地熱發(fā)電技術(shù)及技術(shù)難題

  1 地熱發(fā)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(zhù)商業(yè)性地熱發(fā)電的開(kāi)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(fā)電機組(11MW)于1960年啟動(dòng),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(chǎn)9臺機組, 80年代以后,又相繼投產(chǎn)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(fā)電至今已有近百年的歷史,而且有了較大規模的發(fā)展,可見(jiàn)地熱發(fā)電能夠可靠、安全和可持續性地運行. 地熱發(fā)電在我國也有較大的發(fā)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(lái)、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(fā)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(fā)電裝機容量為32MW.目前,羊八井電站還具有很大的開(kāi)發(fā)潛力.同時(shí)羊八井地熱田西南45km處的羊易地熱田,也是一個(gè)亟待開(kāi)發(fā)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(wú)二的火山熱區,地質(zhì)普查顯示全區有27個(gè)高溫地熱田,但卻沒(méi)有建成一座地熱發(fā)電站.

 

  據2005年世界地熱大會(huì )的統計,世界上有24個(gè)國家建設了地熱發(fā)電站(2000年的統計為19個(gè)國家),世界地熱發(fā)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(cháng)了12%. 2003年地熱發(fā)電總量為57 000 GW·h,比2000年增長(cháng)了15%,預測至2010年,有望達到10 815MW的總裝機容量.美國地熱發(fā)電能力已經(jīng)超過(guò)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(lái)居上已經(jīng)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(fā)電原理及技術(shù)

 

  地熱發(fā)電的過(guò)程就是把地下熱能首先轉變?yōu)闄C械能,然后再把機械能轉變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程,原理和火力發(fā)電的基本原理是一樣的.所不同的是,地熱發(fā)電不像火力發(fā)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(diǎn)以及采用技術(shù)方案的不同,地熱發(fā)電主要分為地熱蒸汽、地下熱水、聯(lián)合循環(huán)和地下熱巖4種方式

 

  .                   1)背壓式汽輪機發(fā)電.工作原理:把干蒸汽從蒸汽井中引出,先加以?xún)艋?經(jīng)過(guò)分離器分離出所含的固體雜質(zhì),然后使蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機組發(fā)電,排汽放空(或送熱用戶(hù)).這是最簡(jiǎn)單的發(fā)電方式,大多用于地熱蒸汽中不凝結氣體含量很高的場(chǎng)合,或者綜合利用于工農業(yè)生產(chǎn)和生活用水.

 

  2)凝汽式汽輪機發(fā)電.為了提高地熱電站的機組輸出功率和發(fā)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(fā)電

 

  1)閃蒸地熱發(fā)電.工作原理:將地熱井口引來(lái)的地熱水,先送到閃蒸器中進(jìn)行降壓閃蒸(或稱(chēng)擴容),使其產(chǎn)生部分蒸汽,再引到常規汽輪機做功發(fā)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(huán)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(chǎn)生蒸汽來(lái)發(fā)電叫做閃蒸法地熱發(fā)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(shí),全熱力系統處于負壓狀態(tài).這種電站設備簡(jiǎn)單,易于制造,可以采用混合式熱交換器.缺點(diǎn)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(zhì),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(zhì)法地熱發(fā)電.工作原理:通過(guò)熱交換器利用地下熱水來(lái)加熱某種低沸點(diǎn)的工質(zhì),使之變?yōu)檎羝?然后以此蒸汽推動(dòng)氣輪機并帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電.在這種發(fā)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(fā)生器中被冷卻后排入環(huán)境或打入地下;另一種是以低沸點(diǎn)工質(zhì)流體作為工作介質(zhì)(如氟里昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷、氯丁烷等).這種工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器內由于吸收了地熱水放出的熱量而汽化,產(chǎn)生的低沸 點(diǎn)工質(zhì)蒸汽送入汽輪機發(fā)電機組發(fā)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(jīng)循環(huán)泵打回蒸汽發(fā)生器再循環(huán)工作.該方式分為單級中間介質(zhì)法系統和雙級(或多級)中間介質(zhì)法系統.

 

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

 

  2·3 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

 

  聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統就是把蒸汽發(fā)電和地熱水發(fā)電2種系統合二為一,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是適用于高于150℃的高溫地熱流體發(fā)電,經(jīng)過(guò)一次發(fā)電后的流體,在不低于120℃的工況下,再進(jìn)入雙工質(zhì)發(fā)電系統,進(jìn)行二次做功,充分利用了地熱流體的熱能,既提高了發(fā)電效率,又將經(jīng)過(guò)一次發(fā)電后的排放尾水進(jìn)行再利用,大大節約了資源.該機組目前已經(jīng)在一些國家安裝運行,經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都很好.

 

  該系統從生產(chǎn)井到發(fā)電,再到最后回灌到熱儲,整個(gè)過(guò)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(lái)發(fā)電,且不存在對環(huán)境的污染.同時(shí),由于系統是全封閉的,即使在地熱電站中也沒(méi)有刺鼻的硫化氫味道,因而是100%的環(huán)保型地熱系統.這種地熱發(fā)電系統采用100%的地熱水回灌,從而延長(cháng)了地熱田的使用壽命.

 

  2·4 利用地下熱巖石發(fā)電

 

  1)熱干巖過(guò)程法.與那些只從火山活動(dòng)頻繁地區的溫泉中提取熱能的方法相比,熱干巖過(guò)程法將不受地理條件限制,可以在任何地方進(jìn)行熱能開(kāi)采.首先將水通過(guò)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(guò)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(dòng)汽輪發(fā)電機將熱能轉化成電能.同時(shí)推動(dòng)汽輪機工作的熱水經(jīng)冷卻后可重新輸入地下供循環(huán)使用.這種地熱發(fā)電的成本與其他再生能源的發(fā)電成本相比是有競爭力的,而且這種方法在發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生廢水、廢氣等污染,所以它是一種未來(lái)的新能源.

 

  2)巖漿發(fā)電.在現在的地熱發(fā)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(fā)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(shù)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(jìn)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(gè)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(shù)也是很難實(shí)現的.另外,對從巖漿中提取熱量,目前也只是進(jìn)行了理論上的研究.                   3 需要解決的重大技術(shù)難題

 

  目前,有3個(gè)重大技術(shù)難題阻礙了地熱發(fā)電的發(fā)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(zhì).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(fā)電后大量的熱排水直接排放,會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響.地熱回灌是把經(jīng)過(guò)利用的地熱流體或其他水源,通過(guò)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(wèn)題,還可以改善或恢復熱儲的產(chǎn)熱能力,保持熱儲的流體壓力,維持地熱田的開(kāi)采條件.但回灌技術(shù)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(wèn)題,將會(huì )影響地熱電站的立項和發(fā)展.因此,地熱回灌是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題.  如果地熱流體是在開(kāi)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(zhì).有時(shí),可以用過(guò)濾裝置達到這一目的.為了減少腐蝕性,廢水可能還需要進(jìn)行化學(xué)或物理法脫氣,最后通過(guò)回灌井注入地熱儲.回灌有時(shí)單靠重力即可實(shí)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(zhì),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(zhì)系統)地熱流體壓力下回灌.

 

  對地熱儲回灌的可行性評價(jià)要考慮以下幾個(gè)重要方面:①最優(yōu)地點(diǎn)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(shí)間的衰減等運行方面的問(wèn)題.

 

  回灌系統的設計應能使回灌井和生產(chǎn)井間的走行路徑和流動(dòng)時(shí)間實(shí)現最大化,只有這樣才能防止生產(chǎn)層的水發(fā)生快速冷卻.同時(shí),水又應當充分地注入生產(chǎn)熱儲,以盡量減小熱儲壓力的衰減.確定最優(yōu)回灌方案的關(guān)鍵因素是熱儲水溫和滲透率的空間變化.熱儲地質(zhì)對回灌的適應是需要研究的問(wèn)題.熱儲必須有一個(gè)能夠阻止廢水向上流動(dòng)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(huì )向上流動(dòng)并產(chǎn)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?chē)目紫犊臻g就有可能出現各種類(lèi)型的堵塞.引起結垢和堵塞的原因有:二氧化硅和硅酸鹽類(lèi)的沉淀和聚合;堿土類(lèi)發(fā)生不溶性碳酸鹽、硫酸鹽和氫氧化物形式的沉淀;重金屬發(fā)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(huì )進(jìn)行實(shí)驗性生產(chǎn),需要進(jìn)行示蹤劑試驗,并對地熱田進(jìn)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(zhì)情況等.在地質(zhì)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(xué)物質(zhì),其中主要的腐蝕介質(zhì)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(huì )產(chǎn)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(mén)等.腐蝕速度最快的是射水泵葉輪、軸套和密封圈.

 

  常見(jiàn)的防腐措施如下:①使用耐腐蝕的材料,采用不銹鋼材質(zhì)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(huì )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(jìn)入系統.④針對不同類(lèi)型的局部腐蝕采取相應的防腐措施,例如選材時(shí)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(zhì)含量比較高,在抽到地面做功的過(guò)程中,溫度和壓力會(huì )均發(fā)生很大的變化,進(jìn)而影響到各種礦物質(zhì)的溶解度,結果導致礦物質(zhì)從水中析出產(chǎn)生沉淀結垢.如在井管內結垢,會(huì )影響地熱流體的采量,加大管道內的流動(dòng)阻力進(jìn)而增加能耗;如換熱表面結垢,則會(huì )增加傳熱阻力;垢層不完整處還會(huì )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(chǎn)井的出水與機組的循環(huán)水之間加1個(gè)鈦板換熱器,可以有效防止做功部件腐蝕和結垢,但造價(jià)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(guò)程和輸送過(guò)程中不發(fā)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(wèn)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(shù)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(huì )對提高國內行業(yè)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(fā)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(jìn)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(lái)越受到人們的重視,地熱發(fā)電量也逐年增加,因此探索新的高溫熱田,完善地熱發(fā)電技術(shù),是當今新能源技術(shù)領(lǐng)域中的重要環(huán)節.