国内外地热发电的新技术及其经济效应.docx

可再生能源国内外地热发电的新技术及其经济效应胡达1，刘凤钢2，黄 云2，伍 满2(1江西华电电力有限责任公司，江西338004；2新余市螺杆膨胀机工程技术研究中心，江西338004)摘要：本文简要介绍了国内外地热发电现状，对地热发电技术进行了回顾与分析，对欧美等发 达国家地热发电新技术进行了跟踪与分析，阐述了地热发电作为可再生能源的经济效益，为我国地 热发电，特别是中低温地热发电提供了新的技术思路及发展方向，同时阐明了地热资源开发对经济 的影响，以增强地热资源可持续发展的意识。关键词：地热发电；新技术；经济效益 中图分类号：F426文献标识码：A文章编号：1003-2355一(2014)10-003005Doi：103969巧issn10032355201410007Abstract：This anicle in缸Dduces the present situation of geothenllal power generation world widely蛐d reViews the existing geothemal technologiesIt presents tracking and analysis about cuttingedge technology of geothemal power generation in some developed coun臼M and discusses the economic benefits of geothemal power generation And it also provides the new tecllllicalideas and directions for the geothemal power generation，especially for lowtemperature geothennalresourcesIn addition，this article pays attention to economic efrects of geothemlal deVelopment and s仃engmens awareness of sustainable deVelopment of geothemal resourcesKey words：Geothemal Power Generation；Cu仕ing-Edge Tecllnolog)r；Economic Bene6ts1引言 2012a)。在世界能源形势日益严重的今天，化石 地热能是指蕴藏在地球内部距地表6km以内能源价格持续走高，同时化石能源的大量使用所 的能量，是一种由复杂的地质构造活动而形成的 带来的环境污染及生态破坏等一系列问题使得寻巨大的自然能。而我们通常所说的地热指的是一 找洁净的可再生能源成为一项迫在眉睫的任务。 种高温并富含矿物质的液体或蒸汽，是将地热能地热能源作为一种洁净无污染，并且储藏量近乎 带到地表面的载体介质，目前技术水平能够进行无穷的可再生能源，其开发和生产具有极其重要 开发利用的主要是地热水和地热蒸汽两大类(H01m的战略意义，受到了全世界各国的普遍关注。据 et al，2010)。地球的中心(约64374km深处)的 专家预计，到2100年地热利用将在世界能源总量 温度大约在5500，接近太阳的表面温度。科学 中占3080(GEA，2012b)。 家们估计，从地球中心源源不绝辐射出热量已经2 地热发电现状约有45亿年了，相当于每小时有42万Mw的21国外地热发电现状功率从地球内部流出(主要是通过导热过程)，预 1913年，第一座装机容量250kw的地热电站 计这种势态将继续保持数十亿年，因而确保了地 在意大利建成并运行，标志着商业性地热发电的 热是一种取之不尽、用之不竭的能源，这也正是 开端(Lund，2004)。目前世界最大的地热电站是 地热资源最大的优点之一(Bertani，2009；GEA， 美国的盖瑟尔斯地热电站，其第一台地热发电机作者简介：胡达，男，硕士，高级工程师，江西华电电力有限责任公司董事长，新余市工商联副主席，长期从事新能源及新技术产品的研发。，稿占上，暖一收稿日期：2014一0824T谢倒b缔第36卷第10期2014年10月30万方数据司再生能源。组(1lMw)于1960年启动。截至2叭2年初，全地热发电厂又分别于2008年和2010年各安装了 球24个国家地热发电并网电量约为11224MW(表 1台lMw双螺杆膨胀机地热发电机组，至今运行1Jennejohn et al，2012)，地热发电在短短100年 良好。但是，无论是在地热发电的规模上还是地 的历史中取得了长足的发展，证明地热发电是安全 热发电技术的研究开发上，中国与世界发达国家 可靠并可长期持续运行的。随着人们对地热能源利 相比都还有较大差距。 用认识的提高，以及近年来在节能减排和可持续发3 传统地热发电技术回顾 展理念越来越深入人心的背景下，地热发电得到了 目前世界上开发的地热资源主要是蒸汽型和 迅猛的发展。表1展示了过去三年中国际上地热发 热水型两类，因此，地热发电也主要围绕这两种 电装机容量大幅度的提升，截止到2012年5月， 资源类型展开。就世界上的商业地热发电厂而言， 开展地热项目的国家数量同比2007年增长了52 按资源利用的发电技术方法主要可以分为以下四 (GEA，2012a)。按照目前的发展趋势预测，2035种类型。 年地热发电的装机容量有望超过目前装机容量三个31干蒸汽发电厂数量级。蒸汽直接从地热生产井通过连接管道进入蒸 汽动力机做功并带动发电机发电，这种地热井成表l截止2012年5月各国地热发电装机容量分中只有蒸汽，因此甚至不需要进行汽水分离就叫，-：i，l可以直接利用。然而，大型的干蒸汽地热井是非常罕见的，目前发现的干蒸汽地热井都被开发完美国】3187萨尔瓦多 204【葡萄牙 29 毕。图1是干蒸汽发电系统的示意图。菲律宾 1904肯尼亚 202【中国24印尼1222哥斯达黎加 208法国16墨西哥|958 尼加拉瓜 ：124 i埃塞俄比亚7新西兰I 768土l=【=其93奥地利 1、冰兰I竺!I呈!垩翌兰空垩l!l望查型垩i!查I!：!l苎兰兰竺f!l耋苎 兰122国内地热发电现状图1 大型排气地热发电厂示意图(Lund，2007)在20世纪70年代初，世界面临着第一次石油32闪蒸电厂 危机，世界各国都开始重视新能源的开发，中国 闪蒸电是目前利用地热发电案例中最为常见 也掀起了地热能源开发的浪潮。从1976年至1991 的应用技术。拥有一定压力的地下热水或者汽液 年期间，在西藏羊八井地热田陆续完成9台地热 两相流输送到一个容器(称为蒸汽分离器)而分离 发电机组的安装，建成了总装机容量2518Mw的 成蒸气和热水。蒸汽被输送到汽轮机或其他热动 大型地热发电厂，被誉为世界屋脊上的一颗明珠。 力机做功，带动发电机进行发电，而液体，视其 但是由于我国地热资源大多属于中低温地热资源， 压力高低，或被进一步闪蒸，或回灌到地下热井。 发电成本较高，并且地热资源情况非常复杂，投 图2是闪蒸发电系统的示意图，图3是闪蒸发电 资风险较大，地热发电在过去一段时间内被认为 技术中更为常用的方法，即实现多次闪蒸，并根 是“技术上可行，在经济上不行”的可再生能源， 据压力高低进入各级压力组成的蒸汽汽轮机，汽 导致国内地热发电多年来几乎处于停滞状态。中 轮机一般以串联形式布置，以提高系统整体效率。 国许多中低温地热发电厂都相继夭折，目前只保加州的二级闪蒸地热电站就是这一技术的应用实留了西藏羊八井地热电厂。事隔近20年后羊八井例(Kagel，2008)。一ld占上暖第36卷第10期2014年10月丫谢倒厶。幼3l万方数据可再生能源Renewable Energy34闪蒸双循环联合循环 闪蒸双循环联合循环电厂，能够有效地将闪蒸和双循环两种技术相结合，拥有两种技术的优点。 在这种系统中，部分地热水首先在减压容器下“闪 蒸”，产生的蒸汽首先进入背压汽轮机做功被转化 为电能，而动力机排出的低压蒸汽则在双循环系统 中利用冷凝的热量来加热有机工质进行双循环系统 发电，提高了系统的热电效率。美国夏威夷的Puna 闪蒸双循环联合循环发电厂就是这一技术的应用图2冷凝回灌式发电厂示意图(Lund，2007) 实例(Blodgett&slack，2009)。4 国外地热发电新技术 本文讨论的新地热技术在20世纪80年代就已经开始探索研究了，当时不断高涨的能源价格使得 探索地热资源的前景远远超过了石油和天然气的利 益，世界各国都争相开展地热资源等新能源的技术 研究。然而，在1986年后能源价格暴跌，只有小 部分项目，包括极少量地热开发项目得已完成。在 当今世界能源价格再次暴涨以及由化石能源产生 的环境污染日益严重的背景下，地热发电技术的发 展，正在重新成为全世界关注的焦点。图3单闪蒸及双闪蒸发电原理图(Lund2007) 我国目前地热发电技术水平与世界发达国家 相比仍有一定差距。国外的一些新技术，包括一33双循环电厂些以前未完成的技术构想，能够为我们提供许多通常使用双循环(也称有机朗肯循环)系统， 有价值的参考，值得我们去借鉴和学习。通过地热的热水加热另一种低沸点的做功工质，41增强型(EGs)地热系统例如异丁烷、五氟丙烷或其它有机液体。通过热增强型地热系统(EGS)技术，可以很大程度交换器保证两种液体在完全独立分离的状态下将地提升地热发电的能力。通过将水回灌到地下水热量从地热热水中传递到工作介质中，使得工作库，不仅可以使得现有资源得到循环利用，还可介质被加热成为完全干蒸汽状态。工作介质蒸气能创造出新的地热资源，此外，EGS技术还可以进入动力机膨胀做功，并带动发电机进行发电， 提高水的循环效率和地热电厂的发电效率(sullivan而所有的地热水将被回灌到地下热井。这种类型 etal，2010，GEA，2012b)。相比传统的地热资源，发电厂被称为双循环地热发电厂(见图4)。美国 该系统可以采集到更深层的、品位更高的地热资阿拉斯加的Chena温泉双循环热电厂就是这一技 源，其温度通常在175225之间。术的应用实例。(Kagel，2008)增强型地热系统是一个闭环系统，由两个子系 统组成。第一个子系统是地下热储层的开发建造。 即从地下深埋的岩石获取地热，通过注水井用冷 水加压致裂方法建立高渗透性的裂隙体系(人工热储)。冷水流过储热层，渗进岩石的缝隙吸收热量再通过生产井将200以上的水或蒸汽抽出地层。 第二个子系统是热水采出后进入地面发电系统， 如采用双循环发电装置将高温热水加热低沸点工 质的有机朗肯循环来带动蒸汽动力机发电，而冷 却后的水则被再次注入地下热交换系统循环使用。1龠占，暖一图4地热双循环电厂示意图(Lund，2007)EGs技术通常采用双循环发电系统，以维持地热T嘲融厶。动第36卷第10期2014年10月V0136 No10 0ct201432万方数据Renewable Energy可再生能源水源的压力和降低回灌的能耗。由于EGs技术开43混合冷却系统 发的底层深度和地热温度与传统地热电厂不同，专家一致认为现场混合冷却是地热发电厂改 其涉及的环境影响也与传统的地热发电厂有所不进的最重要方向之一。在使用水受到日益约束的 同。法国舒尔兹的15Mw增强型地热电厂就是这条件下，空气冷却将有可能成为各种项目上首选 一新技术的应用实例(Blodgett and slack，2009)。 的冷却方案。然而，夏季风冷系统的效率相对较低，42卡琳娜(Kalilla)循环电厂许多实际项目表明，在某些极热天气的条件下，在美国国家可再生能源实验室(NREL)和爱达 这些电厂的发电量只有在较冷天气条件下的一半 荷国家实验室(INL)，以及其它单位的研究表明，左右。而如果要刻意加大空气和水之间的温差， 双循环混合工作流体表现出了可以改善蒸发器和 需要付出很大的代价，有时甚至会得不偿失。 冷凝器热力学效率的潜力，从而改善双循环地热NREL和INL正在研究的方向是提高风冷式 发电厂的整体效率。研究人员通过调查各种纯的 冷凝器的传热效能(B10dgett&S1ack，2009)。根 和混合的工作流体，寻找出一个特别适合于较低据NREL实验室的R&D网站显示，它的核心理念 温度下地热资源的潜在工作流体，即卡琳娜循环是“使用一种特殊的穿孔片让所有空气流经孔片”。 中所应用的氨一水混合流体。在NREL两个实验模型上的测试和相关的计算机典型的卡琳娜循环使用7：3的氨水混合物作 建模计算表明，相比于一个标准的空气冷却系统，为工作流体。使用地热水作为热源蒸发工质流体。 在相同的风扇功率下，混合空冷系统可以提高传 由于氨一水混合物的沸点可以在一个较宽的温度 热效能3040以上。 范围内变化此温度与通过蒸发器的地热水温度 NREL分析了四种不同的方式，研究不同空气和 密切对齐，从而提高了有机朗肯循环的整体热效 水组合在一起的冷却方式，以减小空气冷却的成本并 率。然而，这种匹配的结果会导致地热水与工作 增加其传热冷却性能(Blodgett&slack，2009)。 流体之间的温度差很小，因此需要更大的换热面目前在加利福尼亚州位于Mammoth湖的太 积。虽然卡琳娜循环降低了热力学不可逆性来提平洋电厂现已经安装了空气一水混合冷却系统。 高系统的热力学效率但分离的氨和水会增加系 虽然以空气冷却为主、水辅助的冷却方式的代价 统的复杂性，并且可能需要增加额外的泵耗，此十分昂贵，但是优点是能够在夏季输出较高的发 外对蒸发器的要求比传统双循环更高，由此会进 电功率，因此，美国能源部对Mammoth开发的 一步加大投资成本。空气一水冷却系统提供额外的补贴，可以采用从许多专家认为卡琳娜循环技术拥有未来的大Mammoth社区水域来的污水经三级处理后作为辅规模市场化的可能性。然而，也有许多研究人员 助用水冷却，协助空气冷却。 对卡琳娜模式能够提高典型郎肯循环电厂整体效44涂料 率的潜力仍保持怀疑态度。卡琳娜循环在美国的 地热流体中含有许多化学物质，其中主要的腐 最大问题是尚未拥有大型商业化验证，故说服投 蚀介质有溶解氧(02)、H+、cl、H2s、C02、NH3 资者对该技术投资有很大难度。一种可行的解决和sO：。等，再加上流体的温度、流速、压力等因 办法是让政府为工业界提供成本费用并共享项目， 素的影响，地热流体对金属表面会产生不同程度 以验证其电力转换技术在地热发电中应用的可行 的腐蚀，将会直接影响设备的使用寿命。地热电 性。实际上，这种费用分担和共同验证的过程对 站腐蚀严重的部位多集中于负压系统，其次是汽 任何新兴的地热技术都是一致且非常重要的。 封片、冷油器、阀门等，腐蚀速度最快的是射水卡琳娜循环系统，迄今为止在世界上已有3 泵叶轮、轴套和密封圈。 套设备在运行：第一个是13Mw的余热发电厂腐蚀和矿物沉积(称为结垢)经常发生在悬浮 用于日本住友金属鹿岛钢铁厂，该项目于1998年固体颗粒较多，以及离子浓度较高的地热资源地 安装在日本鹿岛；第二个是于1999年安装在冰岛 区，如加州salton海地热田(B10dgett&slack，Husavik的一个18MW的发电厂，至今一直成功 2009)。这些颗粒会随着时间的推移慢慢沉积积累地连续运行。最大的一个是于2009年安装在德国可能会阻塞管道或容器，降低换热器的传热效果。 慕尼黑距市中心15km的一个34Mw的发电厂，要控制结垢可以使用化学添加剂或定期清洗弄脏目前运行良好。的表面，但这些做法会增加运营成本。传统技术一l，痈二工，暖第36卷第10期2014年10月T埘倒DV劬Q万方数据习再生能源。上为了减少腐蚀，已经使用昂贵的耐腐蚀材料， 的资本大幅增加。在美国，地热资源利用每年增 例如高合金钢和钛。然而，这些材料的导热特性 加约100Mw，通过最近几年新项目的建设，美国 蓝不突出，但花费至少是普通材料的3倍。 未来几年新建地热项目的投资将超过100亿美元。为了维持管路的畅通和热量的有效传递，同时 地热资源拥有极大的经济潜力，是一个能够改变 降低运营成本，美国Brookhaven国家实验室(BNL) 全球能源市场的极具吸引力的能源选择。 开发了以聚苯硫醚基为基础的耐结垢的碳钢涂料此外，地热发电厂甚至可以成为一个吸引游 (Blodgett&slack，2009)。这种涂层可以适用于客、学生、科研人员、或有兴趣人士的参观旅游 所有热交换器，以及双循环发电厂中的管道，闪 项目，从而带动当地的商机。冰岛最热门的旅游 蒸罐以及其他电厂设备。应用这种碳钢的涂料比 地点是蓝泻湖(B1ue Lagoon)，它的地热温泉连接 采用高合金钢更便宜能够提供同等的防腐蚀效 到岛上西南区的史瓦特森吉(svartsengi)电厂， 果，并且比不锈钢和钛更容易清洁。 该电厂成为景区一道独特的风景。另一地热资源由美国可再生能源实验室的现场测试结果表明 综合开发利用的典型例子是加利福尼亚州calpine (Jennejohn et al，2012)，当碳钢管经该涂料涂覆后， Geysersd，自2001年开业以来截至到2012年8月， 与高合金替代品相比，涂层材料具有与高合金相当 游客中心接待了超过75000名来自美国各州以及 的抗腐蚀结垢能力并且拥有更优秀的导热特性。特 79个其他国家的游客。 别是对于地热流体矿物含量高或有腐蚀性的地区，地热项目只有通过早期完善的经济性评价，开 涂层可能是代替昂贵建筑材料的良好替代品。 发者、运行商、用户才能得到最大的收益。与任何虽然涂料已被广泛应用于各个领域，如军事、投资项目一样，地热项目需要对其风险、成本和效核工业、石油设施等，但还没有在地热商业应用 益的充分论证和评估。一个地热发电厂的资金成本 上的相关报道。在地热领域中涂层材料有很大的 通常比一个传统燃料电厂可能更高，有时甚至要高 潜力值得挖掘，能够显著降低地热发电成本并提 很多。但相对地，地热发电厂的自用能量成本，包 供发电效率。 括设备元件(管道、阀门、泵、热交换器等)的维修5 地热发电的经济效益成本却远远低于常规燃料电厂。较高的资本投入，具有经济效益是地热能被广泛利用的基本前 可以从节省的运营成本中得以收回。因此，地热电 提。随着科技的不断进步以及人们对可持续发展理 厂的设计应该保证地热电厂能够运行足够长的时 念认识的不断加深，地热发电已经打破传统上的“技 间，以回收昂贵的初始投资，并在可能的情况下， 术上可行，而经济上不可行”的观念。伴随着化石 尽可能地提高运行时间以获取更大的经济效益。 能源和电力成本的波动，不断上升的能源价格极大6结语 地影响了人们的日常生活，全世界都迫切需要开发 地热发电不仅符合环境保护的大前提，而且随 新能源来稳定不断紧张的能源形势，地热资源提供 着勘探和利用技术的提高，已具有市场竞争性， 了一个非常优异的选择。不同于煤炭及天然气，地 其开发利用前景广阔。为了充分利用和保护作为 热发电没有任何隐藏的费用，例如土地退化、排放 可再生清洁能源的地热能资源，在地热开发与管 污染等，也不会对周围区域动物和植物的生存环境 理中应根据整个地区的经济发展进行规划和布局， 造成破坏，更不会对人类健康产生不良影响。此外， 遵循“统一规划、统一管理、合理布局、综合利用、 由于地热能源是地区性自产的，其能够有效地缓解 以热养热”的理念。在统一标准指导下，推动地 对于国外能源的依赖，符合国家能源安全政策。 热开发的商业化与规模化发展开拓利用地热新领GEA在2006年的估计显示(GEA，2012b)， 域。加强地热资源开发的科学监督，加强科研力度， 在地热能上投资的1美元，能够促使美国经济增 提高地热发电的效率以及综合利用水平。国家政 长250美元，也就是说一个04亿美元的地热投 策应该引导地热资源的利用及开发，并鼓励探索 资将为整个美国带来1亿美元的经济增长(假设地 研究更多的地热资源的地区，包括以前被认为不 热项目平均投资成本为4000美元kw)。根据美 适合进行开发利用的地热资源。希望今后地热资 国能源部评估，在2006年，全球可再生能源技术 源的利用将不再被局限于极少数高温地热资源项 项目新增投资达709亿美元，2007年为1172亿 目中，而是尽可能发掘地热资源的所有潜力。美元(Kagel，2008)。之后，每年投入到地热项目l确二暖 (下转第43页)T嘲利6p劬第36卷第10期2014年10月34万方数据气候变化2005，13(3)：259267【23FreireGonz d lez JMethods to emPiricaUy estimate direct and G而sche PHousing，enegy cost，and the p00r：C0unteracting indirect rebound efkct of energysaving technological changes in efkcts in Germany s housing allowance pmgram【J】Energy householdsJ】Ecological modeling，20l 1，223(1)：3240 Policy，2010，38(1)：9398 【24 Greening L A，Greene D L，Difigli0 CEnergy efficiency and12】Sagar A DAUeviating energy poveny for the world 8 poorJconsumptionthe rebound effecta surveyJ】Energy policy，Energy Policy，2005，33(1 1)：1367一1372 2000，28(6)：389401【13 IEA(Imemational Energy Agency)world energy 0utl00k 2012 【25】Khazzoom J DEconomic implications of mandated emciency inParis：0ECDIEA2012standards for household印pliancesJ】e Energy Joumal，1980，14】 Chakravarty S，Tavoni MEnegy poverty aUeviation and climate1(4)：2140change mitigation：Is there a trade off?【J】Energy Economics，26】BI咖kes L GEnergy poli。y，the energy price fallacy and the mle of201340：S67一S73 nuclear energy in the u埘JEnelgy P0licy1978，6(2)：94106 15】李慷，王科，王亚璇中国区域能源贫困综合评价北京理工【27】张培栋，王刚中国农村户用沼气工程建设对减排C0：，s0：大学学报【”北京理工大学学报社会科学版泣014J在2l12的贡献分析与预测【J农业工程学报，2006，2l(12)：16 谢美娥能源贫困与中国欠发达资源富集区的农村能源建设147一151-问题研究以贵州毕地区为例”经济研究导刊20lO(3)28朱立志，叶晗农村沼气工程的减排效应和成本效益分析中2931 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