20世紀地熱利用技術(shù)的變遷—地熱發(fā)電

  一、地熱發(fā)電現狀 1,地熱發(fā)電特征 地熱發(fā)電是火力發(fā)電的一種,一般的火力發(fā)電為了產(chǎn)生蒸汽而使用鍋爐設備,而地熱發(fā)電則是利用地下深部的天然蒸汽。所以,地熱發(fā)電不需要化石燃料,從這一點(diǎn)來(lái)看,具有一定的經(jīng)濟價(jià)值。 從世界范圍內的環(huán)境保護來(lái)看,它和原子能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電一樣,二氧化碳的排出量很少,屬于清潔型能源。 和通常的火力發(fā)電相比較,它的必要條件容易達到,如1999年7月開(kāi)始運行的最新研制成的100〔104kW燃煤成套設備———松蒲火力發(fā)電站2號渦輪機運作溫度、壓力是:593℃、246kg/cm2;而地熱發(fā)電中,在渦輪入口輪的蒸汽條件下,最高也就是250℃、24kg/cm2。所以,與前者火力發(fā)電效率30%40%相比,地熱發(fā)電效率可達90%左右。 火力發(fā)電為了在渦輪出口處降 低壓力,需用冷卻劑在出口處強制 的冷卻,故需大量的冷卻水,也就是說(shuō)需用7%的自發(fā)電力來(lái)維護這個(gè)發(fā)電裝置的正常運行,與一般發(fā)電站相比,它具有十分重要的經(jīng)濟價(jià)值。 盡管地熱發(fā)電具有很多優(yōu)點(diǎn),但它也有不足之處:

 

  (1)地熱發(fā)電不能像火力發(fā)電那樣自由使用鍋爐,原因是不能把鍋爐放入地下儲層內進(jìn)行自由設計。

 

  (2)因地熱流體中含有大量的 腐蝕性成分,故套管、渦輪等設備需要昂貴的耐腐蝕材料。 今后一般的火力發(fā)電技術(shù)如再有所提高的話(huà),效率則會(huì )有更大的提高。但是,地熱發(fā)電是以天然的“地下鍋爐”為對象,利用上述優(yōu)點(diǎn),克服缺點(diǎn),為減少天然的“地下鍋爐”的不確定性,有效開(kāi)發(fā)出具有更高效率提取地下地熱資源的新技術(shù),是迫在眉睫的問(wèn)題。 2,發(fā)電站發(fā)電方式 除了極特殊的方式之外,大致可以分為以下幾種: (1)蒸汽發(fā)電(背壓式、復水式) 蒸汽發(fā)電中,背壓式是把地熱蒸汽渦輪出口處的壓力變?yōu)榇髿鈮?復水式是把它強制冷卻到大氣壓以下。 (2)流動(dòng)式(單向流動(dòng)、雙向流動(dòng)) 流動(dòng)式是在地熱流體中,蒸汽直接用于蒸汽渦輪,熱水通過(guò)自動(dòng)控制裝置,降低壓力分離出蒸汽成分,再把分離出的蒸汽用于蒸汽渦 輪低壓段。根據自動(dòng)控制裝置可以把分離通過(guò)幾個(gè)階段進(jìn)行,因此就有單向流和雙向流的不同。

 

  (3)二元循環(huán)發(fā)電 與流動(dòng)式不同(相對),循環(huán)發(fā)電不把蒸汽作為研究對象,而是把熱水具有的熱能轉移給其他媒體,通過(guò)二次媒體進(jìn)行發(fā)電。 循環(huán)發(fā)電,在菲律賓、墨西哥是很常見(jiàn)的。從世界范圍看,日本地熱發(fā)電具有53〔104kW的發(fā)電規模。 3,地熱資源量 日本是地熱資源十分豐富的國家,把這些地熱用于發(fā)電,無(wú)論采用哪種方式發(fā)電都是可以考慮的。地熱資源量同礦物資源是一樣的,都受其經(jīng)濟性所制約,由于評價(jià)方法和評價(jià)人的不同,對資源量的預測也有很大差別。 在這里以宮崎所獲資源量來(lái)進(jìn)行說(shuō)明?，F在的地熱發(fā)電方式可采用蒸汽發(fā)電或流體動(dòng)力發(fā)電,下面就重力基底深度較淺的200℃以上高溫熱水系資源量來(lái)進(jìn)行論述。經(jīng)初步計算,把日本總面積的50%分成15小塊,把到200℃等溫面以下的重力基底深度的地熱資源量根據容積法求得。這樣,把儲層孔隙度設為15%,回收率設為25%,根據這些值的變化,相應的資源量也發(fā)生變化。若根據這種假設,適合于現在的地熱發(fā)電方式的總熱量是10.1〔1018J,換算成發(fā)電量是582〔104kW〔30年。這個(gè)資源量大約是現在發(fā)電量的10倍。在日本,地熱井的深度有隨時(shí)間推移而逐年增加的趨勢。今后,重力基底深度(一般指從地表開(kāi)始的沉積巖厚度,這一厚度也因地而異,從2km到3km不等)1km以下作為開(kāi)發(fā)對象擴展開(kāi)來(lái),高溫熱水資源再加上述值,可以達到4342〔104kW〔30年。另一方面,在日本未利用的適合于150200℃的二元循環(huán)發(fā)電的地熱資源量估計值是1472〔104kW〔30年,如表1所示。表1敘述了用高溫巖體發(fā)電的資源量,在高溫巖體的初步計算中,淺部定義為巖基溫度200℃,深度3km;深部定義為35km。隨著(zhù)今后勘探技術(shù)的進(jìn)步,地熱資源量也會(huì )有所變化。

 

  二、21世紀地熱發(fā)電技術(shù) 1,高溫巖體發(fā)電技術(shù) 對于現在的地熱發(fā)電技術(shù),有必不可少的三個(gè)地下條件:儲集層、地熱、地下水。 在地下儲集層中有裂縫,周?chē)膸r體具有充分的熱量,同時(shí)具有把地下地熱傳到地表的媒體———水。其中,儲層、地下水能通過(guò)低溫物體(如15200℃范圍)根據二元循環(huán)方式發(fā)電,這充分利用了地下地熱資源。而與此相對,具有充分高的熱量,但是缺少儲層和地下水二個(gè)要素,可以通過(guò)高溫巖體發(fā)電方式進(jìn)行發(fā)電。這種發(fā)電方式的構想是于1970年美國新墨西哥州的洛斯-阿拉斯國立研究所研究員所提出的。這種高溫巖體發(fā)電方式如圖1所示。深度在30004000m,溫度在200300℃高溫下,在滲透率低的花崗巖體中,通過(guò)注入高壓水,在2口井之間,制造一個(gè)斷裂帶群,作為人工儲層。在人工儲層 中,其中1口井作為注水井,另1口井作為生產(chǎn)井。通過(guò)生產(chǎn)井,把高溫巖體具有的熱量通過(guò)熱水或蒸汽載體,把地下熱量帶到地面進(jìn)行發(fā)電。洛斯-阿拉斯國立研究所進(jìn)行了實(shí)驗,在實(shí)驗基地鉆2口井,其深度約為3000m,溫度約為200℃。1977年在世界上首次進(jìn)行了循環(huán)實(shí)驗,證實(shí)了這一方案的可行性。這一循環(huán)發(fā)電試驗進(jìn)行了286天,獲得了35005000kW的熱力資源。這些熱力資源換算成電相當于500kW,但在實(shí)際上還沒(méi)有進(jìn)行發(fā)電。沿著(zhù)這一成功的足跡,美國為了開(kāi)發(fā)大規模高溫巖體發(fā)電系統,開(kāi)始了第II期計劃。在第II期計劃中,在IEA(InternationalEnergyAgency:國際能源機構)協(xié)定基礎之下,日本和其他國家派研究所參加研究,但這個(gè)國際協(xié)定由于日本和其他國家的中途退出,現場(chǎng)實(shí)驗進(jìn)行到1996年。盡管如此,美國關(guān)于高溫巖體發(fā)電系統的開(kāi)發(fā)研究起到了開(kāi)路先鋒的作用。

 

  在日本有關(guān)高溫巖體的發(fā)電實(shí)驗是從1978年在岐阜縣上郡肘折 地區進(jìn)一步研究高溫巖體發(fā)電系統開(kāi)始的。與圖1所不同的是,它的注水井只有1口,而配置的生產(chǎn)井 是3口。像這樣具有多口井的高溫 巖體發(fā)電系統在世界上只有肘折存 在。1991年,在深度1800m、溫度250℃巖基中進(jìn)行了為期80天的循環(huán)實(shí)驗,熱力資源是8000kW,證實(shí)了能夠平穩地從高溫巖體中提取出熱量。在肘折地區,深2200m、溫度270℃的巖基中造了人工儲層。在利用前述1800m深儲層的同時(shí),計劃從2000年開(kāi)始,進(jìn)行更大規模的循環(huán)實(shí)驗。

 

  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,直接獲取那里的熱量。這一開(kāi)發(fā)研究,是美國于1975年在圣地亞研究所進(jìn)行的。這一方式在技術(shù)上是否可行,是否能把井鉆至高溫巖漿,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10201170℃的巖漿中,并深入巖漿29m,可就此也只是淺地表的個(gè)別情況,如果真正鉆到地下幾千米才鉆到巖漿,采用現有技術(shù)也是很難實(shí)現的。

 

  另外,從巖漿中提取熱量,只進(jìn)行了理論研究。

 

  三、結束語(yǔ) 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。有關(guān)地熱資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)還需更長(cháng)的時(shí)間,地熱資源無(wú)論從經(jīng)濟價(jià)值、資源量,還是從環(huán)境保護方面看,它具有一定的優(yōu)越性。從20世紀初到現在,地熱開(kāi)發(fā)及地熱發(fā)電技術(shù)克服了各種各樣的技術(shù)困難,高溫巖體發(fā)電、巖漿發(fā)電是需要我們在21世紀解決的問(wèn)題。