地熱資源發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展方向

  1 前言

 

  地熱能是封閉在地殼中距地表足夠近的距離內，并可被經(jīng)濟開(kāi)采的天然熱能。地熱能用于發(fā)電最早是從1904 年意大利的拉德瑞羅地區的干蒸汽地熱田開(kāi)始的[1]。截至2007 年，世界地熱發(fā)電裝機容量達到9732MW[2]，其中美國地熱發(fā)電裝機容量為2228MW，排名世界第一位。地熱發(fā)電量占全國發(fā)電總量比例最高的國家是冰島，2005 年底的統計數據表明，地熱發(fā)電量占到冰島全國發(fā)電總量的19.1%[3]。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。

 

  2012 年初，中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì )發(fā)布《中國新能源發(fā)電發(fā)展研究報告》[4]， 報告中明確指出：“積極促進(jìn)新能源發(fā)電，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等，節約和代替部分化石能源，是保障我國優(yōu)化能源結構、促進(jìn)國家經(jīng)濟與社會(huì )可持續發(fā)展的戰略選擇”。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。

 

  中國電力建設工程咨詢(xún)公司與黑龍江聚源能源有限公司合作，開(kāi)發(fā)黑龍江省牡丹江市海林地區秦家地熱田綜合項目。該項目主要包括地熱發(fā)電、地熱水供暖、溫泉旅游、地熱水養殖等。海林秦家地熱田地熱能儲量豐富，屬于中高溫地熱田，計劃裝機規模為2×3MW，一期工程建設一臺3MW 的地熱發(fā)電機組[6]。

 

  地熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)過(guò)近百年的發(fā)展，種類(lèi)多種多樣，主要包括干蒸汽發(fā)電、擴容式蒸汽發(fā)電、雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電和卡琳娜循環(huán)發(fā)電等。本文針對上述地熱發(fā)電技術(shù)，從熱源匹配、發(fā)電效率、腐蝕結垢、技術(shù)經(jīng)濟等方面進(jìn)行分析比較，同時(shí)介紹了地熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。

 

  2 地熱發(fā)電技術(shù)及特點(diǎn)

 

  2.1 干蒸汽發(fā)電技術(shù)

 

  干蒸汽就是從地下噴出的具有一定過(guò)熱度的蒸汽。干蒸汽發(fā)電技術(shù)就是將干蒸汽從井引出，除去固體雜質(zhì)后直接傳輸到汽輪發(fā)電機組進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電系統如圖1 所示。

 

  干蒸汽發(fā)電技術(shù)的循環(huán)效率可以達到20%以上，是一種性能良好的地熱發(fā)電技術(shù)，所使用的發(fā)電設備與常規火電設備基本相同。但是干蒸汽發(fā)電技術(shù)對地熱資源參數要求較高，地熱溫度必須達到250℃以上，同時(shí)要保證有足夠的地壓，使得地下的蒸汽可以順利地噴出，因此該技術(shù)適用于高溫地熱田。我國西藏羊八井電站的2 號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。目前正在建設的以干蒸汽發(fā)電技術(shù)為主的電廠(chǎng)在印度尼西亞，裝機容量為6×3MW， 采用青島汽輪機廠(chǎng)生產(chǎn)的地熱發(fā)電機組。

 

  2.2 擴容式發(fā)電技術(shù)

 

  在目前探明的地熱資源中，以中高溫(130℃<t<250℃)地熱資源為主，它是地熱發(fā)電領(lǐng)域主要的研究對象。這一類(lèi)地熱資源所提供的大多是汽水混合物，其中蒸汽量較小，適宜采用擴容式發(fā)電技術(shù)。

 

  在擴容式發(fā)電技術(shù)中，井下帶有一定壓力的汽水混合物或熱水被引至地面后，首先進(jìn)入一級擴容器，地熱水中攜帶的蒸汽及少部分由第一級減壓產(chǎn)生的蒸汽直接進(jìn)入汽輪機做功，其余的地熱水進(jìn)入二級擴容器。在二級擴容器中，由于減壓作用，擴容器內的壓力小于此時(shí)地熱水溫度所對應的飽和壓力，部分地熱水將汽化形成蒸汽，再引入汽輪機做功。這種利用減壓方法產(chǎn)生蒸汽來(lái)發(fā)電的技術(shù)稱(chēng)為擴容式蒸汽發(fā)電技術(shù)，它包括一級擴容和二級擴容(見(jiàn)圖2)兩種方式。

 

  擴容式發(fā)電技術(shù)采用汽水混合物或地熱水進(jìn)行發(fā)電，循環(huán)效率略低于干蒸汽發(fā)電技術(shù)，一級擴容系統循環(huán)效率約為12%～15%， 二級擴容系統約15%～20%。西藏羊八井地熱電站的3～9 號機組主要采用擴容式發(fā)電技術(shù)， 一級進(jìn)汽壓力0.65MPa，蒸汽流量22.7t/h； 二級進(jìn)汽壓力0.45MPa， 蒸汽流量22.6t/h。

 

  擴容式發(fā)電技術(shù)設備簡(jiǎn)單，易于制造， 運行維護方便。由于存在減壓過(guò)程，對于地熱水的礦化度和不凝結氣體含量均有較高的要求，否則易產(chǎn)生結垢和腐蝕。目前，擴容式發(fā)電技術(shù)已在地熱發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應用，尤其是中高溫地熱田。肯尼亞政府2012 年2 月20 日宣布，將于近期投資120 億美元，建設6 座地熱電站，主要是采用擴容式地熱發(fā)電機組。

 

  2.3 雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)

 

  中低溫(t<130℃)地熱資源在目前已探明的地熱資源中占有較大的比例，其中溫度在90℃左右的地熱資源約占這類(lèi)資源總量的90%。溫度較低的地熱水要想通過(guò)擴容方式形成蒸汽，需要將壓力降至大氣壓以下，整個(gè)系統形成負壓，這給系統運行和設備帶來(lái)很大困難。針對這一類(lèi)型的地熱資源，雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)是較為適用的。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。

 

  雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電方式的特點(diǎn)是地熱水與發(fā)電系統不直接接觸，而是將地熱水的熱量傳遞給某種低沸點(diǎn)介質(zhì)(如丁烷、氟利昂等)，這些工質(zhì)蒸發(fā)后形成具有一定壓力的蒸氣，由低沸點(diǎn)介質(zhì)推動(dòng)汽輪機來(lái)發(fā)電。這種發(fā)電方式由地熱水系統和低沸點(diǎn)工質(zhì)系統組成，故稱(chēng)為雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)，發(fā)電系統如圖3 所示。

 

  雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術(shù)的循環(huán)方式依然是朗肯循環(huán)，與蒸汽朗肯循環(huán)的區別在于它采用低沸點(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。整個(gè)系統的循環(huán)效率較擴容式蒸汽發(fā)電技術(shù)提高20%～30%。但地熱水系統和低沸點(diǎn)工質(zhì)系統并行的方式增加了發(fā)電系統的復雜性，也增加了投資和運行成本。同時(shí)，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。

 

  2.4 卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)

 

  卡琳娜循環(huán)是區別于常規朗肯循環(huán)的一種新的熱力循環(huán)，采用氨和水的混合物作為工質(zhì)，這種混合工質(zhì)的沸點(diǎn)是變化的，隨著(zhù)氨與水比例的變化而變化[10]。當熱源參數發(fā)生變化時(shí)，只需要調整氨和水的比例即可達到最佳的循環(huán)效果。工質(zhì)的升溫曲線(xiàn)更接近于熱源的降溫曲線(xiàn)，盡可能地降低傳熱溫差，減少傳熱過(guò)程中系統的熵增，提高循環(huán)效率。

 

  由于卡琳娜循環(huán)的這個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)，使它在中低溫地熱發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的應用。目前的工業(yè)化應用表明，卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)的循環(huán)效率比朗肯循環(huán)的效率高20%～50%。圖4 為卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統示意圖。

 

  地熱水在除去固體雜質(zhì)后進(jìn)入換熱器，將熱能傳遞給氨和水的混合物。氨和水的混合物吸熱后蒸發(fā)汽化，汽液分離后，蒸汽被送入汽輪發(fā)電機膨脹做功， 液體在與冷凝后的工質(zhì)換熱后自流至凝汽器。做功后的工質(zhì)被送入冷凝器凝結，經(jīng)循環(huán)泵送往換熱器。在墨西哥Maguarichic 油田，一套以油氣井中溫熱的廢水副產(chǎn)物為熱源， 容量為1MW 的試驗機組已于2009 年投用。

 

  卡琳娜循環(huán)采用無(wú)固定沸點(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)發(fā)電，換熱溫差減??；工質(zhì)熱容量不受溫度的影響，循環(huán)效率大大提高，地熱水能量得到充分利用。但是由于其采用液態(tài)氨作為循環(huán)工質(zhì)，對系統的密封性有較高的要求，同時(shí)工質(zhì)儲存和使用過(guò)程中對環(huán)境將造成一定的影響，在電站建設過(guò)程中要注意加強環(huán)評工作。

 

  2.5 地熱發(fā)電技術(shù)的對比分析

 

  4 種地熱發(fā)電技術(shù)的對比分析見(jiàn)表1。對于具體的地熱資源，需要從地熱溫度、地熱總儲量、地熱水品質(zhì)等方面， 結合發(fā)電效率、運行維護、設備投資、環(huán)境保護等因素綜合考慮，進(jìn)而確定適合該地熱資源的具體的發(fā)電技術(shù)路線(xiàn)。

 

  3 地熱發(fā)電的優(yōu)越性及存在的問(wèn)題

 

  3.1 地熱發(fā)電的優(yōu)越性

 

  利用地熱能發(fā)電，熱源來(lái)自地球內部， 不需要外加燃料，可以大量節約化石燃料，還可有效減少二氧化碳等溫室氣體的排放。以一臺3000kW 的地熱發(fā)電機組為例， 每年可減排二氧化碳1.45×104t，對于發(fā)展低碳經(jīng)濟具有積極的意義。同時(shí)，地熱發(fā)電不會(huì )產(chǎn)生NOx和SOx等污染性氣體，有利于保護環(huán)境，符合國家發(fā)展清潔能源、實(shí)現可持續發(fā)展的戰略。另外，地熱發(fā)電可以實(shí)現較好的經(jīng)濟效益?？梢?jiàn)，地熱發(fā)電是一種低碳、清潔、環(huán)保、高利潤的發(fā)電技術(shù)。

 

  3.2 地熱發(fā)電存在的問(wèn)題

 

  ① 地熱資源量的勘探。中國是世界上地熱資源較為豐富的國家之一，目前全國已勘探的地熱田有103 處，但實(shí)際投入發(fā)電運行的僅有西藏羊八井1 處，其余熱田因儲量或熱田參數等原因不能長(cháng)期提供熱源。因此，在地熱發(fā)電項目開(kāi)發(fā)中，地熱流體參數及地熱田儲量的勘探成為決定地熱田發(fā)電的關(guān)鍵因素。需要大力發(fā)展地熱勘探技術(shù)，快速、高效地探明地熱溫度、流量及熱田的地熱總儲量，為地熱發(fā)電打下堅實(shí)的基礎。

 

  ② 結垢。地熱水的總含鹽量在0.1%～4%之間， 主要的礦物種類(lèi)有碳酸鈣、二氧化硅、硅酸鹽等。碳酸鈣和二氧化硅的沉淀對工質(zhì)的壓力和溫度特別敏感，在發(fā)電做功過(guò)程中，地熱水的溫度和壓力均會(huì )發(fā)生很大變化，進(jìn)而影響到各種礦物質(zhì)的溶解度，導致礦物質(zhì)從水中析出產(chǎn)生沉淀結垢[11]。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； 垢層破損處還會(huì )造成垢下腐蝕。

 

  需要加強對地熱水化學(xué)成分的監測，防止因結垢造成地熱井或發(fā)電設備失效。

 

  ③ 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)包括溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2，再加上流體的溫度、流速、壓力等因素的影響，地熱流體對各種金屬表面都會(huì )產(chǎn)生不同程度的腐蝕，直接影響設備的使用壽命。例如，咸陽(yáng)市的某地熱水利用工程，采用碳鋼指示片掛片試驗計算腐蝕速率，試驗結果為0.76mm/a。隨著(zhù)發(fā)電系統工質(zhì)壓力的下降， 水中的腐蝕性氣體大量析出，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。需要采用專(zhuān)項防腐措施，保證發(fā)電設備的安全、高效運行。

 

  4 地熱發(fā)電的發(fā)展方向

 

  4.1 聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電技術(shù)

 

  單一的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)循環(huán)效率較低，僅為20%以下；尾水排放溫度較高，一般在100℃以上，地熱能利用不夠充分。雙工質(zhì)循環(huán)和卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)系統較為復雜， 涉及到兩套工質(zhì)系統，但循環(huán)效率高， 尾水排放溫度可以降至60℃以下。

 

  在未來(lái)的地熱發(fā)電技術(shù)中，可以采用聯(lián)合循環(huán)的方式。在地熱水的高溫階段，采用擴容式蒸汽發(fā)電系統，利用地熱能的高溫部分；在地熱水溫度不能滿(mǎn)足擴容發(fā)電方式運行條件時(shí)，采用雙工質(zhì)循環(huán)或卡琳娜循環(huán)技術(shù)，充分利用地熱能的低溫部分，最大限度地提高地熱發(fā)電循環(huán)的效率。土耳其Kizildere地熱電站在采用擴容系統的基礎上，聯(lián)合使用雙工質(zhì)循環(huán)技術(shù)進(jìn)行試驗機組的研究， 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。

 

  另外，還可以將地熱發(fā)電與太陽(yáng)能熱利用相結合。在雙工質(zhì)循環(huán)或卡琳娜循環(huán)中，在低溫地熱水的熱交換階段引入太陽(yáng)能熱利用方式，克服地熱水溫度較低、能源品位較差的弱點(diǎn)，提高循環(huán)效率。目前，這種技術(shù)已經(jīng)在美國、智利等國家開(kāi)展了實(shí)驗室研究。

 

  4.2 低溫地熱資源發(fā)電技術(shù)

 

  在已探明的地熱資源中，存在著(zhù)大量的低溫地熱資源(溫度一般在90℃左右)，目前主要的利用方式為溫泉和部分供暖?？漳妊h(huán)在低溫地熱資源應用領(lǐng)域中有其獨特的優(yōu)越性，通過(guò)調整氨和水的比例，可以適應低溫地熱水的發(fā)電特性?？漳妊h(huán)已經(jīng)成功應用于日本Sumitomo 煉鋼廠(chǎng)的冷卻水余熱發(fā)電，水溫95℃，裝機容量3.5MW。另外，在上海世博會(huì )工業(yè)館中，建有一臺卡琳娜循環(huán)發(fā)電試驗機組，利用流量為1t/h、溫度為98℃的熱水，每小時(shí)可發(fā)電3kW?？漳妊h(huán)為低溫地熱資源發(fā)電開(kāi)辟了一個(gè)新的天地。

 

  4.3 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[13]。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，如圖5 所示。干熱巖的熱能是通過(guò)人工注水的方式加以利用， 幾乎完全擺脫了外界的干擾。作為一種新型地熱資源，干熱巖具有很高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

 

  據《中國科技信息》2012 年初報道，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。我國對開(kāi)發(fā)利用潛力巨大的干熱巖卻沒(méi)有給予足夠的重視，僅有少數可研單位參與了部分的國際合作研究，目前國內干熱巖的研究和開(kāi)發(fā)工作尚處于空白。需要加強對干熱巖資源的研究、勘探和開(kāi)發(fā)工作。

 

  4.4 利用中深層地熱資源發(fā)電

 

  地殼內蘊含著(zhù)大量的現代巖漿，這部分巖漿在向上運動(dòng)過(guò)程中，與中深層地下水耦合形成優(yōu)良的中深層地熱資源，主要存在于距地面3~10km 范圍內，地熱溫度可達到200℃。與目前開(kāi)發(fā)的淺層地熱能相比，中深層地熱能的儲量要大很多。同時(shí)，中深層地熱能與中深層地下水耦合， 地熱水來(lái)源豐富，回灌要求較低。中深層地下水礦化度較低，為地熱資源的利用提供了便利條件。目前我國已在松遼盆地—長(cháng)白山沿線(xiàn)勘探出大量的中深層地熱資源。

 

  5 結語(yǔ)

 

  ① 地熱資源是一種清潔無(wú)污染、可再生的新型能源，對于發(fā)展低碳經(jīng)濟、實(shí)現可持續發(fā)展具有積極的作用。

 

  ② 在目前的地熱發(fā)電技術(shù)中， 應用較為廣泛的是擴容式蒸汽發(fā)電技術(shù)，其系統簡(jiǎn)單，地熱參數要求低。在低溫地熱資源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，雙工質(zhì)循環(huán)和卡琳娜循環(huán)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

 

  ③ 新型的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是地熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。在淺層地熱能得到大規模開(kāi)發(fā)后，中深層地熱資源和干熱巖資源將成為地熱發(fā)電技術(shù)新的資源。在地熱發(fā)電技術(shù)下一步的發(fā)展過(guò)程中，應注重中深層地熱資源和干熱巖資源的開(kāi)發(fā)。