国内外地热资源发电技术发展现状

  地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。地热资源因储量大、分布广、清洁环保、稳定性好、利用系数高等特点，成为具有竞争力的新能源。地热资源因其稳定可靠、成本低廉、清洁环保等优点逐渐被各国所认识，开发热度逐年增加。地热资源的利用方式主要有地热发电和地热直接使用。

 

  伴随着化石能源和电力成本的波动，不断上升的能源价格极大地影响了人们的日常生活，全世界都迫切需要开发新能源来稳定不断紧张的能源形势，地热资源提供了一个非常优异的选择。不同于煤炭及天然气，地热发电没有任何隐藏的费用，例如土地退化、排放污染等，也不会对周围区域动物和植物的生存环境造成破坏，更不会对人类健康产生不良影响。此外，由于地热能源是地区性自产的，其能够有效地缓解对于国外能源的依赖，符合国家能源安全政策。据2010年世界地热大会统计，全世界共有78个国家正在开发利用地热能技术，27个国家利用地热发电，总装机容量为10715MW，年发电67246GW·h，平均利用系数72%，美洲和亚洲分别占世界地热发电总装机容量的39.9%和35.1%。地热资源的直接利用发展很快，全世界78个国家地热能直接利用的设备总容量为48483MW，年利用热能117778GW·h，平均利用系数28%。

 

  1地热发电的发展

 

  利用地热资源发电至今，已经超过一百多年的历史。1904年在意大利的拉德瑞罗，P.G.Conti国王建立了第一个能够利用地热蒸汽生产电力设备。1913年第一座装机容量0.25MW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，1960年在美国加利福尼亚的盖瑟尔斯（Geysrs），利用地热干蒸汽生产出商业电能；1967年前苏联在帕拉唐卡（Paratunka）建成第一套双工质有机朗肯循环发电站，地热水温81℃，双工质采用制冷剂R12；1969年双工质有机朗肯循环地热发电技术成功用于美国加利福尼亚州；1970年，我国在广东丰顺建成第一座地热电站，机组功率0.1MW；我国最大运行最久的地热电站—西藏羊八井地热电站发电成功；2008年6月在法国的苏尔苏斯发世界上第一套增强地热系统地热发电装置投人商业运行，系统应用二级单工质循环。

 

  现在世界地热发电已经取得了较大规模的发展，2010年各国地热发电厂正在运行主要有24个，全球电力装机容量达到10715MW，年产生的电量达到67246GW·h，其中27%采用干蒸汽地热发电，41%采用单工质闪蒸方式，20%采用双工质闪蒸方式，1%采用背压式汽轮机，11%采用ORC/联合循环/混合方式。其中美国装机容量最大（3093MW），然后是菲律宾、印度尼西亚、墨西哥、意大利。

 

  我国从20世纪70年代开始，除西藏自治区以外，先后在广东邓屋、湖南灰汤、河北后郝窑、江西宜春、广西象州、山东招远、辽宁熊岳等地建立了地热试验机组，目前全国地热发电总装机容量为29.17MW，规模最大的是西藏羊八井地热电站，装机容量为25.18MW。但是，自1992到2001的10年中，几乎没有增加1个千瓦装机，西藏那曲1MW机组虽在1993年建成，但属联合国开发计划署的无偿援助。相反很多发展中国家诸如菲律宾、印度尼西亚、哥斯达黎加等国近10年地热发电发展很快，装机容量已经大大地超过了我国，中国地热发电停滞不前，主要原因有一下几个方面。

 

  (1)地热资源热源差异：目前在我国尚未勘探到与浅成年轻的酸性侵人体有关的地热系统。相反世界各国进行商业性地热发电的热源，几乎均与浅成年轻酸性侵人体有关，而且均属具有高孔隙率、高渗透率的地质环境中的水热系统。时至今日，我国大陆已探明的高温地热田中，均不属于这类地热系统。

 

  (2)地热资源地域分布局限性：地热能最大特点之一就是其出露位置受控于区域地质构造，资源分布具有地域性。我国大陆惟一的藏滇高温地热带主要分布在藏南、川西和滇西，上述地区均属地势高、人烟稀少、经济相对落后的偏远高原及山区，这一地区同时也是我国水力资源富集区，相比之下当前的地热电不但未能显示出与水电相竟争的优势，反而逐步被以水电为主的大电网夜盖。

 

  (3)地热资源勘探风险性：通过目前我国高温地热钻井的揭示，高温热储与地质构造密切相关。除羊八井浅层热储具有层状分布特征外，西藏羊八井北区、羊易、狮泉河以及云南腾冲、洱源等地的钻井资料显示均为垂向热储(基岩裂隙或破碎带)，这类热储的勘查难度大、风险高、成井率低。

 

  (4)体制问题：地热不同于其他新能源，在开发前期需要投人大量资金用于勘探。从1986年以后，国家取消了这项勘探投资，风险全部由开发单位承担。与此同时，国家也未即时出台以市场机制为基础的激励政策，缺少保障资金合理开发和有效利用的法规以及综合规划和相关部门间的协调机制。

 

  2007年底的统计数据表明，我国地热能利用总量居世界首位，达12604.6MW，但是发电装机容量仅为29.17MW。结合我国国家新能源发电的政策方向，大力开展利用地热能发电是目前极有潜力的发展方向。

  2地热发电原理及技术

 

  2.1地热发电原理

 

  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。但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，主要有干蒸汽发电技术、地下热水发电技术、联合循环发电技术、干热岩地热发电技术等。

 

  2.2地热发电技术

 

  2.2.1干蒸汽发电技术

 

  干蒸汽发电系统工艺简单，技术成熟，安全可靠，是高温地热田发电的主要形式。目前以干蒸汽发电技术为主的电厂在印度尼西亚，装机容量为6x3MW，采用青岛汽轮机厂一生产的地热发电机组。另外我国西藏羊八井电站的2号机机组就是采用干蒸汽发电技术，进汽压力0.56MPa，进汽温度160℃，机组功率3MW。干蒸汽发电技术主要分为背压式汽轮机发电技术和凝汽式汽轮机发电技术。

 

  背压式汽轮机发电技术是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，排汽放空或者送热给用户。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。

 

  凝汽式汽轮机发电技术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，该系统结构简单，适用于高温(160℃以上)地热田的发电。2.2.2地下热水发电技术闪蒸地热发电是将地热井口引来的地热水，先送到闪蒸器中进行降压闪蒸，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。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。

 

  中间介质法地热发电是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。

 

  美国曾于1970年在阿拉斯加州的荒林地区采用74℃的温泉水进行发电。这一系统的优点是采用低沸点工质作为热能载体，可以充分利用地热水的热能进行发电，使得地热资源得到充分利用，但是增加了发电系统的复杂性，也增加了投资和运行成本，而且低沸点工质多数属易燃易爆品，工质的储存和安全使用也是发电过程中需要重点关注的内容。2.2.3联合循环发电技术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。土耳其Kizildere地热电站采用联合循环技术进行试验机组研究，最大功率达到18.238kW，循环效率达到38.58%，联合循环发电系统性能稳定。2.2.4干热岩地热发电技术干热岩是指埋藏于地面1km以下、温度大于200℃、内部不存在流体或仅有少量地下流体的岩体。干热岩地热发电技术就是开发利用干热岩来抽取地下热能，其原理是从地表由注入井往干热岩中注入温度较低的水，注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生高温高压超临界水或水蒸气混合物，然后从生产井提取高温蒸汽，用于地热发电。首座使用干热岩技术发电的商用地热发电站于2011年在瑞士城市巴塞尔建成，该电站能为周边的5000个家庭提供30000kW热能和3000kW电能。