1 前言

 

  地熱能是封閉在地殼中距地表足夠近的距離內(nèi)，并可被經(jīng)濟開采的天然熱能。地熱能用于發(fā)電最早是從1904 年意大利的拉德瑞羅地區(qū)的干蒸汽地熱田開始的[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(tǒng)計數(shù)據(jù)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 年代開始，除西藏自治區(qū)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(guī)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：“積極促進新能源發(fā)電，包括太陽能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、海洋能等，節(jié)約和代替部分化石能源，是保障我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進國家經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇”。2007 年底的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國地熱能利用總量居世界首位， 達12604.6MW，但是發(fā)電裝機容量僅為29.17MW。結(jié)合國家新能源發(fā)電的政策方向，大力開展利用地熱能發(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公司與黑龍江聚源能源有限公司合作，開發(fā)黑龍江省牡丹江市海林地區(qū)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(yǎng)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(guī)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)電技術經(jīng)過近百年的發(fā)展，種類多種多樣，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，從熱源匹配、發(fā)電效率、腐蝕結(jié)垢、技術經(jīng)濟等方面進行分析比較，同時介紹了地熱發(fā)電技術的發(fā)展方向。

 

  2 地熱發(fā)電技術及特點

 

  2.1 干蒸汽發(fā)電技術

 

  干蒸汽就是從地下噴出的具有一定過熱度的蒸汽。干蒸汽發(fā)電技術就是將干蒸汽從井引出，除去固體雜質(zhì)后直接傳輸?shù)狡啺l(fā)電機組進行發(fā)電，其發(fā)電系統(tǒng)如圖1 所示。

 

  干蒸汽發(fā)電技術的循環(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，所使用的發(fā)電設備與常規(guī)火電設備基本相同。但是干蒸汽發(fā)電技術對地熱資源參數(shù)要求較高，地熱溫度必須達到250℃以上，同時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， 進汽壓力0.56MPa， 進汽溫度160℃，機組功率3MW。

 

  干蒸汽發(fā)電系統(tǒng)工藝簡單，技術成熟， 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)電技術為主的電廠在印度尼西亞，裝機容量為6×3MW， 采用青島汽輪機廠生產(chǎn)的地熱發(fā)電機組。

 

  2.2 擴容式發(fā)電技術

 

  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)電領域主要的研究對象。這一類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。

 

  在擴容式發(fā)電技術中，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)生的蒸汽直接進入汽輪機做功，其余的地熱水進入二級擴容器。在二級擴容器中，由于減壓作用，擴容器內(nèi)的壓力小于此時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)生蒸汽來發(fā)電的技術稱為擴容式蒸汽發(fā)電技術，它包括一級擴容和二級擴容(見圖2)兩種方式。

 

  擴容式發(fā)電技術采用汽水混合物或地熱水進行發(fā)電，循環(huán)效率略低于干蒸汽發(fā)電技術，一級擴容系統(tǒng)循環(huán)效率約為12%～15%， 二級擴容系統(tǒng)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， 一級進汽壓力0.65MPa，蒸汽流量22.7t/h； 二級進汽壓力0.45MPa， 蒸汽流量22.6t/h。

 

  擴容式發(fā)電技術設備簡單，易于制造， 運行維護方便。由于存在減壓過程，對于地熱水的礦化度和不凝結(jié)氣體含量均有較高的要求，否則易產(chǎn)生結(jié)垢和腐蝕。目前，擴容式發(fā)電技術已在地熱發(fā)電領域得到廣泛應用，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

 

  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資源總量的90%。溫度較低的地熱水要想通過擴容方式形成蒸汽，需要將壓力降至大氣壓以下，整個系統(tǒng)形成負壓，這給系統(tǒng)運行和設備帶來很大困難。針對這一類型的地熱資源，雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術是較為適用的。美國曾于1970年在阿拉斯加州的荒林地區(qū)采用74℃的溫泉水進行發(fā)電。

 

  雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電方式的特點是地熱水與發(fā)電系統(tǒng)不直接接觸，而是將地熱水的熱量傳遞給某種低沸點介質(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，由低沸點介質(zhì)推動汽輪機來發(fā)電。這種發(fā)電方式由地熱水系統(tǒng)和低沸點工質(zhì)系統(tǒng)組成，故稱為雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術，發(fā)電系統(tǒng)如圖3 所示。

 

  雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術的循環(huán)方式依然是朗肯循環(huán)，與蒸汽朗肯循環(huán)的區(qū)別在于它采用低沸點工質(zhì)作為熱能載體，可以充分利用地熱水的熱能進行發(fā)電，使得地熱資源得到充分利用。整個系統(tǒng)的循環(huán)效率較擴容式蒸汽發(fā)電技術提高20%～30%。但地熱水系統(tǒng)和低沸點工質(zhì)系統(tǒng)并行的方式增加了發(fā)電系統(tǒng)的復雜性，也增加了投資和運行成本。同時，低沸點工質(zhì)多數(shù)屬易燃易爆品，工質(zhì)的儲存和安全使用也是發(fā)電過程中需要重點關注的內(nèi)容。

 

  2.4 卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術

 

  卡琳娜循環(huán)是區(qū)別于常規(guī)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)的沸點是變化的，隨著氨與水比例的變化而變化[10]。當熱源參數(shù)發(fā)生變化時，只需要調(diào)整氨和水的比例即可達到最佳的循環(huán)效果。工質(zhì)的升溫曲線更接近于熱源的降溫曲線，盡可能地降低傳熱溫差，減少傳熱過程中系統(tǒng)的熵增，提高循環(huán)效率。

 

  由于卡琳娜循環(huán)的這個顯著的特點，使它在中低溫地熱發(fā)電領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(tǒng)示意圖。

 

  地熱水在除去固體雜質(zhì)后進入換熱器，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(jié)，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)采用無固定沸點工質(zhì)進行循環(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(tǒng)的密封性有較高的要求，同時工質(zhì)儲存和使用過程中對環(huán)境將造成一定的影響，在電站建設過程中要注意加強環(huán)評工作。

 

  2.5 地熱發(fā)電技術的對比分析

 

  4 種地熱發(fā)電技術的對比分析見表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(jié)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，進而確定適合該地熱資源的具體的發(fā)電技術路線。

 

  3 地熱發(fā)電的優(yōu)越性及存在的問題

 

  3.1 地熱發(fā)電的優(yōu)越性

 

  利用地熱能發(fā)電，熱源來自地球內(nèi)部， 不需要外加燃料，可以大量節(jié)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，地熱發(fā)電不會產(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、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。另外，地熱發(fā)電可以實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益?？梢?，地熱發(fā)電是一種低碳、清潔、環(huán)保、高利潤的發(fā)電技術。

 

  3.2 地熱發(fā)電存在的問題

 

  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(shù)等原因不能長期提供熱源。因此，在地熱發(fā)電項目開發(fā)中，地熱流體參數(shù)及地熱田儲量的勘探成為決定地熱田發(fā)電的關鍵因素。需要大力發(fā)展地熱勘探技術，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)電打下堅實的基礎。

 

  ② 結(jié)垢。地熱水的總含鹽量在0.1%～4%之間， 主要的礦物種類有碳酸鈣、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)電做功過程中，地熱水的溫度和壓力均會發(fā)生很大變化，進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(jié)垢[11]。如在井管內(nèi)結(jié)垢，會影響地熱流體的采量，加大管道內(nèi)的流動阻力，進而增加能耗；如換熱表面結(jié)垢，則會增加傳熱阻力； 垢層破損處還會造成垢下腐蝕。

 

  需要加強對地熱水化學成分的監(jiān)測，防止因結(jié)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(jié)果為0.76mm/a。隨著發(fā)電系統(tǒng)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(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。需要采用專項防腐措施，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

 

  單一的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術循環(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)電技術系統(tǒng)較為復雜， 涉及到兩套工質(zhì)系統(tǒng)，但循環(huán)效率高， 尾水排放溫度可以降至60℃以下。

 

  在未來的地熱發(fā)電技術中，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(tǒng)，利用地熱能的高溫部分；在地熱水溫度不能滿足擴容發(fā)電方式運行條件時，采用雙工質(zhì)循環(huán)或卡琳娜循環(huán)技術，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(tǒng)的基礎上，聯(lián)合使用雙工質(zhì)循環(huán)技術進行試驗機組的研究， 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(tǒng)性能穩(wěn)定。

 

  另外，還可以將地熱發(fā)電與太陽能熱利用相結(jié)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能熱利用方式，克服地熱水溫度較低、能源品位較差的弱點，提高循環(huán)效率。目前，這種技術已經(jīng)在美國、智利等國家開展了實驗室研究。

 

  4.2 低溫地熱資源發(fā)電技術

 

  在已探明的地熱資源中，存在著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。卡琳娜循環(huán)在低溫地熱資源應用領域中有其獨特的優(yōu)越性，通過調(diào)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，每小時可發(fā)電3kW。卡琳娜循環(huán)為低溫地熱資源發(fā)電開辟了一個新的天地。

 

  4.3 干熱巖地熱發(fā)電技術

 

  干熱巖是指埋藏于地面1km 以下、溫度大于200℃、內(nèi)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)電技術就是開發(fā)利用干熱巖來抽取地下熱能，其原理是從地表由注入井往干熱巖中注入溫度較低的水，注入的水沿著裂隙運動并與周邊的巖石發(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發(fā)利用價值。

 

  據(jù)《中國科技信息》2012 年初報道，首座使用干熱巖技術發(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 個家庭提供30000kW 熱能和3000kW 電能。我國對開發(fā)利用潛力巨大的干熱巖卻沒有給予足夠的重視，僅有少數(shù)可研單位參與了部分的國際合作研究，目前國內(nèi)干熱巖的研究和開發(fā)工作尚處于空白。需要加強對干熱巖資源的研究、勘探和開發(fā)工作。

 

  4.4 利用中深層地熱資源發(fā)電

 

  地殼內(nèi)蘊含著大量的現(xiàn)代巖漿，這部分巖漿在向上運動過程中，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(nèi)，地熱溫度可達到200℃。與目前開發(fā)的淺層地熱能相比，中深層地熱能的儲量要大很多。同時，中深層地熱能與中深層地下水耦合， 地熱水來源豐富，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—長白山沿線勘探出大量的中深層地熱資源。

 

  5 結(jié)語

 

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

 

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

 

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