地热资源发电技术特点及发展方向

  1 前言

 

  地热能是封闭在地壳中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。地热能用于发电最早是从1904 年意大利的拉德瑞罗地区的干蒸汽地热田开始的[1]。截至2007 年，世界地热发电装机容量达到9732MW[2]，其中美国地热发电装机容量为2228MW，排名世界第一位。地热发电量占全国发电总量比例最高的国家是冰岛，2005 年底的统计数据表明，地热发电量占到冰岛全国发电总量的19.1%[3]。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。

 

  2012 年初，中国电力企业联合会发布《中国新能源发电发展研究报告》[4]， 报告中明确指出：“积极促进新能源发电，包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，节约和代替部分化石能源，是保障我国优化能源结构、促进国家经济与社会可持续发展的战略选择”。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。

 

  中国电力建设工程咨询公司与黑龙江聚源能源有限公司合作，开发黑龙江省牡丹江市海林地区秦家地热田综合项目。该项目主要包括地热发电、地热水供暖、温泉旅游、地热水养殖等。海林秦家地热田地热能储量丰富，属于中高温地热田，计划装机规模为2×3MW，一期工程建设一台3MW 的地热发电机组[6]。

 

  地热发电技术经过近百年的发展，种类多种多样，主要包括干蒸汽发电、扩容式蒸汽发电、双工质循环发电和卡琳娜循环发电等。本文针对上述地热发电技术，从热源匹配、发电效率、腐蚀结垢、技术经济等方面进行分析比较，同时介绍了地热发电技术的发展方向。

 

  2 地热发电技术及特点

 

  2.1 干蒸汽发电技术

 

  干蒸汽就是从地下喷出的具有一定过热度的蒸汽。干蒸汽发电技术就是将干蒸汽从井引出，除去固体杂质后直接传输到汽轮发电机组进行发电，其发电系统如图1 所示。

 

  干蒸汽发电技术的循环效率可以达到20%以上，是一种性能良好的地热发电技术，所使用的发电设备与常规火电设备基本相同。但是干蒸汽发电技术对地热资源参数要求较高，地热温度必须达到250℃以上，同时要保证有足够的地压，使得地下的蒸汽可以顺利地喷出，因此该技术适用于高温地热田。我国西藏羊八井电站的2 号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。目前正在建设的以干蒸汽发电技术为主的电厂在印度尼西亚，装机容量为6×3MW， 采用青岛汽轮机厂生产的地热发电机组。

 

  2.2 扩容式发电技术

 

  在目前探明的地热资源中，以中高温(130℃<t<250℃)地热资源为主，它是地热发电领域主要的研究对象。这一类地热资源所提供的大多是汽水混合物，其中蒸汽量较小，适宜采用扩容式发电技术。

 

  在扩容式发电技术中，井下带有一定压力的汽水混合物或热水被引至地面后，首先进入一级扩容器，地热水中携带的蒸汽及少部分由第一级减压产生的蒸汽直接进入汽轮机做功，其余的地热水进入二级扩容器。在二级扩容器中，由于减压作用，扩容器内的压力小于此时地热水温度所对应的饱和压力，部分地热水将汽化形成蒸汽，再引入汽轮机做功。这种利用减压方法产生蒸汽来发电的技术称为扩容式蒸汽发电技术，它包括一级扩容和二级扩容(见图2)两种方式。

 

  扩容式发电技术采用汽水混合物或地热水进行发电，循环效率略低于干蒸汽发电技术，一级扩容系统循环效率约为12%～15%， 二级扩容系统约15%～20%。西藏羊八井地热电站的3～9 号机组主要采用扩容式发电技术， 一级进汽压力0.65MPa，蒸汽流量22.7t/h； 二级进汽压力0.45MPa， 蒸汽流量22.6t/h。

 

  扩容式发电技术设备简单，易于制造， 运行维护方便。由于存在减压过程，对于地热水的矿化度和不凝结气体含量均有较高的要求，否则易产生结垢和腐蚀。目前，扩容式发电技术已在地热发电领域得到广泛应用，尤其是中高温地热田。肯尼亚政府2012 年2 月20 日宣布，将于近期投资120 亿美元，建设6 座地热电站，主要是采用扩容式地热发电机组。

 

  2.3 双工质循环发电技术

 

  中低温(t<130℃)地热资源在目前已探明的地热资源中占有较大的比例，其中温度在90℃左右的地热资源约占这类资源总量的90%。温度较低的地热水要想通过扩容方式形成蒸汽，需要将压力降至大气压以下，整个系统形成负压，这给系统运行和设备带来很大困难。针对这一类型的地热资源，双工质循环发电技术是较为适用的。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。

 

  双工质循环发电方式的特点是地热水与发电系统不直接接触，而是将地热水的热量传递给某种低沸点介质(如丁烷、氟利昂等)，这些工质蒸发后形成具有一定压力的蒸气，由低沸点介质推动汽轮机来发电。这种发电方式由地热水系统和低沸点工质系统组成，故称为双工质循环发电技术，发电系统如图3 所示。

 

  双工质循环发电技术的循环方式依然是朗肯循环，与蒸汽朗肯循环的区别在于它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。整个系统的循环效率较扩容式蒸汽发电技术提高20%～30%。但地热水系统和低沸点工质系统并行的方式增加了发电系统的复杂性，也增加了投资和运行成本。同时，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。

 

  2.4 卡琳娜循环发电技术

 

  卡琳娜循环是区别于常规朗肯循环的一种新的热力循环，采用氨和水的混合物作为工质，这种混合工质的沸点是变化的，随着氨与水比例的变化而变化[10]。当热源参数发生变化时，只需要调整氨和水的比例即可达到最佳的循环效果。工质的升温曲线更接近于热源的降温曲线，尽可能地降低传热温差，减少传热过程中系统的熵增，提高循环效率。

 

  由于卡琳娜循环的这个显著的特点，使它在中低温地热发电领域得到了广泛的应用。目前的工业化应用表明，卡琳娜循环发电技术的循环效率比朗肯循环的效率高20%～50%。图4 为卡琳娜循环发电系统示意图。

 

  地热水在除去固体杂质后进入换热器，将热能传递给氨和水的混合物。氨和水的混合物吸热后蒸发汽化，汽液分离后，蒸汽被送入汽轮发电机膨胀做功， 液体在与冷凝后的工质换热后自流至凝汽器。做功后的工质被送入冷凝器凝结，经循环泵送往换热器。在墨西哥Maguarichic 油田，一套以油气井中温热的废水副产物为热源， 容量为1MW 的试验机组已于2009 年投用。

 

  卡琳娜循环采用无固定沸点工质进行循环发电，换热温差减小；工质热容量不受温度的影响，循环效率大大提高，地热水能量得到充分利用。但是由于其采用液态氨作为循环工质，对系统的密封性有较高的要求，同时工质储存和使用过程中对环境将造成一定的影响，在电站建设过程中要注意加强环评工作。

 

  2.5 地热发电技术的对比分析

 

  4 种地热发电技术的对比分析见表1。对于具体的地热资源，需要从地热温度、地热总储量、地热水品质等方面， 结合发电效率、运行维护、设备投资、环境保护等因素综合考虑，进而确定适合该地热资源的具体的发电技术路线。

 

  3 地热发电的优越性及存在的问题

 

  3.1 地热发电的优越性

 

  利用地热能发电，热源来自地球内部， 不需要外加燃料，可以大量节约化石燃料，还可有效减少二氧化碳等温室气体的排放。以一台3000kW 的地热发电机组为例， 每年可减排二氧化碳1.45×104t，对于发展低碳经济具有积极的意义。同时，地热发电不会产生NOx和SOx等污染性气体，有利于保护环境，符合国家发展清洁能源、实现可持续发展的战略。另外，地热发电可以实现较好的经济效益。可见，地热发电是一种低碳、清洁、环保、高利润的发电技术。

 

  3.2 地热发电存在的问题

 

  ① 地热资源量的勘探。中国是世界上地热资源较为丰富的国家之一，目前全国已勘探的地热田有103 处，但实际投入发电运行的仅有西藏羊八井1 处，其余热田因储量或热田参数等原因不能长期提供热源。因此，在地热发电项目开发中，地热流体参数及地热田储量的勘探成为决定地热田发电的关键因素。需要大力发展地热勘探技术，快速、高效地探明地热温度、流量及热田的地热总储量，为地热发电打下坚实的基础。

 

  ② 结垢。地热水的总含盐量在0.1%～4%之间， 主要的矿物种类有碳酸钙、二氧化硅、硅酸盐等。碳酸钙和二氧化硅的沉淀对工质的压力和温度特别敏感，在发电做功过程中，地热水的温度和压力均会发生很大变化，进而影响到各种矿物质的溶解度，导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢[11]。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； 垢层破损处还会造成垢下腐蚀。

 

  需要加强对地热水化学成分的监测，防止因结垢造成地热井或发电设备失效。

 

  ③ 腐蚀。地热流体中含有许多化学物质，其中主要的腐蚀介质包括溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2，再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，地热流体对各种金属表面都会产生不同程度的腐蚀，直接影响设备的使用寿命。例如，咸阳市的某地热水利用工程，采用碳钢指示片挂片试验计算腐蚀速率，试验结果为0.76mm/a。随着发电系统工质压力的下降， 水中的腐蚀性气体大量析出，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。需要采用专项防腐措施，保证发电设备的安全、高效运行。

 

  4 地热发电的发展方向

 

  4.1 联合循环地热发电技术

 

  单一的蒸汽朗肯循环发电技术循环效率较低，仅为20%以下；尾水排放温度较高，一般在100℃以上，地热能利用不够充分。双工质循环和卡琳娜循环发电技术系统较为复杂， 涉及到两套工质系统，但循环效率高， 尾水排放温度可以降至60℃以下。

 

  在未来的地热发电技术中，可以采用联合循环的方式。在地热水的高温阶段，采用扩容式蒸汽发电系统，利用地热能的高温部分；在地热水温度不能满足扩容发电方式运行条件时，采用双工质循环或卡琳娜循环技术，充分利用地热能的低温部分，最大限度地提高地热发电循环的效率。土耳其Kizildere地热电站在采用扩容系统的基础上，联合使用双工质循环技术进行试验机组的研究， 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。

 

  另外，还可以将地热发电与太阳能热利用相结合。在双工质循环或卡琳娜循环中，在低温地热水的热交换阶段引入太阳能热利用方式，克服地热水温度较低、能源品位较差的弱点，提高循环效率。目前，这种技术已经在美国、智利等国家开展了实验室研究。

 

  4.2 低温地热资源发电技术

 

  在已探明的地热资源中，存在着大量的低温地热资源(温度一般在90℃左右)，目前主要的利用方式为温泉和部分供暖。卡琳娜循环在低温地热资源应用领域中有其独特的优越性，通过调整氨和水的比例，可以适应低温地热水的发电特性。卡琳娜循环已经成功应用于日本Sumitomo 炼钢厂的冷却水余热发电，水温95℃，装机容量3.5MW。另外，在上海世博会工业馆中，建有一台卡琳娜循环发电试验机组，利用流量为1t/h、温度为98℃的热水，每小时可发电3kW。卡琳娜循环为低温地热资源发电开辟了一个新的天地。

 

  4.3 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[13]。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，如图5 所示。干热岩的热能是通过人工注水的方式加以利用， 几乎完全摆脱了外界的干扰。作为一种新型地热资源，干热岩具有很高的开发利用价值。

 

  据《中国科技信息》2012 年初报道，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。我国对开发利用潜力巨大的干热岩却没有给予足够的重视，仅有少数可研单位参与了部分的国际合作研究，目前国内干热岩的研究和开发工作尚处于空白。需要加强对干热岩资源的研究、勘探和开发工作。

 

  4.4 利用中深层地热资源发电

 

  地壳内蕴含着大量的现代岩浆，这部分岩浆在向上运动过程中，与中深层地下水耦合形成优良的中深层地热资源，主要存在于距地面3~10km 范围内，地热温度可达到200℃。与目前开发的浅层地热能相比，中深层地热能的储量要大很多。同时，中深层地热能与中深层地下水耦合， 地热水来源丰富，回灌要求较低。中深层地下水矿化度较低，为地热资源的利用提供了便利条件。目前我国已在松辽盆地—长白山沿线勘探出大量的中深层地热资源。

 

  5 结语

 

  ① 地热资源是一种清洁无污染、可再生的新型能源，对于发展低碳经济、实现可持续发展具有积极的作用。

 

  ② 在目前的地热发电技术中， 应用较为广泛的是扩容式蒸汽发电技术，其系统简单，地热参数要求低。在低温地热资源的开发利用过程中，双工质循环和卡琳娜循环技术具有广阔的发展前景。

 

  ③ 新型的联合循环发电技术是地热发电技术的发展方向。在浅层地热能得到大规模开发后，中深层地热资源和干热岩资源将成为地热发电技术新的资源。在地热发电技术下一步的发展过程中，应注重中深层地热资源和干热岩资源的开发。