（热能工程专业论文）分布式地热系统双循环发电效率分析与梯级供热试验研究.pdf

中文摘要 能源可持续发展面临的挑战，使得地热能在未来能源结构中的地位必将越来 越突出，国内储量丰富的中低焓地热能的规模化开发和利用具有较大的发展潜 力。本文以中低焓地热能的梯级利用系统为研究对象，采用理论推导、数值计算 和试验数据分析的方法，对地热发电和区域供热系统进行了热力学性能研究，对 中低焓地热资源的开发、系统设计和性能评价均具有一定的指导价值。 本文基于炯分析方法，建立了o r c 地热双循环发电系统力学性能分析方法， 该方法完善了常规双工质循环系统各主要部件的炯效率模型。选用我国某中低焓 地热田为研究对象，通过实例计算，分析了不同选定标准下双循环发电系统的热 效率和炯效率；同时，利用e e s 软件建立计算模型，优化分析了汽轮机进口压 力和环境寂态温度对系统循环效率的影响，对提高双循环发电系统循环效率的技 术措施进行了分析，从而为改进双循环系统运行性能提供理论依据。 针对中低焓地热能的梯级利用模式，本文提出“分布式地热能系统”的概念， 以“k a l i n a 双工质循环地热发电”+ “地热梯级区域供热”的串联系统进行了热 经济学模型分析。同时，利用热经济学结构分析优化方法，对系统中主要换热设 备进行了c s b 值的判别和评价。 本文建立了国内典型的规模化地热梯级供热试验系统的能效分析和研究平 台，分析了该系统地热利用率和系统总能效比的变化规律以及地热水回灌温度对 指标参数的影响。根据建立的地热梯级供热示范系统的炯分析模型，得出地热水 侧各换热器的换热量分布规律和炯损值及炯损率的分布状况，可以有针对性地减 小系统中这些薄弱用能环节的能质损失，提高地热系统的能源利用率。本研究工 作的开展可以为我国进行大规模地热区域供热系统的工程设计提供技术指导。 本文最后对可持续性发展、环境影响和能源系统的炯效率之间的变化关系及 地热尾水“对井”灌采技术进行了分析。同时，对地热资源的环境效益和环境影 响进行了综合评价。 关键词：中低焓地热能梯级利用地热发电地热区域供热媚效率热经济学 分析环境影响评价 本论文为国家“十一五”科技支撑计划重大项目( 2 0 0 6 b a j 0 3 a 0 6 ) 经费资助课题。 a b s t r a c t w i t ht h ee n e r g yc h a l l e n g ef o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，t h eg e o t h e r m a le n e r g y w o u l dp l a yak e yr o l ei np r o m o t i n gr e n e w a b l ee n e r g yu t i l i z a t i o ni nt h ef u t u r ee n e r g y s t r u c t u r eo ft h ew o r l d t h el a r g e - s c a l eu t i l i z a t i o no fm e d i u m l o we n t h a l p yg e o t h e r m a l r e s o u r c e sw o u l dh a v eg r e a tm a r k e tp o t e n t i a li nc h i n a i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h e c a s c a d e du s eo fm e d i u m - l o we n t h a l p yg e o t h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o na n dd i s t r i c t h e a t i n gs y s t e m t h ec o r eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c es t u d y t h r o u g he x p r e s s i o nd e r i v a t i o n ，n u m e r i c a lc o m p u t a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s ， w h i c hh a v ee s s e n t i a lt e c h n i c a lg u i d a n c et om e d i u m l o we n t h a l p yg e o t h e r m a ls y s t e m d e s i g na n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee x e r g ya n a l y s i sm e t h o dw a se m p l o y e dt oe v a l u a t et h e t h e r m o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fo r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) g e o t h e r m a lp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m t h em e t h o dh a si m p r o v e de x e r g ye f f i c i e n c ym o d e lo ft h em a i n e q u i p m e n t si nc o n v e n t i o n a lb i n a r yp o w e rp l a n t t h eo v e r a l lt h e r m a le f f i c i e n c ya n d e x e r g ye f f i c i e n c ya r ec a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n tr e f e r e n c ec o n d i t i o n sb a s e do na c o n c e p t i o n a lm e d i u m l o we n t h a l p yg e o t h e r m a lb i n a r yp o w e rp l a n ti n c h i n a a c o m p u t e dm o d e lw a se s t a b l i s h e du s i n ge e se n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，t h ei n f l u e n c eo f i n l e th i g hp r e s s u r eo ft u r b i n ea n de n v i r o n m e n t a ld e a dt e m p e r a t u r eo nt h ec y c l e e f f i c i e n c yw a so p t i m i z e d ，a n ds o m et e c h n i c a lm e a s u r e so fi m p r o v i n gb i n a r yc y c l e e f f i c i e n c yw a sa n a l y z e d t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h en o v e lc o n c e p t i o no fd i s t r i b u t e dg e o t h e r m a l e n e r g ys y s t e m ( d g e s ) ，a n dg i v e st h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i so nt h eg i v e ng e o t h e r m a l k a l i n ac y c l ep o w e r & d i s t r i c th e a t i n gs y s t e m s i m u l t a n e o u s l y ，a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r a lm e t h o do ft h e r m o e c o n o m i co p t i m a z a t i o n ，t h ec o e f f i c i e n to fs t r u c t u r a l b o n d ( c s 8 ) v a l u e so fk e yh e a te x c h a n g e r si nt h ed g e sp l a n tw e r ee s t i m a t e d t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e dar e s e a r c hp l a t f o r mo fc a s c a d e dg e o t h e r m a ld i s t r i c t h e a t i n gs y s t e mw i t hr e l a t i v e l yl a r g e rh e a t i n gs c a l ei nc h i n a t h r o u g hc o l l e c t i n gt h e o p e r a t i o nd a t ao fr e p r e s e n t a t i v eh e a t i n gd a y si nt h eh e a t i n gp e r i o d ，t h eg e o t h e r m a l u t i l i z a t i o nf a c t o ra n dt o t a le n e r g ye f f i c i e n c yr a t i oa r ea n a l y s e d ，a n di n f l u e n c i n g t r e n d a n c yo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e xw a ss t u d i e dd u et ot h er e i n j e c t i o nw a t e r t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n t h ee x e r g ya n a l y s i sm o d e lo f t h es e l e c t e dg e o t h e r m a lc a s c a d e d d i s t r i c th e a t i n gs y s t e mw a sg i v e n ，f r o mw h i c ht h eh e a te x c h a n g e rv a l u ed i s t r i b u t i o n ， e x e r g yl o s s e sa n de x e r g yl o s sr a t i o si nh e a te x c h a n g e rp r o c e s sb e t w e e ng e o t h e r m a l w a t e ra n ds e c o n d a r yr e c i r c u l a t i n gw a t e rw e r ed e t e r m i n e df r o mt h o s ea n a l y s i st of i n d c o r r e s p o n d i n ge n e r g y & e x e r g yl o s sp a r t so rs y s t e mc o m p o n e n t sa i m i n gt op r o m o t e t h eo v e r a l le n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y t h es t u d yc o u l da f f o r dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r d o m e s t i cl a r g e - s c a l eg e o t h e r m a ld i s t r i c th e a t i n gs y s t e md e s i g n t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h ev a r i a t i o n r e l a t i o n s h i pa m o n gs u s t a i n a b i l i t y , e n v i r o n m e n t a l i m p a c ta n de x e r g ye f f i c i e n c y o fe n e r g y s y s t e m ，a n a l y s e d t h e g e o t h e r m a lr e i n j e c t i o nt e c h n o l o g yo fd o u b l e t - w e l ls y s t e mp o p u l a ri ng e o t h e r m a l e n g i n e e r i n g 。t h ee n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n de n v i r o n m e n t a li m p a c t so fg e o t h e r m a l e n e r g yu t i l i z a t i o nw e r ea s s e s s e dc o m p r e h e n s i v e l y k e yw o r d s ：m e d i u m - l o we n t h a l p yg e o t h e r m a le n e r g y , c a s c a d e du s e ， g e o t h e r m a lp o w e rg e n e r a t i o n ，g e o t h e r m a l d i s t r i c t h e a t i n g ，e x e r g ye f f i c i e n c y , t h e r m o e c o n o m i ca n a l y s i s ，e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储虢锄透签翱期：砷年7 月殄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 畅逢 导师签名： 签字目期：刃矽年7 月沙日 签字日期： 7 月岁e l 天津大学博l = 学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 国内外能源消耗形势 第一章绪论 1 1 1 1 全球能源形势 随着全球能源消耗的不断增长，能源供应的可持续性是摆在我们面前的一个 重大问题。目前，全球能源结构正在走向多元化，但在短期内全球能源的消费和 供应仍然主要依赖煤炭、石油和天然气等化石能源。统计显示，2 0 0 6 年世界一 次能源消费总量为1 0 8 8 亿吨标准油( t o e ) ，其中石油占3 5 8 ，居第1 位；煤 炭占2 8 4 ，居第2 位；天然气占2 3 7 ，居第3 位，其次为水能和核能，分别占 6 3 和5 8 【1 1 。 由于国际社会越来越关注环境问题以及能源技术不断进步，替代煤炭和石油 的清洁能源增长迅速，煤炭和石油在一次能源总需求中的份额将进一步下降，天 然气、核能和可再生能源的份额将不断提高。但是，核能、风能、太阳能和生物 质能的发展，除受技术因素影响外，其经济性也是一个制约因素，非化石能源大 规模替代化石能源的路还很长。预计在2 0 3 0 年前，化石能源仍将是世界的主流 能源。 据美国能源信息署( e i a ) 2 0 0 8 年9 月出版的( ( i n t e r n a t i o n a le n e r g yo u t l o o k 2 0 0 8 9 对历史数据的统计和未来变化趋势的预测，全球能源消费形势如图l 所示。 从图1 - 1 ( a ) 可以看出全球能源消耗变化趋势，从2 0 0 5 年预计到2 0 3 0 年，全球 能源总消费量将增加5 0 。在其它一些非经济合作组织地区( n o n o e c d ) 能源 消耗也将快速增长，如中东、亚洲及中南美州将占6 0 份额；对于n o n o e c d 的欧洲和欧亚大陆国家( 包括俄罗斯和其它一些前苏联国家) 将有小幅增长约占 3 6 份额。相反，发展中国家将增长1 倍( 每年增长4 ，相比发达国家每年增 长1 3 ) ；其中，中国和印度两大发展中n o n o e c d 国家总共的能源消耗已经从 1 9 8 0 年的占世界总能耗的小于8 快速增加到2 0 0 5 年占世界能耗份额的1 8 ， 预计2 0 3 0 年将占世界能耗份额的四分之一。相反，从2 0 0 5 到2 0 3 0 年美国能耗 将预计从2 2 的份额下降到l7 【2 1 。 天津大学博士学位论文第一章绪论 从图1 - 1 ( b ) 可咀看出接燃料类型分类的全球能源消耗变化趋势。其中，石 油是全球增长速度最慢的能源，从2 0 0 5 年到2 0 3 0 年其消耗以每年l2 的速率 增长；可再生能源和煤炭是增长虽快的能源，分别以21 和2o 的速率增长： 由于石油和天然气价格的上涨以及全球对化石能源导致环境影响的目益关注，可 再生能源的开发和消耗份额将逐步增加。 j 彦 1 裂 二 ( a ) 按消耗总量( b ) 按燃 l 娄型 图1 - 1 19 8 0 - 2 0 3 0 全球能源消耗变化趋势 长远来看，人类在面对环境污染的困扰、地球生态平衡的破坏、不可再生益 源的匮乏、各国对能源需求急速增长的背景下，以石油、煤炭和天然气为主要能 源的时代终将被咀风能、太阳能、地热能和生物质能等可再生能源所取代， 1 , i 1 2 我国能源形势 目前我国能耗形势依然严峻，能源资源品种丰富，人均占有量较少。我国煤 炭瓷源人均占有量为世界平均水平的7 9 0 0 石油、天然气人均占有量仅有世界平 均水平的61 和65 。我国是世界上晟大的煤炭生产国和消费国，我国的能源 消费以煤为主。在能源结构中，煤炭占能源消费的比重居高不下。在一次能源消 费构成中，我国煤炭的份额比世界平均值高4 1 油气的比重低3 6 ，永电、 核电的比重低5 。2 0 世纪9 0 年代阻来，我国一次消费能源结构总体上朝着优 质化方向发展见袁1 1 所示。1 9 9 0 年至2 0 0 2 年，煤炭消费占能源消费总量的 比重由7 62 0 o 下降到6 63 ：但近年来，煤炭占能源消费的比重有所上升，2 0 0 7 年达到6 95 ，而发达国家这一比重平均只有2 1 左右”。 我国能源建设的总体形势在不断加强，但能源效率仍然较低。2 0 世纪9 0 年 代以来，我国一次能源生产总量翻了一番多，2 0 0 7 年达到2 37 亿t c e 已成为 世界第二太能源生产国。节能降耗取得积极进展，2 0 世纪最后2 0 年，我国以能 源消费翻一番，支撑经济总量翻两番。但同时也应看到，我国能源利用效率相对 l j 批 懈 恤 。 j一：tj， 翻硎啊冽刚圈圈盛e 。翻强圈吲圈。 雌圈圈圈酿w聊p。_置， 圈曩、 二i_矿。l扩 辐 *_扩 磊 h_矿*_矽 掣_庐 啪 湖 啪 拼 。 ；oc0a 天津大学博士学位论文第一章绪论 较低，能源生产和使用仍然粗放。2 0 0 3 - - 2 0 0 5 年，单位g d p 能耗上升；2 0 0 6 年 以来加强了节能减排，单位g d p 能耗有所下降，但要实现持续下降，还需要加 大工作力度。随着我国经济持续快速发展，工业化、城镇化进程的加快和居民消 费结构升级换代，能源需求将继续增加，可持续发展面临挑战。根据“十一五” 发展规划，到2 0 1 0 年，我国万元国内生产总值能耗由2 0 0 5 年的1 2 2 吨标准煤 下降到1 吨标准煤以下，降低2 0 左右，因此节能工作任务很重。 表卜1 中国一次能源消费结构【3 】 在需求快速增长的驱动下，我国能源生产增长很快，能源生产迅速增长，煤 炭增长尤为迅速，生态环境压力明显。能源生产尤其是煤炭大量生产和使用中存 在一系列问题，如资源同采率低、浪费严重，安全事故多发、死亡率高，对地表 生态和地下水系破坏大：此外，s 0 2 、烟尘、粉尘、n o x 以及c 0 2 排放量也有所 攀升，给生态环境治理带来了难度。目前，清洁能源、可再生能源开发利用还不 充分，风能、太阳能、生物质能发展尚处于起步阶段，能源结构需要优化，调整 和改善能源结构的任务十分艰巨。 1 1 2 可再生能源应用前景 以煤炭、石油为主的化石能源价格日益增长，并且化石能源的利用还不可避 免地造成污染环境，使清洁、环保的可再生能源的利用越来越受到重视。随着 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 9 9 2 和1 9 9 7 年联合国气候变化公约和京都议定书先后出台，可再生能 源的开发已经不单单是为后石化燃料时代寻找替代能源，而是关系到保持人类生 存环境的重大战略问题。 一个国家或地区可再生能源利用的规模化程度，主要取决于以下几个方面： 一是当地可再生能源资源条件；二是节约能源、保护环境的要求，特别是环境保 护要求的高定位；三是可再生能源利用与其他能源供应方案相比的经济性。随着 能源需求的增长、化石燃料的减少和环境保护的要求，可再生能源在未来全球能 源比例中占有的份额将逐步加大。 据统计，在2 0 0 6 年全球可再生能源消耗占总体能源消耗的1 8 ，其中传统 的生物质能占1 3 ，水电能占3 。同时，水力发电占发电总量的1 5 ，除大水 电以外的其它可再生能源发电占发电总量的3 4 ，比2 0 0 4 年增长了5 0 。据国 际能源署( 1 e a ) 预测，到2 0 3 0 年可再生能源发电( 不包括大水电) 将占总发 电份额的9 1 4 】【5 】。 我国自可再生能源法于2 0 0 6 年1 月1 日颁布以来，可再生能源获得了 空前的发展。中国科学院组织国内能源、环境、气候、科技政策等方面的专家， 在中科院知识创新工程研究成果和学部咨询项目基础上完成了应对挑战构 建可持续能源体系的研究报告，制订了我国能源科技发展的战略路线图。报告 建议，近期，至2 0 2 0 年，应重点发展节能和清洁能源技术，提高能源效率；中 期，即到2 0 3 0 年前后，重点推动核能和非水力可再生能源向主力能源发展；远 期，到2 0 5 0 年前后，建成我国可持续能源体系，总量上基本满足我国经济社会 可持续发展的能源需求，总体能源供给结构上对化石能源的依赖度降低到6 0 以下，可再生能源和核能成为主导能源i 6 。 1 2 地热资源及利用方式 在各种可再生能源中，地热资源是一种应用广泛的、清洁能源。地热能利用 包括发电和热利用两种方式。在过去短短的几十年时间里，地热能的开发已经表 现出强大的生命力。随着全球日益严峻的能源危机和环保压力，可再生能源的开 发日益受人瞩目，地热能在未来能源结构中的地位必将越来越突出。 天津大学博士学位论文第章绪论 1 2 1 地热能与地热资源的概念及类型 1 2 1 1 地热能与地热资源的概念 地热能是指储存于地球内部的能量一方面来源于地球深处的高温熔融体； 另一方面源于地球内部蕴藏放射性元素( u 、t u 、4 0 k ) 的衰变。 地热资源是指能够为人类经济地开发利用的地球内部的热资源。只有在地球 内热相对富集地区，如近代火山括动、构造板块活动强烈地区，并达到为人类能 够开发利用程度的这种地热，才构成可利用的地热资源。 1 2 1 2 地热资源类型 依据地下热能储存形式，可以把地热资源分成四种类型印水热型、干热岩 型、熔岩型和地压型f j 。其中，水热型是指在埋藏地层浅表( 地下1 0 0 4 5 0 0 m ) 的以热水和蒸气为主的对流水热系统，约占已探明地热资源总量的1 05 ，其温 度范围一般从2 5 到3 5 0 ( 2 。干热岩型是位于地f 几千米深处的热岩层，不存在 热流体，其温度约为1 5 0 6 5 0 c 其储量较大，约占已探明的地热资源总量的 3 0 ；可以采用现代钻探技术、人工注水的办法将其热能取出。如图1 - 2 所示是 地热资源类型示意图，干热岩型和熔岩型统称“干热型”地热资源。 豳1 - 2 地播资薄娄型图示 依据地热资源温度的高低，地热能可分为：高温地热( 1 5 0 c ) ，中温地热 ( 9 0 叫5 0 c ) 和低温地热( 9 0 ) 三种类型。苴中，中温地热( 9 0 1 5 0 c ) 和低温地熟( 1 5 0 ) 对流型地热瓷源主要 分布在藏，滇、川及台湾地区，前三者属地中海地热带中的东延部分而台湾位 居环太平洋地热带中：中低温( 1 5 0 c ) 对流型地热资源，主要分布在东南沿 海一带佣、赣、粤、台) 带以及辽东胶东一带；中低温( 1 5 0 c ) 传导型地热 资源分布在中新生代大中型沉积盆地，如华北、松辽、四j i i 、鄂尔多斯等。其中， 全国地热资源储量丰富的地区8 0 以上的中低温地热资源，进行梯级开发、综 合利用的价值很大”。 1 2 3 地热能利用技术 围卜4 我国地撩资濂分布 1 2 3 1 全球地热能利用技术及现状 1 9 7 3 年冰岛的工程师琳达( bl i n d a l ) 根据对地热利用的研究提出了经典的 l i n d a l 图。该图显示出在不同温度条件下水热型地热资源的各种典型利用方式， 包括地热蒸汽发电利用和各种非电直接利用方式。可以看出，l i n d a l 图着重指出 地热资源利用的两个重要方面扭匦：一是为了提高地热舞源利用的可行性应该 梯级开授、综台利用；二是地热资源的温度限制了其可能的使用方式。 在保证地熟利用系统长期可持续发展的前提条件下，地熟资源梯级利用至较 低的温度，不仅可以增加地热能的整体热力学效率，同时也可以提高了整个系统 天津大学博1 。学位论文 第章绪论 的经济性。地热资源的具体特征条件决定了其梯级利用的能力和效果。图i - 5 所 示是在经典l i n d a l 图的基础上，增加了可进行般循环地热发电适用温度范围 ( 8 5 1 7 5 ) 的l i n d a l 图j 。 截止到2 0 0 5 年，全球已有“个国家利用地热发电地热发电总装机容量 为8 9 0 0 m w ，比2 0 0 0 年增长了1 2 ，地热发电总量为5 69 5 t w h a ；有7 2 个国 家直接利用地热，地热直接利用装机设备容量为2 7 8 2 48 m w i ，地热直接利用量 为7 4 2 3 26 g w h a 。世界地热直接利用的年增长率止1 9 7 9 1 9 8 0 年期间足93 ， 在1 9 8 0 1 9 9 0 年是】52 ，在1 9 9 0 2 0 0 0 年期间是49 ；过去三十年的平均 增长率是97 i ”】。 图1 5 惨订后的l i n d a l 围 地热能直接利削的技术性、经济性和环境可接受性己被世界各地的实际利用 所证实。与地热发电利用相比较，直接利用热效率较高，通常可达到5 0 7 0 而发电利用热效率仅为5 2 0 ；直接利用的投资小且周期短：不同温度范 割的地热能均可进行直接利用因此地热直接利用在世界范周内应用最广泛。 据统计，目前全球至少有“个国家毗各种方式使用地热资源利用规模也 不尽相同。目前，美国、日本、意大利、冰岛、新西兰、印度、菲律宾等世界上 地热资源丰富且开发利用好的国家地热在整个嗣民经济中已发挥了很大作用， 冰岛是世界上地热资源虽丰富的国家也是地热能利用的典范国家，全国共有 2 5 0 个地热区，9 0 居民的供暖和生活热水供应的热源来自国内的2 7 个市政区域 供热站，同时国内总能量消耗的4 0 来自于地热资源的直接热利用和地热发电， 天津大学博士学位论文第一章绪论 仅此一项每年可节约13 亿美元。冰岛首都雷克雅未克全部利用地热进行供热， 市内无烟囱排炯污染性矿物燃料供热已经绝迹，该城市成为世界上晟清洁的首 都之- - 1 1 ”。 1 2 32 中低焓地热资源利用现状 全球中低焓地热资源分布最普遍，而且该温度范围的地热资源应用日益遍及 全世界各个国家。如图1 - 6 所示为全球中低焙地热资源利用的主要国家分布，可 以看出使用量排在前五位的国家分别是中国、瑞典、美国、冰岛和土耳其；年 使用量大于1 0 0 0 t j a 的国家或地区用实心“0 ”表示：年使用量小于1 0 0 0 t j a 的国家或地区以“”表示。从2 0 0 0 年至2 0 0 5 年，使用中低焓地热资源的国家 从5 8 个增加到7 2 个，装机容量增加了一倍到2 7 8 2 5m w t ；地热直接利用增加 4 0 到2 6 1 4 1 8t j a 。 褰 j + 磊 一7 h 嘞量量 撼灌 叠孥o p ：0 峨磊3 霹1 9 f i 2 3 鬻甄、 图1 _ 6 全球中低焙地热贺蠢利用的主要国家分布 我国以中低温地热能资源为主，地热能开发利用兴起于7 0 年代初。自上世 纪9 0 年代以来，我国地热直接利用均以每年1 0 的速率增长超过世界平均发 展水平，截止到2 0 0 5 年底，全球地热直接利用最多的国家是中国，直接利用地 热资源 2 6 0 46 g w h ，设备容量3 6 8 7 m w t ，分别居世界第一和第三位。 但是我们也应该看到，我国地热直接利用在数量上取得极大发展的同时，与 国外一些技术先进的国家相比，我国直接利用地热资源的技术水平与国外仍有不 小的差距，各地的发展水平也很不均衡 环境、地热利用率低，设备使用寿命短 不少地热工程出现诺如浪费资源、破坏 管理不科学、设计水平低下等问题i “】。 尤津大学博l 学位论文第章绪论 1 3 地热发电循环形式及现状 地热发电是地热能利用的重要方式，发电原理与火力发电相同都是利用地 热水( 或载热体工质) 蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发 电：所不同的是，地热发电h ；象火力发电那样要各有庞大的锅炉，也不需要消耗 化石燃料它所消耗能源就是天然的地热能 地热发电其热源通常由天然地热储层获得，目前能够被地热电站利用的载热 体，包括高温地热干蒸汽、湿蒸汽和中高温地热水，对应的发电循环为干蒸汽发 电循环、闪蒸汽( 扩容) 发电循环和双1 = 质循环发电。地热发电的技术和经济性 取决于地热资源的种类和所选用的发电循环系统形式”“。 对于缺乏天然蒸汽的地热热储或热储层的渗透性不足的情况下，可以通过人 工碎裂的方法增加地下热储层的渗透性，通过注入自然冷水，由于高温岩体的加 热而获得高温地热蒸汽的技术，称为干热岩( h o t d r y r o c k ，h d r ) 技术或增强 型地热系统( e n h a n c e dg e o t h e r m a ls y s t e m s ，e g s ) 。 1 _ 3 1 地热发电循环形式 1 3 1 1 千蒸汽发电系统 地热干蒸汽发电已经运行了一百多年了，它是最早应用的地热发电方式。 1 9 0 4 年7 月4 日意大利p i e r og i n o f ic o n t i 在拉德瑞岁( l a r d e r e l o ) 地热田第一 次利用地热蒸汽进行发电试验。该系统设计功率仅为1 5 k w 点亮了5 盏试验用 灯泡，成为世界上地热发电的先驱者。目前该电站的装机容量己达5 48 万千瓦。 科学家们一致认为，当初这座电站虽然只能点亮5 盏电灯却开创了地热发电 的历史。图1 7 所示为g i n o r i c o n t i 和他的l s k w 地热蒸汽发电试验装置。 图卜7p ie r og i f l o f f ic o n t i 的地热蔫汽发电试验装置 天津大学博士学位论文第章绪论 p i e r og i n o r ic o n t i 发电试验的成功是地热能工业性开发应用的标志，也就是 从那一刻起开始了地热能的大规模开发。1 9 11 年，世界上第一座地热发电站在 拉德瑞罗建立，这是一次成功的商业应用。不久以后，其它几个国家也开始地热 开发。1 9 1 9 年日本在b e p p u 开凿了第一眼地热井，随后1 9 2 1 年美国加州的g e y s e r s 地区开凿了数眼地热井。到1 9 4 2 年，地热发电装机容量已经达到1 2 7 6 5 0 k w e 。 直到1 9 5 8 年，新西兰建立了一座小型地热电站以前，拉德瑞罗地热电站一直是 世界上唯一的工业用电的地热电站。 1 地热生产井：2 蒸汽分离器：3 汽轮机：4 发电机： 5 混合式凝汽器：6 排水泵；7 排污泵；8 地热回灌井 图1 8 地热干蒸汽发电循环原理简图 图1 8 所示为直接利用地热干蒸汽发电循环原理简图f 1 7 】，来自地热生产井的 地热千蒸汽，经过井口净化分离器，脱除井下蒸汽中带来的各种杂质岩屑和水滴， 清洁的蒸汽直接引入并推动汽轮机做功，并使发电机发电。汽轮机做功后的乏汽 通过凝气器凝结为液体，所交换的热量通过冷却塔向周围大气逸散。被冷凝后的 地热水其中一部分可以直接利用，其余地热水由回灌井回灌至地下热储层。 地热干蒸汽发电系统最为简单，经济性高，来自地热井取出的高温蒸汽只要 经井口分离装置分离掉蒸汽中所含的固体杂质就可通入汽轮机做功发电，排汽经 冷凝后排放。系统所需仅为地热干蒸汽、输送冷凝回灌管道和简单的蒸汽清洁 装置，主要有背压式和凝汽式两种发电系统。从经济上考虑，地热干蒸汽发电要 1 5 0 以上的高温地热资源。但由于干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的 地层，开采技术难度大，故发展受到限制【l 引。 l 312 闪蒸发电系统 如图1 - 9 所示为单级闪蒸地热发电原理图【1 7 1 。闪蒸发电( 又称减压扩容法) 工作原理如下，地热生产井口来的高压地热水，进入闪蒸器减压后，其相应的饱 天津大学博士学位论文第一章绪论 和温度降至热水温度以下，压力降低部分热水会汽化沸腾并“闪蒸”成蒸汽送至 汽轮发电机组做功发电。这种一次闪蒸系统，热利用率仅为3 左右。若将一级 闪蒸器出口蒸汽引入汽机前几级做功，一级闪蒸器后的地热水进a - 级闪蒸器， 经二级闪蒸后引入汽轮机中间某一级膨胀做功，此为两级闪蒸地热发电，其热利 用率可达6 左右。 1 地热生产井；2 热水泵；3 一级闪蒸器； 4 汽轮机；5 发电机；6 混合式凝汽器； 7 排水泵；8 排污泵；9 地热回灌井 1 地热生产井；2 热水泵；3 一级闪蒸器； 4 二级闪蒸器：5 汽轮机；6 发电机： 7 混合式凝汽器；8 排水泵；9 排污泵； 1 0 地热回灌井 图1 - 9 地热单级闪蒸发电循环原理简图图l - l o 地热两级闪蒸发电循环原理简图 如图1 1 0 所示为地热两级闪蒸发电系统原理简图，可以看出与单级闪蒸电 站设计不同之处在于增加了一个二级闪蒸器，而且除了原有的从闪蒸分离器通往 汽轮机的高压蒸汽管线以外，此外还有一支低压蒸汽管线从二级闪蒸器连接至汽 轮机。闪蒸发电循环做功后的排汽在混合式凝汽器内冷凝后排放，而分离后的地 热水可继续利用后排出，或者再回灌注入地层。 闪蒸循环地热电站系统形式简单，操作维修容易；但设备体积大，效率较低， 容易腐蚀结垢。由于发电系统直接以地下热水闪蒸蒸汽为工质，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。 到目前为止，全球应用最普遍的地热电站是闪蒸地热电站。美国4 5 的地热 电站是采用闪蒸发电方式【l9 1 。我国西藏羊八井地热电站，采用两级闪蒸发电系统。 尽管发电利用的地热水温度仅为1 4 5 ，但羊八井地热田在我国算是中高温型， 但在世界地热发电中，其压力和温度都比较低，而且热水中含有大量的碳酸钙和 其它矿物质，结垢和防腐问题比较大。 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 3 1 3 双工质循环系统 由于全球绝大多数的地热资源属于中低温热储，因此在不久的将来中低温地 热发电技术的研究和地热电站的装机容量将在地热发电中占有很大的份额。当地 热参数较高，温度在1 5 0 以上时，采用前面所述的闪蒸发电系统经济性较好。 但温度较低时闪蒸发电就很困难，这种情况适宜采用双工质循环发电方式。 双工质循环系统( 也称中间介质法) 是低温地热资源发电系统的最佳选择之 一。温度较低的地热水流经热源换热器，将地热水具有的热能传给另一种低沸点 的工作流体( 如异丁烷、异戊烷、氟利昂等) ，低沸点物质被加热后沸腾产生蒸 汽，进入汽轮机做功，排汽在冷凝器中冷凝成液体，经工质循环泵回到蒸发器被 加热，循环使用。地热水放热后从热源换热器排出加以综合利用，或回注入地层 热储。 常见的双循环发电循环有两种：即有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ， o c r ) 和卡林纳循环( k a l i n ac y c l e ，k c ) ，见图1 1 1 和图1 1 2 所示分别是o r c 地热发电系统图和典型k a l i n a 循环地热发电系统图【2 0 1 。 图l - l lo r c 地热发电系统原理图 控制截止髑 图1 1 2 典型k a l i n a 循环地热发电系统原理图 双循环系统的优点是设备紧凑，理论上效率较高，能够更充分地利用地下热 1 3 - 天津大学博士学位论文第一一章绪论 水的热量，降低发电地热水消耗率；地热水加热低沸点物质在热源换热器中进行， 两者只换热不直接接触。缺点是增加了投资和系统运行复杂性，技术难度大，操 作维修水平要求较高。该系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量 高的地热资源。发展双循环系统的关键是开发高效热交换器【1 8 】。 1 3 1 4 联合循环发电系统 为了高效利用以地热蒸汽为主的地热资源，研究人员提出地热联合循环发电 ( g e o t h e r m a lc o m b i n e dc y c l ep l a n t ) 的概念，即地热蒸汽经过气水分离器，流经 并驱动背压式汽轮机发电：做功后的地热蒸汽的乏汽在壳管式换热器内换热使有 机工质蒸发，驱动双工质系统的汽轮机发电。由于联合循环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以往经过一次发电后的 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， 经济和环境效益都很好。 在1 9 8 9 年，地热联合循环发电首次在冰岛一个背压式地热蒸汽电站设计并 应用；在1 9 9 2 年，在夏威夷3 0 m w 的地热电站得到应用；随后，在菲律宾1 2 5 m w 的地热电站、新西兰6 0 m w 的地热电站都进行了联合循环发叫2 0 1 。 1 3 1 5 增强型地热系统 补水站注水泵 增强型地热系统( e n h a n c e d g e o t h e r m a ls y s t e m ，e g s ) 或工程型地热 系统( e n g i n e e r e dg e o t h e r m a ls y s t e m ， e g s ) ，俗称干热岩( h o td r yr o c k ，h d r ) 技术。在这种高温岩体中，通常只有热， 没有裂隙或孔隙，没有渗透性，没有地热 流体，所以须进行井下压裂，在高温岩体 中造出人造裂隙，使地下岩石的渗透性提 高，实现从其中一眼注水井注入冷水，从 另一眼生产井中产出高温流体。图1 1 3 所示为传统的对井e g s 系统原理图。 e g s 的概念是2 0 世纪7 0 年代由美 国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l o s a l a m o sn a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ) 首次提出， 率先在新墨西哥州芬顿希尔验证了于热 图1 1 3 对井e g s 系统原理图 天津大学博 ：学位论文第一章绪论 岩技术，实验证明了可以实现从钻1 5 万英尺的深处提取能源的可能性。注入地 壳深处的水在岩石层里流动，其温度可上升到2 0 0 以上。但是试验过程中，由 于注入深层岩石层的水造成岩石层滑动，引起地面震动，该计划于2 0 0 0 年终止。 2 0 0 6 年1 月2 2 日，麻省理工学院( m l n 的一份名为1 1 1 ef u t u r eo f g e o t h e r m a le n e r g y 的研究报告引起了美国能源部的震惊。这份由m i t 的 j e f f e r s o nt e s t e r 博士主持、由1 8 位能源、地质学等研究领域的跨学科专家小组在 这份历时3 年时间完成地热能源研究报告，建议美国大力发展