地热发电简述

地热发电简述0 前言从上世纪 70 年代初全球第一次能源危机出现之后，“利用清洁能源”的呼吁就从未间 断过。根据此前的预测，地球上的石油只够用50 年，煤炭最多用100年。在当时，时任地质 部部长李四光就曾提出“要像开发煤炭资源一样开发地热资源”。地热资源作为一种洁净的可再生能源。它具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定 （流量、温度）、使用方便等优点。地热不仅是一种矿产资源，同时，也是宝贵的旅游资源 和水资源，已成为人们争相开发利用的热点。我国地热直接利用已位居世界第二，仅次于美 国。按照地热资源储存形式，可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。 根据其温度不同划分为高、中、低温地热，但划分方式略有不同。一般认为小于90度的为低 温、90-160度为中温、大于160度为高温。在我国，多数时候将超过150度的地热资源成为高 温地热，低于150度的为低温地热。1 地热发电原理及技术地热发电的过程就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过 程，原理和火力发电的基本原理是一样的。所不同的是，地热发电不像火力发电那样需要备 有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源是地热能。根据可利用地热资源的特点以 及采用技术方案的不同，地热发电主要分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩 4 种方式。1.1 地热蒸汽发电1.1.1 背压式汽轮机发电。工作原理: 把干蒸汽从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质， 然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空（或送热用户） 。这是最简单的发电方式，大 多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生产和生活用水。1.1.2 凝汽式汽轮机发电。为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率，做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器， 冷却后再排出。在该系统中，蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，所以能做出更多的功（系1.2 地下热水发电1.2.1 闪蒸地热发电。251地热井；2闪蒸器;排水泵；7排污泵;8热水泵；5混合式凝汽器；61.2哋下热水闪蒸地热发电工作原理: 将地热井口引来的地热水，先送到闪蒸器中进行降压闪蒸（或称扩容），使其 产生部分蒸汽，再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水， 送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下，或引入作为第二级低压闪蒸分离 器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。用这种方法产生蒸汽来发电叫做 闪蒸法地热发电。它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等（系统原理见图1.2）。 采用闪蒸法的地热电站，热水温度低于100 度时，全热力系统处于负压状态。这种电站设备 简单，易于制造，可以采用混合式热交换器。缺点是设备尺寸大，容易腐蚀结垢，热效率较 低。由于是直接以地下热水蒸汽为工质，因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含 量等有较高的要求。1.2.2中间介质法地热发电。工作原理：通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质，使之变为蒸汽，然后 以此蒸汽推动气轮机并带动发电机发电。在这种发电系统中采用两种流体，一种是以地热流体作热源，它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下; 另一种是以低沸点工质流体作 为工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等）。这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汽轮机发电机组发电。做完 功后的蒸汽，由汽轮机排出，并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。该方式分为单级中间介质法系统、双级中间介质法系统或多级中间介质法系统（系统原理见图 1.3）。这一系统的优点是能够更充分地利用地下热水的热量，降低发电的热水 消耗率，缺点是增加了投资和运行的复杂性。1.3 联合循环发电联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电2 种系统合二为一，它最大的优点 就是适用于高于 150 度的高温地热流体发电，经过一次发电后的流体，在不低于 120 的工 况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，充分利用了地热流体的热能，既提高了发电 效率，又将经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大节约了资源。该机组目前已经在一 些国家安装运行，经济效益和环境效益都很好。该系统从生产井到发电，再到最后回灌到热 储，整个过程都是在全封闭系统中运行的，因此，即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来 发电，且不存在对环境的污染。同时，由于系统是全封闭的，即使在地热电站中也没有刺鼻 的硫化氢味道，因而是 100% 的环保型地热系统。这种地热发电系统采用100%的地热水回灌， 从而延长了地热田的使用寿命。1.4 利用地下热岩石发电1.4.1 热干岩过程法。与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热干岩过程法将不受地理 条件限制，可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压入地下 4 6 km 深处， 此处岩石层的温度大约在200 度左右。水在高温岩石层被加热后，通过管道加压被提取到地 面并输入到热交换器中，热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能。同时推动汽轮机工作 的热水经冷却后可重新输入地下供循环使用。这种地热发电的成本与其他再生能源的发电成 本相比是有竞争力的，而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染，所以它是一种 未来的新能源。1.4.2 岩浆发电。在现在的地热发电中，地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆。所谓岩浆发电就是把 井钻到岩浆处，直接获取那里的热量。这一方式在技术上是否可行，是否能把井钻至高温岩 浆处，人们一直在研究中。到目前为止，在夏威夷进行了钻井研究，想用喷水式钻头把井钻 到岩浆温度为10201170度的岩浆中，并深入岩浆29m,但就这也只是浅地表的个别情况。 如果真正钻到地下几千米才能钻到岩浆， 采用现有技术也是很难实现的。另外， 对从岩浆 中提取热量，目前也只是进行了理论上的研究。2 国内对于地热的利用现状2.1 已投产运行的地热电站我国最早的地热发电是在广东省丰顺县邓屋， 利用92度地下热水发电成功。当时首次 试验成功是86kW,后来又逐渐完善到300千瓦装机容量，一直运行到2008年。上世纪70年代， 世界第一次石油危机爆发。当时我国建起了7个中低温地热发电厂，除上面谈到的，还有湖 南省宁乡县灰汤300千瓦, 河北省怀来县后郝窑200千瓦, 山东省招远县汤东泉300千瓦, 辽 宁省盖县熊岳200千瓦, 广西壮族自治区象州市热水村200千瓦和江西省宜春县温汤100千 瓦。其中温度最低的为67度的江西宜春县温汤，装机容量为100千瓦。但是由于当时的历史 时代，没有在国际上发表论文，因此缺失了文献记载。 2006年美国才在阿拉斯加州建成了74 度温泉地热发电200千瓦，但因为发表了论文，最终被称为是“世界最低温度发电”。这7座 电厂中有5座于上世纪70年代末就陆续关停了，后两座也于上世纪90年代初关闭。其原因主 要是因为这类地热发电在技术上可行，但在当时的历史条件下经济上不可行，不具备商业性。高温地热蒸汽发电却为我国西藏经济的发展做出了较大贡献。上世纪70年代中期开始 在西藏羊八井进行地热田勘探，同时地热电厂的设计和筹建同步进行。1977年国庆节前夕， 1000千瓦的高温地热发电试验机组发电成功。截至1991年，陆续完成8台机组安装，使羊 八井地热电厂达到25.1兆瓦的总装机容量。至今, 羊八井地热电厂每年运行6000小时以上, 年发电在1.2亿千瓦时以上。目前羊八井地热电站已开发的主要是浅层资源，而储藏于地表 1400 米以下的“大储量、高品质”的地热资源尚未开发，这部分深层地热的总装机容量保 守估计至少为3 万千瓦。羊八井地热电站未来开发潜力巨大。2.2 拟定建设未投运的地热电站海南岛为发展干热岩地热电站，选址工作已经展开，地热项目选址要求地热温度高,有 冷水供给, 交通方便, 土地为荒地的地域作发电厂址。水温最高的七仙岭温泉达84度，水量 最大的南平温泉达14.4升每秒，都分布在侵入岩区中。该区地形平坦、交通方便、分布村庄 少。岩体未受变质作用,岩石可钻性好, 适宜于生产钻进。该区适宜于旅游参观, 也需要用 电。但该项目审批工作进展不详。云南腾冲热海地热田作当地唯一的岩浆热源地热田，也于上世纪开始着手地热电站项目 的发展，1998年在热水塘建10兆瓦的地热试验电站，井深1640米，井底最高温度为143.5度， 但由于孔内岩石渗透性差，深部裂隙不够，没能成功。2004年，腾冲县地热电站项目建议 书通过我国相关部门专家组论证，通过国际合作的形式，与以色列联合开发，你投资9900 万美元，建立一座48.8兆瓦的热点电站。但至今尚未得到发改委审批。3 展望一个典型的地热电站项目的成本预算大致可划分为：勘探占 5%，评估占 1%,许可证占 1%,地热井占23% ,地热流体采集系统占7% ,电站占57% ,输配电占4%. 其中,电站和地热井 部分的成本占到了总成本的 80% ,所以这两方面的工程技术是发展的重点。我国是世界上利用地热采暖的大国,多年来在热储工程和地热井方面取得了长足发展。 我国各地几乎都有地热井,地热井的最大深度已达到4000 米。但是,多年来我国地热能发电 却基本上处于停滞状态。虽然羊八井地热电站在地热流体采集系统设计、闪蒸蒸汽热力系统 设计、回灌系统设计、电站运行和管理等方面积累了一定经验,但羊八井地热电站设备的设 计制造技术严重老化,一些重要设备如汽水分离器和过滤器等还没有投入应用,非常缺乏先 进的地热发电设备设计制造技术和成套设备的集成技术。相比较而言,地热发电设备设计制 造和集成技术的发展远远落后于地热能发电的其他技术。因此,近期地热能发电优先发展的方向应是提高地热发电设备设计制造技术水平和集成 技术水平。我国完全具备尽快发展地热发电设备设计制造技术和集成技术的条件和基础。地 热电站发电设备与常规电站发电设备基本类似,比如地热汽轮机与火电机组低压缸的湿蒸汽 部分相似。但需认识到：应当牢牢抓住地热能发电技术的特点,如腐蚀、结垢等方面进行深 入的研究,才能开发出适用于地热能发电的高性能设备。对于利用中间介质系统的发电设备, 则需要有更多的投入。近几年，有研究人员尝试着将不同的发电系统进行整合，较为可行的为中科院广州能源 所提出的“闪蒸双工质循环联合地热发电系统”，该系统主要是将闪蒸器的排污出水回流 入传统双工质的蒸发器内，进行热量进行回收。同时在传统双介质系统的蒸发器前段加入一 个预热器，从而提高工作介质工况，达到充分利用地热资源的目的。此外，在大力发展单纯地热发电项目的同时，发展电热联产事业是大有可为的。从全球 范围来看, 地热电站都是与旅游事业紧密联系在一起的，中国西藏自治区的羊八井地热电站 就被定为旅游胜地。将地热项目参观、温泉、旅游度假相结合，也是一个绿色低碳的创收点。