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地?zé)岚l(fā)電

地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及技術(shù)難題

  1 地?zé)岚l(fā)電現(xiàn)狀
 
  1913年,第一座裝機(jī)容量0·25 MW的地?zé)犭娬?/a>在意大利建成并運(yùn)行,標(biāo)志著商業(yè)性地?zé)岚l(fā)電的開端.目前世界最大的地?zé)犭娬?/a>是美國(guó)的蓋瑟爾斯地?zé)?/a>電站.其第一臺(tái)地?zé)?/a>發(fā)電機(jī)組(11MW)于1960年啟動(dòng),以后的10年中, 2#(13 MW)、3#(27 MW)和4#(27MW)機(jī)組相繼投入運(yùn)行. 20世紀(jì)70年代,共投產(chǎn)9臺(tái)機(jī)組, 80年代以后,又相繼投產(chǎn)一大批機(jī)組.其中除13#機(jī)組容量為135 MW外,其余多為110 MW機(jī)組.地?zé)?/a>發(fā)電至今已有近百年的歷史,而且有了較大規(guī)模的發(fā)展,可見地?zé)岚l(fā)電能夠可靠、安全和可持續(xù)性地運(yùn)行. 地?zé)岚l(fā)電在我國(guó)也有較大的發(fā)展. 1970年,廣東豐順建成第一座地?zé)犭娬?/a>,機(jī)組功率為0.1 MW.隨后,河北懷來、西藏羊八井等地也建了地?zé)犭娬?/a>.到目前為止,西藏羊八井地?zé)?/a>電站是我國(guó)最大、運(yùn)行最久的地?zé)?/a>電站,一直在安全、穩(wěn)定發(fā)電.羊八井地?zé)?/a>電站裝機(jī)容量已達(dá)到9臺(tái)共25·18MW,機(jī)組最大單 機(jī)容量為3MW等級(jí).目前,國(guó)內(nèi)可以獨(dú)立建 造30 MW以上規(guī)模的地?zé)犭娬?單機(jī)可以達(dá)到10 MW,截止到2007年,我國(guó)地?zé)?a href="http://www.rijz.cn/t/發(fā)電.html" >發(fā)電裝機(jī)容量為32MW.目前,羊八井電站還具有很大的開發(fā)潛力.同時(shí)羊八井地?zé)崽?/a>西南45km處的羊易地?zé)崽?/a>,也是一個(gè)亟待開發(fā)的高溫地?zé)?/a>田.另外,云南省的地?zé)豳Y源也十分豐富,如騰沖地區(qū)是中國(guó)大陸有名的高溫地?zé)?/a>區(qū),也是中國(guó)大陸?yīng)氁粺o二的火山熱區(qū),地質(zhì)普查顯示全區(qū)有27個(gè)高溫地?zé)崽?/a>,但卻沒有建成一座地?zé)岚l(fā)電站.
 
  據(jù)2005年世界地?zé)岽髸?huì)的統(tǒng)計(jì),世界上有24個(gè)國(guó)家建設(shè)了地?zé)岚l(fā)電站(2000年的統(tǒng)計(jì)為19個(gè)國(guó)家),世界地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量為8 900MW,目前運(yùn)行容量為8 000MW.該數(shù)據(jù)比2000年增長(zhǎng)了12%. 2003年地?zé)岚l(fā)電總量為57 000 GW·h,比2000年增長(zhǎng)了15%,預(yù)測(cè)至2010年,有望達(dá)到10 815MW的總裝機(jī)容量.美國(guó)地?zé)岚l(fā)電能力已經(jīng)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(jīng)排在第四位;其次是意大利、日本、新西蘭,我國(guó)排名第15位.
 
  2 地?zé)岚l(fā)電原理及技術(shù)
 
  地?zé)岚l(fā)電的過程就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程,原理和火力發(fā)電的基本原理是一樣的.所不同的是,地?zé)岚l(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?zé)崮?/a>.根據(jù)可利用地?zé)豳Y源的特點(diǎn)以及采用技術(shù)方案的不同,地?zé)岚l(fā)電主要分為地?zé)嵴羝?a href="http://www.rijz.cn/t/地下熱水.html" >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(jī)發(fā)電.工作原理:把干蒸汽從蒸汽井中引出,先加以凈化,經(jīng)過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(jī)組發(fā)電,排汽放空(或送熱用戶).這是最簡(jiǎn)單的發(fā)電方式,大多用于地?zé)嵴羝胁荒Y(jié)氣體含量很高的場(chǎng)合,或者綜合利用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水.
 
  2)凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電.為了提高地?zé)犭娬镜臋C(jī)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(tǒng)中,蒸汽在汽輪機(jī)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
 
 
  2)中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)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(diǎn)的工質(zhì),使之變?yōu)檎羝?然后以此蒸汽推動(dòng)氣輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電.在這種發(fā)電系統(tǒng)中采用2種流體,一種是以地?zé)崃黧w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(nèi)由于吸收了地?zé)崴?/a>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(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電.做完功后的蒸汽,由汽輪機(jī)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(jí)中間介質(zhì)法系統(tǒng)和雙級(jí)(或多級(jí))中間介質(zhì)法系統(tǒng).
 
  2·3 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電
 
  聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)就是把蒸汽發(fā)電和地?zé)崴?/a>發(fā)電2種系統(tǒng)合二為一,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是適用于高于150℃的高溫地?zé)崃黧w發(fā)電,經(jīng)過一次發(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(tǒng),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)過一次發(fā)電后的排放尾水進(jìn)行再利用,大大節(jié)約了資源.該機(jī)組目前已經(jīng)在一些國(guó)家安裝運(yùn)行,經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都很好.
 
  該系統(tǒng)從生產(chǎn)井到發(fā)電,再到最后回灌到熱儲(chǔ),整個(gè)過程都是在全封閉系統(tǒng)中運(yùn)行的,因此,即使是礦化程度很高的熱鹵水也可以用來發(fā)電,且不存在對(duì)環(huán)境的污染.同時(shí),由于系統(tǒng)是全封閉的,即使在地?zé)犭娬局幸矝]有刺鼻的硫化氫味道,因而是100%的環(huán)保型地?zé)嵯到y(tǒng).這種地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)采用100%的地?zé)崴毓?/a>,從而延長(zhǎng)了地?zé)崽?/a>的使用壽命.
  1)熱干巖過程法.與那些只從火山活動(dòng)頻繁地區(qū)的溫泉中提取熱能的方法相比,熱干巖過程法將不受地理?xiàng)l件限制,可以在任何地方進(jìn)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(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成電能.同時(shí)推動(dòng)汽輪機(jī)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?zé)岚l(fā)電的成本與其他再生能源的發(fā)電成本相比是有競(jìng)爭(zhēng)力的,而且這種方法在發(fā)電過程中不產(chǎn)生廢水、廢氣等污染,所以它是一種未來的新能源.
 
  2)巖漿發(fā)電.在現(xiàn)在的地?zé)岚l(fā)電中,地?zé)醿?chǔ)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(xiàn)有技術(shù)也是很難實(shí)現(xiàn)的.另外,對(duì)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?zé)岚l(fā)電的發(fā)展,即地?zé)崽?/a>的回灌、腐蝕和結(jié)垢.
 
  3·1 地?zé)崽锏?a href="http://www.rijz.cn/t/回灌.html" >回灌
 
  地?zé)崴?/a>中含有大量的有毒礦物質(zhì).例如我國(guó)羊八井的地?zé)崴泻辛?、汞、砷、氟等多種有害元素,地?zé)岚l(fā)電后大量的熱排水直接排放,會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響.地?zé)峄毓?/a>是把經(jīng)過利用的地熱流體或其他水源,通過地?zé)峄毓?/a>井重新注回熱儲(chǔ)層段的方法.回灌不僅可以很好地解決地?zé)釓U水問題,還可以改善或恢復(fù)熱儲(chǔ)的產(chǎn)熱能力,保持熱儲(chǔ)的流體壓力,維持地?zé)崽锏?a href="http://www.rijz.cn/t/開采.html" >開采條件.但回灌技術(shù)要求復(fù)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(huì)影響地?zé)犭娬镜牧㈨?xiàng)和發(fā)展.因此,地?zé)峄毓?/a>是亟需解決的關(guān)鍵問題.  如果地?zé)崃黧w是在開放系統(tǒng)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),可以用過濾裝置達(dá)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,最后通過回灌井注入地熱儲(chǔ).回灌有時(shí)單靠重力即可實(shí)現(xiàn),因?yàn)檩^涼和密度較大的地?zé)釓U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(tǒng))地?zé)崃黧w壓力下回灌.
 
  對(duì)地?zé)醿?chǔ)回灌的可行性評(píng)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(yùn)行費(fèi)用與其他排放方法費(fèi)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(yùn)行方面的問題.
 
  回灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)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(xiàn)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(yīng)當(dāng)充分地注入生產(chǎn)熱儲(chǔ),以盡量減小熱儲(chǔ)壓力的衰減.確定最優(yōu)回灌方案的關(guān)鍵因素是熱儲(chǔ)水溫和滲透率的空間變化.熱儲(chǔ)地質(zhì)對(duì)回灌的適應(yīng)是需要研究的問題.熱儲(chǔ)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(chǔ)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(xiàn)各種類型的堵塞.引起結(jié)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(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(yīng)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(yàn)性生產(chǎn),需要進(jìn)行示蹤劑試驗(yàn),并對(duì)地?zé)崽镞M(jìn)行全面的監(jiān)測(cè).
 
  影響回灌系統(tǒng)投資費(fèi)用的因素有:井孔與管道的直徑、所需要的泵送系統(tǒng)、井孔深度、井孔數(shù)量以及回灌區(qū)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(yùn)行和維修費(fèi)用由井口設(shè)備、管道、泵的運(yùn)行和定期維修的費(fèi)用支出等組成.
 
  3·2 地?zé)崽锏母g
 
  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(duì)各金屬表面都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響,直接影響設(shè)備的使用壽命.地?zé)犭娬靖g嚴(yán)重的部位多集中于負(fù)壓系統(tǒng),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(zhì)的設(shè)備及部件,但這種措施往往成本較高.②對(duì)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(yīng)的密封措施,防止空氣中的氧進(jìn)入系統(tǒng).④針對(duì)不同類型的局部腐蝕采取相應(yīng)的防腐措施,例如選材時(shí)應(yīng)盡量避免異種金屬相互接觸,以避免電偶腐蝕.
 
  3·3 地?zé)崽锏慕Y(jié)垢
 
  由于地?zé)崴Y源中礦物質(zhì)含量比較高,在抽到地面做功的過程中,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(jié)果導(dǎo)致礦物質(zhì)從水中析出產(chǎn)生沉淀結(jié)垢.如在井管內(nèi)結(jié)垢,會(huì)影響地?zé)崃黧w的采量,加大管道內(nèi)的流動(dòng)阻力進(jìn)而增加能耗;如換熱表面結(jié)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(jié)垢的措施有:①用HCl和HF等溶解水垢,為了防止酸液對(duì)管材 的腐蝕必須加入緩蝕劑;②采用間接利用地?zé)崴姆绞?在生產(chǎn)井的出水與機(jī)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(jié)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(tǒng)中保持足夠的壓力,在流體上升過程和輸送過程中不發(fā)生氣化現(xiàn)象,從而防止碳酸鈣沉積;④選擇合適的材料涂襯在管壁內(nèi),以防止管壁上結(jié)垢.
 
  4 地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的編制
 
  為了指導(dǎo)規(guī)范我國(guó)地?zé)犭娬镜慕ㄔO(shè)工作,國(guó)家建設(shè)部委托中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司西南電力設(shè)計(jì)院編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50227).這部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地?zé)犭娬镜慕ㄔO(shè)規(guī)模、站址選擇、總體規(guī)劃以及具體技術(shù)做了規(guī)劃.目前,這部標(biāo)準(zhǔn)已完成了送審稿審查工作.這部標(biāo)準(zhǔn)的頒布,將會(huì)對(duì)提高國(guó)內(nèi)行業(yè)設(shè)計(jì)院地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)的整體水平,對(duì)地?zé)犭娬卷?xiàng)目建設(shè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化以及全面達(dá)到地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目的最佳節(jié)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?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)規(guī)范》主要適用于單機(jī)容量為12MW及以下新建、擴(kuò)建和改建的地?zé)犭娬镜脑O(shè)計(jì).
 
  近幾年在能源短缺的情況下,地?zé)豳Y源越來越受到人們的重視,地?zé)岚l(fā)電量也逐年增加,因此探索新的高溫?zé)崽?完善地?zé)岚l(fā)電技術(shù),是當(dāng)今新能源技術(shù)領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié).