1 地熱發電現狀

 

  1913年,第一座裝機容量0·25 MW的地熱電站在意大利建成并運行,標志著商業性地熱發電的開端.目前世界最大的地熱電站是美國的蓋瑟爾斯地熱電站.其第一臺地熱發電機組(11MW)于1960年啟動,以后的10年中, 2#(13 MW)、3#(27 MW)和4#(27MW)機組相繼投入運行. 20世紀70年代,共投產9臺機組, 80年代以后,又相繼投產一大批機組.其中除13#機組容量為135 MW外,其余多為110 MW機組.地熱發電至今已有近百年的歷史,而且有了較大規模的發展,可見地熱發電能夠可靠、安全和可持續性地運行. 地熱發電在我國也有較大的發展. 1970年,廣東豐順建成第一座地熱電站,機組功率為0.1 MW.隨后,河北懷來、西藏羊八井等地也建了地熱電站.到目前為止,西藏羊八井地熱電站是我國最大、運行最久的地熱電站,一直在安全、穩定發電.羊八井地熱電站裝機容量已達到9臺共25·18MW,機組最大單 機容量為3MW等級.目前,國內可以獨立建 造30 MW以上規模的地熱電站,單機可以達到10 MW,截止到2007年,我國地熱發電裝機容量為32MW.目前,羊八井電站還具有很大的開發潛力.同時羊八井地熱田西南45km處的羊易地熱田,也是一個亟待開發的高溫地熱田.另外,云南省的地熱資源也十分豐富,如騰沖地區是中國大陸有名的高溫地熱區,也是中國大陸獨一無二的火山熱區,地質普查顯示全區有27個高溫地熱田,但卻沒有建成一座地熱發電站.

 

  據2005年世界地熱大會的統計,世界上有24個國家建設了地熱發電站(2000年的統計為19個國家),世界地熱發電總裝機容量為8 900MW,目前運行容量為8 000MW.該數據比2000年增長了12%. 2003年地熱發電總量為57 000 GW·h,比2000年增長了15%,預測至2010年,有望達到10 815MW的總裝機容量.美國地熱發電能力已經超過了2 800MW,居世界首位;菲律賓、墨西哥緊隨其后;印度尼西亞后來居上已經排在第四位;其次是意大利、日本、新西蘭,我國排名第15位.

 

  2 地熱發電原理及技術

 

  地熱發電的過程就是把地下熱能首先轉變為機械能,然后再把機械能轉變為電能的過程,原理和火力發電的基本原理是一樣的.所不同的是,地熱發電不像火力發電那樣需要備有龐大的鍋爐,也不需要消耗燃料,它所用的能源是地熱能.根據可利用地熱資源的特點以及采用技術方案的不同,地熱發電主要分為地熱蒸汽、地下熱水、聯合循環和地下熱巖4種方式

 

  .                   1)背壓式汽輪機發電.工作原理:把干蒸汽從蒸汽井中引出,先加以凈化,經過分離器分離出所含的固體雜質,然后使蒸汽推動汽輪發電機組發電,排汽放空(或送熱用戶).這是最簡單的發電方式,大多用于地熱蒸汽中不凝結氣體含量很高的場合,或者綜合利用于工農業生產和生活用水.

 

  2)凝汽式汽輪機發電.為了提高地熱電站的機組輸出功率和發電效率,做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷卻后再排出.在該系統中,蒸汽在汽輪機中能膨脹到很低的壓力,所以能做出更多的功.

 

  2·2 地下熱水發電

 

  1)閃蒸地熱發電.工作原理:將地熱井口引來的地熱水,先送到閃蒸器中進行降壓閃蒸(或稱擴容),使其產生部分蒸汽,再引到常規汽輪機做功發電.汽輪機排出的蒸汽在混合式凝汽器內冷凝成水,送往冷卻塔.分離器中剩下的含鹽水排入環境或打入地下,或引 入作為第二級低壓閃蒸分離器中,分離出低壓蒸汽引入汽輪機的中部某一級膨脹做功.用這種方法產生蒸汽來發電叫做閃蒸法地熱發電.它又可以分為單級閃蒸法、兩級閃蒸法和全流法等.

 

  采用閃蒸法的地熱電站,熱水溫度低于100℃時,全熱力系統處于負壓狀態.這種電站設備簡單,易于制造,可以采用混合式熱交換器.缺點是設備尺寸大,容易腐蝕結垢,熱效率較低.由于是直接以地下熱水蒸汽為工質,因而對于地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求.

 

  2)中間介質法地熱發電.工作原理:通過熱交換器利用地下熱水來加熱某種低沸點的工質,使之變為蒸汽,然后以此蒸汽推動氣輪機并帶動發電機發電.在這種發電系統中采用2種流體,一種是以地熱流體作熱源,它在蒸汽發生器中被冷卻后排入環境或打入地下;另一種是以低沸點工質流體作為工作介質(如氟里昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷、氯丁烷等).這種工質在蒸汽發生器內由于吸收了地熱水放出的熱量而汽化,產生的低沸 點工質蒸汽送入汽輪機發電機組發電.做完功后的蒸汽,由汽輪機排出,并在冷凝器中冷凝成液體,然后經循環泵打回蒸汽發生器再循環工作.該方式分為單級中間介質法系統和雙級(或多級)中間介質法系統.

 

  這一系統的優點是能夠更充分地利用地下熱水的熱量,降低發電的熱水消耗率,缺點是增加了投資和運行的復雜性.

 

  2·3 聯合循環發電

 

  聯合循環地熱發電系統就是把蒸汽發電和地熱水發電2種系統合二為一,它最大的優點就是適用于高于150℃的高溫地熱流體發電,經過一次發電后的流體,在不低于120℃的工況下,再進入雙工質發電系統,進行二次做功,充分利用了地熱流體的熱能,既提高了發電效率,又將經過一次發電后的排放尾水進行再利用,大大節約了資源.該機組目前已經在一些國家安裝運行,經濟效益和環境效益都很好.

 

  該系統從生產井到發電,再到最后回灌到熱儲,整個過程都是在全封閉系統中運行的,因此,即使是礦化程度很高的熱鹵水也可以用來發電,且不存在對環境的污染.同時,由于系統是全封閉的,即使在地熱電站中也沒有刺鼻的硫化氫味道,因而是100%的環保型地熱系統.這種地熱發電系統采用100%的地熱水回灌,從而延長了地熱田的使用壽命.

 

  2·4 利用地下熱巖石發電

 

  1)熱干巖過程法.與那些只從火山活動頻繁地區的溫泉中提取熱能的方法相比,熱干巖過程法將不受地理條件限制,可以在任何地方進行熱能開采.首先將水通過壓力泵壓入地下4~6 km深處,此處巖石層的溫度大約在200℃左右.水在高溫巖石層被加熱后,通過管道加壓被提取到地面并輸入到熱交換器中,熱交換器推動汽輪發電機將熱能轉化成電能.同時推動汽輪機工作的熱水經冷卻后可重新輸入地下供循環使用.這種地熱發電的成本與其他再生能源的發電成本相比是有競爭力的,而且這種方法在發電過程中不產生廢水、廢氣等污染,所以它是一種未來的新能源.

 

  2)巖漿發電.在現在的地熱發電中,地熱儲層中的熱源是地下深部的融熔巖漿.所謂巖漿發電就是把井鉆到巖漿處,直接獲取那里的熱量.這一方式在技術上是否可行,是否能把井鉆至高溫巖漿處,人們一直在研究中.到目前為止,在夏威夷進行了鉆井研究,想用噴水式鉆頭把井鉆到巖漿溫度為1 020~1 170℃的巖漿中,并深入巖漿29 m,但就這也只是淺地表的個別情況.如果真正鉆到地下幾千米才能鉆到巖漿,采用現有技術也是很難實現的.另外,對從巖漿中提取熱量,目前也只是進行了理論上的研究.                   3 需要解決的重大技術難題

 

  目前,有3個重大技術難題阻礙了地熱發電的發展,即地熱田的回灌、腐蝕和結垢.

 

  3·1 地熱田的回灌

 

  地熱水中含有大量的有毒礦物質.例如我國羊八井的地熱水中含有硫、汞、砷、氟等多種有害元素,地熱發電后大量的熱排水直接排放,會對環境產生惡劣影響.地熱回灌是把經過利用的地熱流體或其他水源,通過地熱回灌井重新注回熱儲層段的方法.回灌不僅可以很好地解決地熱廢水問題,還可以改善或恢復熱儲的產熱能力,保持熱儲的流體壓力,維持地熱田的開采條件.但回灌技術要求復雜,且成本高,至今未能大范圍推廣使用,如果不能有效解決回灌問題,將會影響地熱電站的立項和發展.因此,地熱回灌是亟需解決的關鍵問題.  如果地熱流體是在開放系統里利用,則廢水一般在回灌之前必須先在水塘或水箱之中沉降,以除去懸浮狀固體物質.有時,可以用過濾裝置達到這一目的.為了減少腐蝕性,廢水可能還需要進行化學或物理法脫氣,最后通過回灌井注入地熱儲.回灌有時單靠重力即可實現,因為較涼和密度較大的地熱廢水具有較高的重力壓頭.如果資源屬于以液體水為主的性質,則流體尚可以在分離器(閃蒸器)壓力下回灌,或者在一次換熱器(雙工質系統)地熱流體壓力下回灌.

 

  對地熱儲回灌的可行性評價要考慮以下幾個重要方面:①最優地點的選擇;②鉆井和井孔運行費用與其他排放方法費用之比較;③某一速率回灌所要求的壓力,以及回灌量隨時間的衰減等運行方面的問題.

 

  回灌系統的設計應能使回灌井和生產井間的走行路徑和流動時間實現最大化,只有這樣才能防止生產層的水發生快速冷卻.同時,水又應當充分地注入生產熱儲,以盡量減小熱儲壓力的衰減.確定最優回灌方案的關鍵因素是熱儲水溫和滲透率的空間變化.熱儲地質對回灌的適應是需要研究的問題.熱儲必須有一個能夠阻止廢水向上流動并污染地下水含水層的不透水的蓋巖層.如果存在破碎帶或者斷裂,廢水就會向上流動并產生污染.

 

  由于廢水和地層、廢水和熱儲流體之間存在相互作用,回灌井周圍的孔隙空間就有可能出現各種類型的堵塞.引起結垢和堵塞的原因有:二氧化硅和硅酸鹽類的沉淀和聚合;堿土類發生不溶性碳酸鹽、硫酸鹽和氫氧化物形式的沉淀;重金屬發生硫化物形式的沉淀;氧化還原反應沉淀,如鐵的化合物等.所以,在建立回灌井之前都會進行實驗性生產,需要進行示蹤劑試驗,并對地熱田進行全面的監測.

 

  影響回灌系統投資費用的因素有:井孔與管道的直徑、所需要的泵送系統、井孔深度、井孔數量以及回灌區的水文和地質情況等.在地質建造既定的情況下,回灌井的鉆井成本隨其深度的延伸而增加.運行和維修費用由井口設備、管道、泵的運行和定期維修的費用支出等組成.

 

  3·2 地熱田的腐蝕

 

  地熱流體中含有許多化學物質,其中主要的腐蝕介質有溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2-4,再加上流體的溫度、流速、壓力等因素的影響,地熱流體對各金屬表面都會產生不同程度的影響,直接影響設備的使用壽命.地熱電站腐蝕嚴重的部位多集中于負壓系統,其次是汽封片、冷油器、閥門等.腐蝕速度最快的是射水泵葉輪、軸套和密封圈.

 

  常見的防腐措施如下:①使用耐腐蝕的材料,采用不銹鋼材質的設備及部件,但這種措施往往成本較高.②對腐蝕部件的金屬表面涂敷防腐涂料,但涂層一旦劃破,會加速金屬材料的腐蝕.③采取相應的密封措施,防止空氣中的氧進入系統.④針對不同類型的局部腐蝕采取相應的防腐措施,例如選材時應盡量避免異種金屬相互接觸,以避免電偶腐蝕.

 

  3·3 地熱田的結垢

 

  由于地熱水資源中礦物質含量比較高,在抽到地面做功的過程中,溫度和壓力會均發生很大的變化,進而影響到各種礦物質的溶解度,結果導致礦物質從水中析出產生沉淀結垢.如在井管內結垢,會影響地熱流體的采量,加大管道內的流動阻力進而增加能耗;如換熱表面結垢,則會增加傳熱阻力;垢層不完整處還會造成垢下腐蝕.

 

  常用的防止或清除結垢的措施有:①用HCl和HF等溶解水垢,為了防止酸液對管材 的腐蝕必須加入緩蝕劑;②采用間接利用地熱水的方式,在生產井的出水與機組的循環水之間加1個鈦板換熱器,可以有效防止做功部件腐蝕和結垢,但造價很高;③采用深水泵或潛水泵輸送井中的流體,使其在系統中保持足夠的壓力,在流體上升過程和輸送過程中不發生氣化現象,從而防止碳酸鈣沉積;④選擇合適的材料涂襯在管壁內,以防止管壁上結垢.

 

  4 地熱電站設計標準的編制

 

  為了指導規范我國地熱電站的建設工作,國家建設部委托中國電力工程顧問集團公司西南電力設計院編制了國家標準《地熱電站設計規范》(GB 50227).這部國家標準對地熱電站的建設規模、站址選擇、總體規劃以及具體技術做了規劃.目前,這部標準已完成了送審稿審查工作.這部標準的頒布,將會對提高國內行業設計院地熱電站設計的整體水平,對地熱電站項目建設的規范化、標準化以及全面達到地熱發電項目的最佳節能、資源合理配置、提高工作效率等起到積極的促進作用.該《地熱電站設計規范》主要適用于單機容量為12MW及以下新建、擴建和改建的地熱電站的設計.

 

  近幾年在能源短缺的情況下,地熱資源越來越受到人們的重視,地熱發電量也逐年增加,因此探索新的高溫熱田,完善地熱發電技術,是當今新能源技術領域中的重要環節.