國內外地熱資源發(fā)電技術(shù)發(fā)展現狀

  地熱資源是指在當前技術(shù)經(jīng)濟和地質(zhì)環(huán)境條件下，地殼內能夠科學(xué)、合理地開(kāi)發(fā)出來(lái)的巖石中的熱能量和地熱流體中的熱能量及其伴生的有用組分。地熱資源因儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩定性好、利用系數高等特點(diǎn)，成為具有競爭力的新能源。地熱資源因其穩定可靠、成本低廉、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐漸被各國所認識，開(kāi)發(fā)熱度逐年增加。地熱資源的利用方式主要有地熱發(fā)電和地熱直接使用。

 

  伴隨著(zhù)化石能源和電力成本的波動(dòng)，不斷上升的能源價(jià)格極大地影響了人們的日常生活，全世界都迫切需要開(kāi)發(fā)新能源來(lái)穩定不斷緊張的能源形勢，地熱資源提供了一個(gè)非常優(yōu)異的選擇。不同于煤炭及天然氣，地熱發(fā)電沒(méi)有任何隱藏的費用，例如土地退化、排放污染等，也不會(huì )對周?chē)鷧^域動(dòng)物和植物的生存環(huán)境造成破壞，更不會(huì )對人類(lèi)健康產(chǎn)生不良影響。此外，由于地熱能源是地區性自產(chǎn)的，其能夠有效地緩解對于國外能源的依賴(lài)，符合國家能源安全政策。據2010年世界地熱大會(huì )統計，全世界共有78個(gè)國家正在開(kāi)發(fā)利用地熱能技術(shù)，27個(gè)國家利用地熱發(fā)電，總裝機容量為10715MW，年發(fā)電67246GW·h，平均利用系數72%，美洲和亞洲分別占世界地熱發(fā)電總裝機容量的39.9%和35.1%。地熱資源的直接利用發(fā)展很快，全世界78個(gè)國家地熱能直接利用的設備總容量為48483MW，年利用熱能117778GW·h，平均利用系數28%。

 

  1地熱發(fā)電的發(fā)展

 

  利用地熱資源發(fā)電至今，已經(jīng)超過(guò)一百多年的歷史。1904年在意大利的拉德瑞羅，P.G.Conti國王建立了第一個(gè)能夠利用地熱蒸汽生產(chǎn)電力設備。1913年第一座裝機容量0.25MW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，1960年在美國加利福尼亞的蓋瑟爾斯（Geysrs），利用地熱干蒸汽生產(chǎn)出商業(yè)電能；1967年前蘇聯(lián)在帕拉唐卡（Paratunka）建成第一套雙工質(zhì)有機朗肯循環(huán)發(fā)電站，地熱水溫81℃，雙工質(zhì)采用制冷劑R12；1969年雙工質(zhì)有機朗肯循環(huán)地熱發(fā)電技術(shù)成功用于美國加利福尼亞州；1970年，我國在廣東豐順建成第一座地熱電站，機組功率0.1MW；我國最大運行最久的地熱電站—西藏羊八井地熱電站發(fā)電成功；2008年6月在法國的蘇爾蘇斯發(fā)世界上第一套增強地熱系統地熱發(fā)電裝置投人商業(yè)運行，系統應用二級單工質(zhì)循環(huán)。

 

  現在世界地熱發(fā)電已經(jīng)取得了較大規模的發(fā)展，2010年各國地熱發(fā)電廠(chǎng)正在運行主要有24個(gè)，全球電力裝機容量達到10715MW，年產(chǎn)生的電量達到67246GW·h，其中27%采用干蒸汽地熱發(fā)電，41%采用單工質(zhì)閃蒸方式，20%采用雙工質(zhì)閃蒸方式，1%采用背壓式汽輪機，11%采用ORC/聯(lián)合循環(huán)/混合方式。其中美國裝機容量最大（3093MW），然后是菲律賓、印度尼西亞、墨西哥、意大利。

 

  我國從20世紀70年代開(kāi)始，除西藏自治區以外，先后在廣東鄧屋、湖南灰湯、河北后郝窯、江西宜春、廣西象州、山東招遠、遼寧熊岳等地建立了地熱試驗機組，目前全國地熱發(fā)電總裝機容量為29.17MW，規模最大的是西藏羊八井地熱電站，裝機容量為25.18MW。但是，自1992到2001的10年中，幾乎沒(méi)有增加1個(gè)千瓦裝機，西藏那曲1MW機組雖在1993年建成，但屬聯(lián)合國開(kāi)發(fā)計劃署的無(wú)償援助。相反很多發(fā)展中國家諸如菲律賓、印度尼西亞、哥斯達黎加等國近10年地熱發(fā)電發(fā)展很快，裝機容量已經(jīng)大大地超過(guò)了我國，中國地熱發(fā)電停滯不前，主要原因有一下幾個(gè)方面。

 

  (1)地熱資源熱源差異：目前在我國尚未勘探到與淺成年輕的酸性侵人體有關(guān)的地熱系統。相反世界各國進(jìn)行商業(yè)性地熱發(fā)電的熱源，幾乎均與淺成年輕酸性侵人體有關(guān)，而且均屬具有高孔隙率、高滲透率的地質(zhì)環(huán)境中的水熱系統。時(shí)至今日，我國大陸已探明的高溫地熱田中，均不屬于這類(lèi)地熱系統。

 

  (2)地熱資源地域分布局限性：地熱能最大特點(diǎn)之一就是其出露位置受控于區域地質(zhì)構造，資源分布具有地域性。我國大陸惟一的藏滇高溫地熱帶主要分布在藏南、川西和滇西，上述地區均屬地勢高、人煙稀少、經(jīng)濟相對落后的偏遠高原及山區，這一地區同時(shí)也是我國水力資源富集區，相比之下當前的地熱電不但未能顯示出與水電相竟爭的優(yōu)勢，反而逐步被以水電為主的大電網(wǎng)夜蓋。

 

  (3)地熱資源勘探風(fēng)險性：通過(guò)目前我國高溫地熱鉆井的揭示，高溫熱儲與地質(zhì)構造密切相關(guān)。除羊八井淺層熱儲具有層狀分布特征外，西藏羊八井北區、羊易、獅泉河以及云南騰沖、洱源等地的鉆井資料顯示均為垂向熱儲(基巖裂隙或破碎帶)，這類(lèi)熱儲的勘查難度大、風(fēng)險高、成井率低。

 

  (4)體制問(wèn)題：地熱不同于其他新能源，在開(kāi)發(fā)前期需要投人大量資金用于勘探。從1986年以后，國家取消了這項勘探投資，風(fēng)險全部由開(kāi)發(fā)單位承擔。與此同時(shí)，國家也未即時(shí)出臺以市場(chǎng)機制為基礎的激勵政策，缺少保障資金合理開(kāi)發(fā)和有效利用的法規以及綜合規劃和相關(guān)部門(mén)間的協(xié)調機制。

 

  2007年底的統計數據表明，我國地熱能利用總量居世界首位，達12604.6MW，但是發(fā)電裝機容量?jì)H為29.17MW。結合我國國家新能源發(fā)電的政策方向，大力開(kāi)展利用地熱能發(fā)電是目前極有潛力的發(fā)展方向。

  2地熱發(fā)電原理及技術(shù)

 

  2.1地熱發(fā)電原理

 

  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。但地熱發(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，主要有干蒸汽發(fā)電技術(shù)、地下熱水發(fā)電技術(shù)、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、干熱巖地熱發(fā)電技術(shù)等。

 

  2.2地熱發(fā)電技術(shù)

 

  2.2.1干蒸汽發(fā)電技術(shù)

 

  干蒸汽發(fā)電系統工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，安全可靠，是高溫地熱田發(fā)電的主要形式。目前以干蒸汽發(fā)電技術(shù)為主的電廠(chǎng)在印度尼西亞，裝機容量為6x3MW，采用青島汽輪機廠(chǎng)一生產(chǎn)的地熱發(fā)電機組。另外我國西藏羊八井電站的2號機機組就是采用干蒸汽發(fā)電技術(shù)，進(jìn)汽壓力0.56MPa，進(jìn)汽溫度160℃，機組功率3MW。干蒸汽發(fā)電技術(shù)主要分為背壓式汽輪機發(fā)電技術(shù)和凝汽式汽輪機發(fā)電技術(shù)。

 

  背壓式汽輪機發(fā)電技術(shù)是把干蒸汽從蒸汽井中引出，先加以?xún)艋?，?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，排汽放空或者送熱給用戶(hù)。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。

 

  凝汽式汽輪機發(fā)電技術(shù)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，該系統結構簡(jiǎn)單，適用于高溫(160℃以上)地熱田的發(fā)電。2.2.2地下熱水發(fā)電技術(shù)閃蒸地熱發(fā)電是將地熱井口引來(lái)的地熱水，先送到閃蒸器中進(jìn)行降壓閃蒸，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。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。

 

  中間介質(zhì)法地熱發(fā)電是通過(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?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。

 

  美國曾于1970年在阿拉斯加州的荒林地區采用74℃的溫泉水進(jìn)行發(fā)電。這一系統的優(yōu)點(diǎn)是采用低沸點(diǎn)工質(zhì)作為熱能載體，可以充分利用地熱水的熱能進(jìn)行發(fā)電，使得地熱資源得到充分利用，但是增加了發(fā)電系統的復雜性，也增加了投資和運行成本，而且低沸點(diǎn)工質(zhì)多數屬易燃易爆品，工質(zhì)的儲存和安全使用也是發(fā)電過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內容。2.2.3聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)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。土耳其Kizildere地熱電站采用聯(lián)合循環(huán)技術(shù)進(jìn)行試驗機組研究，最大功率達到18.238kW，循環(huán)效率達到38.58%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統性能穩定。2.2.4干熱巖地熱發(fā)電技術(shù)干熱巖是指埋藏于地面1km以下、溫度大于200℃、內部不存在流體或僅有少量地下流體的巖體。干熱巖地熱發(fā)電技術(shù)就是開(kāi)發(fā)利用干熱巖來(lái)抽取地下熱能，其原理是從地表由注入井往干熱巖中注入溫度較低的水，注入的水沿著(zhù)裂隙運動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生高溫高壓超臨界水或水蒸氣混合物，然后從生產(chǎn)井提取高溫蒸汽，用于地熱發(fā)電。首座使用干熱巖技術(shù)發(fā)電的商用地熱發(fā)電站于2011年在瑞士城市巴塞爾建成，該電站能為周邊的5000個(gè)家庭提供30000kW熱能和3000kW電能。