地热发电技术及技术难题

  1 地热发电现状

 

  1913年,第一座装机容量0·25 MW的地热电站在意大利建成并运行,标志着商业性地热发电的开端.目前世界最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站.其第一台地热发电机组(11MW)于1960年启动,以后的10年中, 2#(13 MW)、3#(27 MW)和4#(27MW)机组相继投入运行. 20世纪70年代,共投产9台机组, 80年代以后,又相继投产一大批机组.其中除13#机组容量为135 MW外,其余多为110 MW机组.地热发电至今已有近百年的历史,而且有了较大规模的发展,可见地热发电能够可靠、安全和可持续性地运行. 地热发电在我国也有较大的发展. 1970年,广东丰顺建成第一座地热电站,机组功率为0.1 MW.随后,河北怀来、西藏羊八井等地也建了地热电站.到目前为止,西藏羊八井地热电站是我国最大、运行最久的地热电站,一直在安全、稳定发电.羊八井地热电站装机容量已达到9台共25·18MW,机组最大单 机容量为3MW等级.目前,国内可以独立建 造30 MW以上规模的地热电站,单机可以达到10 MW,截止到2007年,我国地热发电装机容量为32MW.目前,羊八井电站还具有很大的开发潜力.同时羊八井地热田西南45km处的羊易地热田,也是一个亟待开发的高温地热田.另外,云南省的地热资源也十分丰富,如腾冲地区是中国大陆有名的高温地热区,也是中国大陆独一无二的火山热区,地质普查显示全区有27个高温地热田,但却没有建成一座地热发电站.

 

  据2005年世界地热大会的统计,世界上有24个国家建设了地热发电站(2000年的统计为19个国家),世界地热发电总装机容量为8 900MW,目前运行容量为8 000MW.该数据比2000年增长了12%. 2003年地热发电总量为57 000 GW·h,比2000年增长了15%,预测至2010年,有望达到10 815MW的总装机容量.美国地热发电能力已经超过了2 800MW,居世界首位;菲律宾、墨西哥紧随其后;印度尼西亚后来居上已经排在第四位;其次是意大利、日本、新西兰,我国排名第15位.

 

  2 地热发电原理及技术

 

  地热发电的过程就是把地下热能首先转变为机械能,然后再把机械能转变为电能的过程,原理和火力发电的基本原理是一样的.所不同的是,地热发电不像火力发电那样需要备有庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源是地热能.根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同,地热发电主要分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩4种方式

 

  .                   1)背压式汽轮机发电.工作原理:把干蒸汽从蒸汽井中引出,先加以净化,经过分离器分离出所含的固体杂质,然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电,排汽放空(或送热用户).这是最简单的发电方式,大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合,或者综合利用于工农业生产和生活用水.

 

  2)凝汽式汽轮机发电.为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率,做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷却后再排出.在该系统中,蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力,所以能做出更多的功.

 

  2·2 地下热水发电

 

  1)闪蒸地热发电.工作原理:将地热井口引来的地热水,先送到闪蒸器中进行降压闪蒸(或称扩容),使其产生部分蒸汽,再引到常规汽轮机做功发电.汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水,送往冷却塔.分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下,或引 入作为第二级低压闪蒸分离器中,分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功.用这种方法产生蒸汽来发电叫做闪蒸法地热发电.它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等.

 

  采用闪蒸法的地热电站,热水温度低于100℃时,全热力系统处于负压状态.这种电站设备简单,易于制造,可以采用混合式热交换器.缺点是设备尺寸大,容易腐蚀结垢,热效率较低.由于是直接以地下热水蒸汽为工质,因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求.

 

  2)中间介质法地热发电.工作原理:通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质,使之变为蒸汽,然后以此蒸汽推动气轮机并带动发电机发电.在这种发电系统中采用2种流体,一种是以地热流体作热源,它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下;另一种是以低沸点工质流体作为工作介质(如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等).这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化,产生的低沸 点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电.做完功后的蒸汽,由汽轮机排出,并在冷凝器中冷凝成液体,然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作.该方式分为单级中间介质法系统和双级(或多级)中间介质法系统.

 

  这一系统的优点是能够更充分地利用地下热水的热量,降低发电的热水消耗率,缺点是增加了投资和运行的复杂性.

 

  2·3 联合循环发电

 

  联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电2种系统合二为一,它最大的优点就是适用于高于150℃的高温地热流体发电,经过一次发电后的流体,在不低于120℃的工况下,再进入双工质发电系统,进行二次做功,充分利用了地热流体的热能,既提高了发电效率,又将经过一次发电后的排放尾水进行再利用,大大节约了资源.该机组目前已经在一些国家安装运行,经济效益和环境效益都很好.

 

  该系统从生产井到发电,再到最后回灌到热储,整个过程都是在全封闭系统中运行的,因此,即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电,且不存在对环境的污染.同时,由于系统是全封闭的,即使在地热电站中也没有刺鼻的硫化氢味道,因而是100%的环保型地热系统.这种地热发电系统采用100%的地热水回灌,从而延长了地热田的使用寿命.

 

  2·4 利用地下热岩石发电

 

  1)热干岩过程法.与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比,热干岩过程法将不受地理条件限制,可以在任何地方进行热能开采.首先将水通过压力泵压入地下4~6 km深处,此处岩石层的温度大约在200℃左右.水在高温岩石层被加热后,通过管道加压被提取到地面并输入到热交换器中,热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能.同时推动汽轮机工作的热水经冷却后可重新输入地下供循环使用.这种地热发电的成本与其他再生能源的发电成本相比是有竞争力的,而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染,所以它是一种未来的新能源.

 

  2)岩浆发电.在现在的地热发电中,地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆.所谓岩浆发电就是把井钻到岩浆处,直接获取那里的热量.这一方式在技术上是否可行,是否能把井钻至高温岩浆处,人们一直在研究中.到目前为止,在夏威夷进行了钻井研究,想用喷水式钻头把井钻到岩浆温度为1 020~1 170℃的岩浆中,并深入岩浆29 m,但就这也只是浅地表的个别情况.如果真正钻到地下几千米才能钻到岩浆,采用现有技术也是很难实现的.另外,对从岩浆中提取热量,目前也只是进行了理论上的研究.                   3 需要解决的重大技术难题

 

  目前,有3个重大技术难题阻碍了地热发电的发展,即地热田的回灌、腐蚀和结垢.

 

  3·1 地热田的回灌

 

  地热水中含有大量的有毒矿物质.例如我国羊八井的地热水中含有硫、汞、砷、氟等多种有害元素,地热发电后大量的热排水直接排放,会对环境产生恶劣影响.地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源,通过地热回灌井重新注回热储层段的方法.回灌不仅可以很好地解决地热废水问题,还可以改善或恢复热储的产热能力,保持热储的流体压力,维持地热田的开采条件.但回灌技术要求复杂,且成本高,至今未能大范围推广使用,如果不能有效解决回灌问题,将会影响地热电站的立项和发展.因此,地热回灌是亟需解决的关键问题.  如果地热流体是在开放系统里利用,则废水一般在回灌之前必须先在水塘或水箱之中沉降,以除去悬浮状固体物质.有时,可以用过滤装置达到这一目的.为了减少腐蚀性,废水可能还需要进行化学或物理法脱气,最后通过回灌井注入地热储.回灌有时单靠重力即可实现,因为较凉和密度较大的地热废水具有较高的重力压头.如果资源属于以液体水为主的性质,则流体尚可以在分离器(闪蒸器)压力下回灌,或者在一次换热器(双工质系统)地热流体压力下回灌.

 

  对地热储回灌的可行性评价要考虑以下几个重要方面:①最优地点的选择;②钻井和井孔运行费用与其他排放方法费用之比较;③某一速率回灌所要求的压力,以及回灌量随时间的衰减等运行方面的问题.

 

  回灌系统的设计应能使回灌井和生产井间的走行路径和流动时间实现最大化,只有这样才能防止生产层的水发生快速冷却.同时,水又应当充分地注入生产热储,以尽量减小热储压力的衰减.确定最优回灌方案的关键因素是热储水温和渗透率的空间变化.热储地质对回灌的适应是需要研究的问题.热储必须有一个能够阻止废水向上流动并污染地下水含水层的不透水的盖岩层.如果存在破碎带或者断裂,废水就会向上流动并产生污染.

 

  由于废水和地层、废水和热储流体之间存在相互作用,回灌井周围的孔隙空间就有可能出现各种类型的堵塞.引起结垢和堵塞的原因有:二氧化硅和硅酸盐类的沉淀和聚合;碱土类发生不溶性碳酸盐、硫酸盐和氢氧化物形式的沉淀;重金属发生硫化物形式的沉淀;氧化还原反应沉淀,如铁的化合物等.所以,在建立回灌井之前都会进行实验性生产,需要进行示踪剂试验,并对地热田进行全面的监测.

 

  影响回灌系统投资费用的因素有:井孔与管道的直径、所需要的泵送系统、井孔深度、井孔数量以及回灌区的水文和地质情况等.在地质建造既定的情况下,回灌井的钻井成本随其深度的延伸而增加.运行和维修费用由井口设备、管道、泵的运行和定期维修的费用支出等组成.

 

  3·2 地热田的腐蚀

 

  地热流体中含有许多化学物质,其中主要的腐蚀介质有溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2-4,再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响,地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响,直接影响设备的使用寿命.地热电站腐蚀严重的部位多集中于负压系统,其次是汽封片、冷油器、阀门等.腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈.

 

  常见的防腐措施如下:①使用耐腐蚀的材料,采用不锈钢材质的设备及部件,但这种措施往往成本较高.②对腐蚀部件的金属表面涂敷防腐涂料,但涂层一旦划破,会加速金属材料的腐蚀.③采取相应的密封措施,防止空气中的氧进入系统.④针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐措施,例如选材时应尽量避免异种金属相互接触,以避免电偶腐蚀.

 

  3·3 地热田的结垢

 

  由于地热水资源中矿物质含量比较高,在抽到地面做功的过程中,温度和压力会均发生很大的变化,进而影响到各种矿物质的溶解度,结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢.如在井管内结垢,会影响地热流体的采量,加大管道内的流动阻力进而增加能耗;如换热表面结垢,则会增加传热阻力;垢层不完整处还会造成垢下腐蚀.

 

  常用的防止或清除结垢的措施有:①用HCl和HF等溶解水垢,为了防止酸液对管材 的腐蚀必须加入缓蚀剂;②采用间接利用地热水的方式,在生产井的出水与机组的循环水之间加1个钛板换热器,可以有效防止做功部件腐蚀和结垢,但造价很高;③采用深水泵或潜水泵输送井中的流体,使其在系统中保持足够的压力,在流体上升过程和输送过程中不发生气化现象,从而防止碳酸钙沉积;④选择合适的材料涂衬在管壁内,以防止管壁上结垢.

 

  4 地热电站设计标准的编制

 

  为了指导规范我国地热电站的建设工作,国家建设部委托中国电力工程顾问集团公司西南电力设计院编制了国家标准《地热电站设计规范》(GB 50227).这部国家标准对地热电站的建设规模、站址选择、总体规划以及具体技术做了规划.目前,这部标准已完成了送审稿审查工作.这部标准的颁布,将会对提高国内行业设计院地热电站设计的整体水平,对地热电站项目建设的规范化、标准化以及全面达到地热发电项目的最佳节能、资源合理配置、提高工作效率等起到积极的促进作用.该《地热电站设计规范》主要适用于单机容量为12MW及以下新建、扩建和改建的地热电站的设计.

 

  近几年在能源短缺的情况下,地热资源越来越受到人们的重视,地热发电量也逐年增加,因此探索新的高温热田,完善地热发电技术,是当今新能源技术领域中的重要环节.