这种自然热能储量巨大,根据相关数据,世界上的地热能总储量约为1.26×10²⁷ J,相当于4.6×10¹⁶吨标准煤。中国国土资源部（MLR）最近发布的官方数据显示,在3e10 km深度分布的地热资源总量相当于中国大陆年能耗的26万倍^[7]。与其他能源相比,地热发电是一种安全,清洁,简单,可靠和环保的发电方式。但是由于地热发电一些固有缺陷,至今仍未得到广泛的使用。在过去的几十年间,地热能因其清洁,可再生性和环境友好的优势而得到迅速的发展。地热能利用的主要难点是勘探具有高品质以支持大规模商业应用的地热能以及确定地热田地下位置和深度。吉布提的地热能资源储量巨大,开发之后完全可以满足该国未来的电力需求。Moussa和Souleiman指出现阶段吉布提地热开采面临两个主要问题:在短期内开发能够满足当前电力需求的可靠装机以及建立地热能长周期利用的有效机制。这就需要大量地质人才储备以及勘探、钻井等方面先进的技术。此外,相关部门对地热发电的建设和规划应该将吉布提未来政治经济发展考虑在内（如当前两条铁路主干线以及沿线工业带）,结合特殊地理位置,做好规划。吉布提Tadjoura海岸沿岸的地热资源,有巨大的优势吸引外资和建设工业带（如Miyir和Hamoud等人提到的冰岛Reykjanes半岛沿线的铝厂开发。当地地热资源参数:井口温度212.4℃,地热流体比焓:1079 k J/kg,质量流量:45 kg/s）。增强型地热系统最初也称为工程地热系统,简称为EGS,是指从低渗透率和低孔隙度的地热储层中利用人为手段增强采热速率和强度来提取热量。增强型地热系统（EGS）有望成为当前能源危机和环境污染的解决方案。然而,勘探过程中,很难精确测定地热田的储量,导致EGS热储量难以准确量化。Lu等对增强地热系统的复合动力循环进行了热力学性能和基础技术经济分析。他们对四种发电系统进行了热力学分析:单级闪蒸（SF）系统,双级闪蒸（DF）系统,闪蒸ORC（FORC）系统,和双级闪蒸-ORC（DFORC）系统。以单级闪蒸发电量为基础标准,以循净功是否增加20%作为判断另外三种复合发电方式优劣性的标准。本文之前没有人对吉布提地热发电进行过系统的热力学研究。本文将就最大发电量为目标,不考虑二氧化硅结垢问题,对吉布提的地热资源进行热力学分析,为吉布提将来地热发电建设提供指导。吉布提共和国自1970年以来有着悠久的地热资源勘探历史。吉布提位于东非裂谷地质系统,同时也是红海和亚丁湾地质板块的交汇处,地质结构复杂。这种特殊地理条件赋予了吉布提丰富的地热资源。不同于西部边境,东部海岸线截然不同的地质现象如水文地质条件、广泛的温泉和气孔都表明地下数公里有丰富的地热资源。虽然在地质勘探和钻井技术方面取得了一些进步,但是对于吉布提地热资源大规模应用仍然不够。近些年私人公司在Asal裂谷和阿布湖地区的地热项目为吉布提地热利用翻开了新篇章。随着项目的进展,不可溶矿物质和气体的问题收到了广泛关注,长期的运行会产生大量矿物质沉积和设备腐蚀。在Tadjourah地区,共有打好的地热井。在Asal地区的勘探始于1975年,钻探了两口深井:1975年的A-1井^[57]和1980年的A-2井。A-1和A-2井的最终深度分别为1154米和1554米。A-1井为质量流量22 kg/s的高盐度水,系统运行前测试最大井下温度为255°C,位于地下1040 m处,1981年流量测试时最高温度为260°C。不幸的是,A-2井由于钻井时泥浆堵塞问题,没有产生任何蒸汽。A-1井水固体浓度非常高,为128,000毫克/升,并且在1981年的流量测试中,井中水垢在不到3个月的时间内就造成了井堵塞。A-3井进行了长期的实际生产测试以及温度压力采集。得出了热回收后但在生产测试3个半月之前收集的井的静压和温度曲线。得出的曲线描绘了300米以下井的静态温度和压力分布,并且得出了良好的近似值。在此之上,温度分布随着在液位附近的盐水沸腾和高于其的蒸汽的存在而改变。在A-3井测试开始时和邻近结束时,对井口输出进行了测试。通过比较两个不同时期井口输出曲线发现邻近测试结束时井口输出参数有很大的下降。显然过大的开采量造成了三个月之后井口输出的显著下降。对于定井口压力（WHP）情况,采用较低的WHP,相应井口的总质量流量显著降低。本文观测了许多类型的地热井和地热设施的水垢。它们包括碳酸盐矿物（方解石和文石）、非结晶硅酸盐、以及金属氧化物和硫化物。最常见的地热水垢是二氧化硅和方解石。水垢在多数情况下是不希望产生的,它既可以在溶液中沉淀产生,也可以在井表面产生。从物理上说,水垢是坚硬且具有粘连性的,一旦它们形成,就会造成诸多问题。受水垢问题影响最明显的部门应该是工业部门。结垢可以对发电厂的可持续性产生严重影响。它通过降低热交换器等设施的效率,限制通过管道和阻塞阀的流体的流动而产生问题,并通过堵塞生产井或注入井而导致发电量下降。在所有工业中对热交换器的使用都已经越来越广泛。许多研究已经通过加强对换热器的改进来讨论对能源管理的需求。由于每种流体中形成的沉积物导致的热交换的性质不同,因而每个过程的热交换器的设计是不同的。在热交换表面上形成的沉积物被称为污垢,由于安全性和操作原因,它是设计的一项十分必要的考虑因素。Asal中的地热流体是高度矿化的盐水并且受到过饱和状态的影响。因此,采用这种流体的井的有效操作在很大程度上取决于正确的设计和贯彻实施正确的管理策略。目前存在几种最小化污垢的方法,例如改善井的设计和对井的操作、选择适当的材料和对地热流体进行化学处理,包括使用化学抑制剂、流体的预处理和常规的机械或化学清洁等。用于处理水垢的一种可能方法是通过调节井口压力来改变闪蒸区的深度,以降低井的机械水垢去除的频率,并确保在裸眼井中不发生沉积。一旦知道在怎样的井口压力下,水垢的形成会达到最小化,那么将来的井在开发时应该着眼于通过使生产套管足够大以最大化井的产量,来减少井眼水垢。热储工程研究表明,Asal-3产量下降与井筒结垢和平均储层压力下降的综合影响有关。由于观测到底部整体压力的下降,储层的延伸可能受到储层边界的限制。研究还证明了井眼水垢是限制井可输送性的主要因素。研究使用了一种特殊的化学和腐蚀设施来确定可变井口压力的结垢率。结垢速率为9.2厘米/年,且污垢的主要成分为硅酸铁。二氧化硅沉积以不同形式发生在热液区域的不同深度。这些形式包括石英,玉髓,方石英和非结晶二氧化硅。石英是最稳定的二氧化硅形式,具有最低的溶解度。在提取流体之前的高温储层中,二氧化硅浓度通常与石英平衡,一旦水开始沸腾,冷却二氧化硅的结晶形式就会发生改变,水中的二氧化硅浓度就会由于蒸汽损失而增加。溶液会立即变为石英过饱和状态,但由于形成速度慢,不会形成石英沉淀物。非结晶二氧化硅与地热水的温度变化有关。当非结晶二氧化硅溶解度超出图1的曲线时,就会形成二氧化硅结垢。为了使地热井运行时的硅石溶解度曲线在非结垢区域内,这意味着在实践中只有大约25%的水可以通过从液体主导的储层“闪蒸”成蒸汽而没有二氧化硅垢的危险,几乎与水资源的温度无关（闪蒸=水快速转化为蒸汽）。二氧化硅“经验法则”可能会说,在没有结垢的风险的情况下只能将水冷却到约100°C。因此,240℃的储层水会在140℃以上分离以避免结垢。由于这个原因,人们可能认为储层温度尽可能高,并不是那么重要,因为储层温度越高,需要再注入的水的温度就越高,这样就给热效率增加了一道限制。本文根据一个典型的吉布提地热资源状况,分别针对地热发电的五种发电系统进行了详细的热力学性能和结垢问题分析,以找出适合吉布提A-3地热井的最佳发电系统。这五种发电系统包括:单级闪蒸（SF）,双级闪蒸（DF）,单级闪蒸+有机朗肯循环（FORC）,双级闪蒸+有机朗肯循环（DFORC）和单一ORC系统。完成了对五种发电系统的优化:单闪（SF）,双闪（DF）,单闪-有机朗肯循环（FORC）,双闪-有机朗肯循环（DFORC）和ORC系统。本研究采用工程方程求解器（EES）建模并进行最优化求解,以净发电量最大为目标函数。非线性优化是在设定的约束条件下进行的。第节中描述的能量转换系统模型的模拟需要对地热系统的各种行为和发电厂设备的技术特性进行假设。表总结了此分析中用作输入参数的假设。本分析中没有被用作输入条件的重要假设则根据Yari和Zhu等人的方法设定。（1）质量流量,地热流体温度和焓分别为:45kg/s,212.4℃和1079k J/kg.（2）冷却水的蒸发忽略不计。（3）地热发电厂在稳态下运行。（4）在分离器内的闪蒸过程视为绝热,焓保持一定;没有功和热量转移到环境中。（5）用纯水的性质代替地热水的性质进行热力计算。（6）对于单闪(SF,双闪（DF）,单闪-有机物朗肯循环（FORC）和双闪-有机朗肯循环（DFORC）及单一ORC系统,重点分析其的结垢问题。显示吉布提A-3地热井（Asal Rift井）地热工质出口温度为212.4℃,流体焓为1079k J/kg和质量流量为45kg/s时的五个发电系统的计算结果。图3a,图3b,图3c和图3d显示了总的发电效率和热效率与SF中的闪蒸温度,DF中的第二级闪蒸温度,FORC中的蒸发温度和DFORC中的蒸发温度之间的关系。表则列出了五种地热发电系统的最大净功率输出的比较。这是没有考虑到结垢限制（约束）的结果。通过对每种循环进行结垢分析:结合地热流体化学成分分析结果及其溶解度相位图,得到了各个发电系统不发生结垢的热力学水化学平衡界限。在保证各系统运行不存在结垢问题的情况下,各系统净输出功由高到低的排序为:FORC（3723kW）,DF（3335kW）,SF（2737kW）,ORC（2592kW）。还需要进行进一步的技术-经济分析,以找出适用于吉布提A-3地热井的最具成本效益的发电系统。本文根据吉布提A-3地热井的数据,分别就热力学性能和结垢问题对以下五种地热发电系统进行了分析:单级闪蒸（SF）系统,双级闪蒸（DF）系统,有机朗肯循环（ORC）系统,单级闪蒸-ORC（FORC）系统和双级闪蒸-ORC（DFORC）系统。采用的吉布提A-3地热井的地质流体参数为:井口温度212.4℃,流体焓值1079 k J/kg,质量流量45kg/s。所得结论如下:（1）在最优设计条件下,闪蒸温度和二氧化硅浓度分别为149.5℃和380.8mg/kg。单级闪蒸（SF）系统在干度为21%时,最大净发电量为2737Kw.在此条件下,单级闪蒸系统能免于二氧化硅结垢,安全运行。（2）双级闪蒸（DF）系统最大净发电量为3335kW。第一级闪蒸发生在179℃的非结构区并且出口干度为16%;第二级闪蒸（温度116.4℃,地热流体干度12%）也发生在非结垢区,但即将到达结垢区边缘。这表明双级闪蒸系统有结垢的倾向,所以在实际运行中适当提高第二级闪蒸温度,牺牲一定的发电量可使此系统免受结垢影响。（3）热力学优化显示单一ORC系统的入口温度和出口温度分别为212.4℃和75.63℃时,最大净发电量为3020kW。此时,ORC系统存在结垢问题。提高地热流体出口温度到95℃,才能避免结垢问题,但相应的净输出功率也相应减少,降到2592kW。（4）在最佳设计条件下,FORC系统的最大净发电量为4266 kW,对应初始二氧化硅浓度为300 mg/kg,闪蒸温度为212.4℃,干度为16%。设计最佳蒸发温度为145.8℃,地热流体出口温度为77.87℃。在此地热流体出口温度下会发生结垢。提高地热流体出口温度到95℃,可以避免结垢问题,但相应的净输出功率则减少到3723kW。（5）在最佳设计条件下（T2=179℃,x2=16%,T6=145.9℃,x6=12%,Tevap=78.32℃）,DFORC系统的最大净发电量为3663kW。但出现结垢问题。若采用提高地热流体出口温度避免结垢的方法,结果发现只有当DFORC变为DF才能不结垢。因此,DFORC系统在吉布提A-3地热井不具备应用的可能性。（6）综上所述,在不结垢情况下,各系统净输出功由高到低的排序为:FORC（3723kW）,DF（3335kW）,SF（2737kW）,ORC（2592kW）。（7）对吉布提Lac Assal地区的地热资源应用,建议开展更多地热井用于地热发电的可行性分析,包括地热发电系统的技术经济分析和硫化物结垢分析等。