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地热能发电技术 0908180114 陈曦 地热能发电技术 0908180114 陈曦一：摘要： 地热发电是把地下热能转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的生产过程。 1904年意大利试验地热发电成功。地热发电的相关技术已经基本成熟，进入了商业化应用阶段。美国拥有世界上最大的盖塞斯地热发电站，装机容量达2080MW。菲律宾的地热发电装机容量也高达1050MW，占该国电力装机总容量的15%。目前全世界地热发电站约有300座，总装机容量接近10000MW，分布在20多个国家，其中美国占40%。 我国地热发电站总装机容量30MW左右，其中西藏羊八井（1万KW）、那曲、郎久三个地热电站规模较大。 二：正文：前言地热发电技术成熟，虽投资成本稍高，但可以替代和节省常规能源，减少污染和二氧化碳排放；再从国际原油价格大幅波动，最高时已接近每桶150美元来看，肯定是有竞争力的。我国藏滇地热带有高温地热资源分布。可用于地热蒸汽发电；中低温地下热水中温度较高者可以先发电再将排水作综合利用。我国已开始增强型地热系统这一领域的研究工作。地球内部蕴藏着巨大的热能。从地表向下深入到地球内部，温度逐渐上升，平均温升为20-30摄氏度/千米，地球中心的温度约为6000摄氏度。地热资源按照它在地下储存形式可以分为四大类：水热资源、地压资源、干热资源、熔岩资源。通常所说的地热能是指离地表面10千米以内的热能。地热发电是把地下热能转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的生产过程。能够把地下热能带到地面并用于发电的载热介质主要是天然蒸汽（干蒸汽和湿蒸汽）和地下热水。 由于热水和蒸汽的温度、压力以及它们的水、汽品质的不同，地热发电的方式也不同。常用的地热发电方式有以下几种：（1）直接蒸汽法。从地热井取出的高温蒸汽，首先经过净化分离器，脱除井下带来的各种杂质，清洁的蒸汽推动汽轮机作功，并使发电机发电。所用发电设备基本上同常规火电设备一样。（2）扩容发电方式。即地热水经井口引出至热水箱部分扩容后进入厂房扩容器，扩容后的二次蒸汽进入汽机作功发电。这种一次扩容系统，热利用率仅为3%左右。将一级扩容器出口蒸汽引入汽机前几级作功，一级扩容器后的地热水进人二极扩容器，经二级扩容后进入汽轮机中间级作功，这就是两次扩容地热发电，其热利用率可达6%左右。西藏羊八井地热发电站属此种发电方式的机组，单机容量为3000千瓦。（3）双工质循环地热发电方式。当地热参数较高，温度在150以上时，采用扩容发电很合适。但参数较低时扩容发电就很困难，这种情况适宜采用双工质发电方式。即用参数较低的地热水去加热低沸点的工质（如异丁烷、氟里昂等），再用低沸点工质的蒸汽去冲动汽轮机。这种方式理论上效率较高，但技术难度大。目前国内进口的两台1000千瓦机组已投产发电。（4）全流式地热发电方式。将地热介质全部引入全流发电机组。该方式理论上效率很高，可达90%，但实际结果较低。目前，该方式在国内、外仍处于试验阶段，尚未付诸工业应用。地热发电方式还有两相全流法等。地热发电的原理与火力发电大致相同。由于地热发电不消耗燃料，因而不需要庞大的燃料运输、存储设施，设备系统比火力发电简单。地热发电后排出的热水只是降低了一些温度，还可以用于取暖、医疗等。地热电站不会排出污染环境的烟气和灰尘。我国地热资源储量丰富，分布面广，已发现的热沸泉2500处，地热田270多个。地热资源可开采量相当于4626。5亿吨标准煤，地热利用在我国具有广阔前景。国内典型项目：西藏羊八井地热发电项目江西华电电力有限责任公司螺杆膨胀地热发电机组。应用于西藏羊八井地热发电。图为机组。我国地热发电只保留了西藏羊八井地热电厂，该厂31年来一直在为拉萨供电做贡献。20世纪70年代我国利用中低温地下热水的7个发电厂寿命不长因“技术上可行、经济上不可行”的观点而中途夭折。我国西藏和云南的高温地热资源可利用其蒸汽发电：应用双工质循环技术可以使中低温地下热水发电，然后再作综合利用。世界上少数发达国家研究的“增强型地热系统”拥有巨大潜力有望在不远的将来替代人类的基础能源。中国应该，也正在开始步入这一领域的研究。在我国提倡节能减排的形势下地热能作为可再生能源的一员资源潜力丰富地热发电技术成熟，虽投资成本略高，但可以做到具有竞争力的商业性应用，从而在我国能源结构中发挥作用。地热能的综合利用：地热发电有3种方式一是利用高温地热蒸汽发电。二是用中低温地下热水发电，第三种称为增强型地热系统的开发。 高温地热蒸汽发电:意大利1904年首次试验成功利用高温地热蒸汽推动汽轮机发电。100多年来，该技术已得到不断改善和发展。2007年世界上共有24个国家建立了地热电厂总装机容量9700MW。美国的地热发电居世界第一。为2687MW装机容量。意大利的拉德瑞罗地热田和美国的盖依瑟斯地热田都是干蒸汽地热田即从井口喷出的是100高温蒸汽不含水分。直接用输送管送往汽轮机就能发电了。另外，新西兰、日本、冰岛等都是湿蒸汽地热田，井口喷出高温两相流体，既有蒸汽又含水这种情况要先实行汽、水分离。然后蒸汽去发电热水另作利用。世界上的高产地热井，温度能达300，甚至350cc，井口工作压力能达717bar(1bar=01MPa，下同)，流量能达500th单井地热发电潜力能达30MW。我国西藏羊八井地热田ZK4001地热井井口工作压力15bar，工作温度200，汽水总流量302th，其中蒸汽流量37th。单井发电潜力1258MWt51。我国西藏另一处已经勘探评价的羊易地热田最高温度207工作温度105190，闭井压力2894bar工作压力095113bar，单井汽水总流量32373th其中蒸汽流量35lOOth热田目前可建厂的地热发电潜力30MW。我国西藏南部经四川西部至云南西部，属于全球性地中海一喜马拉雅地热带的东段16I。带内有温泉1000余处，其中高于当地沸点的有81处。目前开发用于发电的仅羊八井地热田1处，完成勘探评价的有羊易地热田l处，其余丰富的高温地热资源仅在青藏铁路沿线的谷露、董翁、续迈、吉达果等10余处进行过详细勘查，所有这些勘查过的地热田其地热发电潜力为1375x104kW。西藏地热资源普查估算的资源总量为299x108kW。如此丰富的地热资源正等着我们去勘探查明，以供投入开发。我国地热发电技术还赶不上世界先进水平。因为10余年来没有新建电厂的需求。然而羊八井地热电厂已发电31年，近年还每年生产电力(115-126)x108kWh，年运行超过6000h，这属于世界的中上水平。如果我们抓紧努力，加强研究是可以赶上世界先进水平的。高温地热资源是高品位的能源，我国西藏羊八井一眼井具有1258MW的发电能力。属世界上资源潜力的中上水平这样的品位优势是其他可再生能源望尘莫及的。地热电厂一年可以运行6000h以上，是太阳能和风能年运行小时的2倍以上。中低温地热水发电: 中低温地热水发电主要是应用双工质循环法即利用地下热水加热某种低沸点的有机工质该工质的沸点仅30左右因此靠中低温地下热水加热后就能产生35bar的压力，就可以推动汽轮机发电。从汽轮机流出的发电后的有机工质气体，可由压缩机再转化为液态。再去参与下一轮循环。我国20世纪70年代的中低温地热水发电已具备相当水平至少创造了67世界最低温度发电的实例。但是。30年来这一技术领域没有扩大应用，在跨人市场经济后，没有市场需求，因此技术上未取得新的进步。然而，在这30年中，世界上中低温地热水发电技术却在不断研究进步使整套发电系统的效率得以提高，成本得以降低。近些年来我国还在研究开发另一种中低温地热水发电技术。称为螺杆膨胀动力机。其发电原理就是螺杆压缩机的逆向应用即压缩机是靠电力驱动而产生压力现在将中低温地热水(也可以是工厂余热水、含污热液热水等)或汽液混合物以一定压力送入螺杆膨胀动力机就能使动力机运转而发电。这一技术在国外也属于探索性的创新技术。我国自20世纪80年代起开始研究，制成了5kW的试验机组。1993年又作为国家“八五”攻关项目开始工业试验机的技术研究，并通过国家级专家评审验收。此后，深圳市某公司接手进一步研究开发，已实现300kW机组在工厂余热发电应用现还能生产1500kW机组18。我国有3000多处天然温泉。其中温度在60以上的占24，即730余处，我国还有3000多眼地热井，其中温度高于80的至少有百余眼，这些资源可以用作中低温地热水发电考虑。实际上，发电只是利用这些地热流体的高温段资源例如将90热水用于发电至70排出而这些排出的70热水仍可应用于目前的综合地热直接利用。 增强型地热系统:2008年3月，一份名为地热资源的将来的研究报告引起美国能源部的震惊。美国马萨诸塞理工学院完成了这份历时3年的研究报告，该报告的副标题是“美国21世纪增强型地热系统的冲击”报告全文372页。这项研究计划的目的，是面对美国的人口增长、社会电气化的发展，考虑美国长期能源供应的安全对抗可能因油价波动或供应中断而招致的经济不稳定，提出地热能能否在2050年提供l108kW发电的基础容量。研究结果发现，增强型地热系统，或称工程型地热系统(即以前所称的干热岩)，可以提供这样的电力和热量供应。增强型地热系统是潜力巨大的本土化资源不像现在开发的水热型高温地热资源那样受地域限制而且这种清洁能源导致的环境影响最小还可做到合理的开发投资和有竞争性优势的运行成本，该技术的商业化规模可望在1015年内实现。研究报告估算全美国增强型地热系统的资源基础超过1300x104EJ(E=1X1018，下同)，还估算了其可开采量超过20x104EJ，这是美国2005年基本能源消费量的2000倍!增强型地热系统在世界上已有30多年的研究历史，但只局限在美国、英国、法国、德国、日本、澳大利亚等少数国家。为达到商业性开发目标30005000m钻井技术和热电转换技术等都作过研究。在这种俗称“干热岩”的岩体中，通常是只有热。没有裂隙或孔隙，没有渗透性，没有地热流体，所以需要靠井下“压裂”，在高温岩体中造出人造裂隙连通地下网络便可以从一眼井灌人冷水从另一眼井产出高温流体。 过去。我国仅有少数学者发表论文或著作，探讨这一领域，但并未实地开展这一研究。2007年。中国能源研究会地热专业委员会与澳大利亚Petratherm公司签订了合作协议。共同承担“中国工程型地热系统资源潜力的研究”项目。中澳专家已联合在一些可望有潜力的选定地区开展了初步调查采集了一些试验样品。进一步的分析测试、模型研究等工作正在逐步进行中。国内知名专家:马伟斌,中国科学院广州能源研究所地热工程中心副主任、首席科学家,长期从事地热资源的利用与研究工作,在地源热泵的研究与开发领域具有高深的技术造诣与工程实践经验,目前兼任北京中科能能源高科技集团有限公司总工程师及常务副总经理。参与中国几乎所有的地热发电项目的论证与设计，对中国地热发电情况相当了解。三:相关资料(一)日本地热发电产业现状及产业政策日本约有100座活火山，地热资源储量排在印尼、美国之后居世界第3位，换算成发电能力超过2000万千瓦，相当于15座原子能发电站。目前日本地热发电量约为风力发电的2倍，太阳能发电的3倍。地热发电基本上不产生CO2，包括发电设备及建设送电设施在内，CO2排放量仅相当于火力发电的几十分之一，原子能发电的一半左右。由于燃料不依赖国外供应，不存在汇率和燃料价格变动风险。出于未来国际政治和经济发展长远战略需要，日本时隔20年再度兴起地热发电热。1:日本地热发电概况日本约有100座活火山，地热资源储量排在印尼、美国之后居世界第3位，换算成发电能力超过2000万千瓦，相当于15座原子能发电站。目前日本地热发电量约为风力发电的2倍，太阳能发电的3倍。正在运营的地热发电站仅有18所，主要集中在东北和九州地区，总功率50万千瓦，约占国内总发电量的0.2。东北地区主要地热发电站：大沼发电所、澄川发电所、松川发电所、葛根田发电所、上之岱发电所、柳津西山发电所、鬼首发电所。九州地区主要地热发电站：大岳发电所、八丁原发电所、山川发电所、大霧发电所、滝上发电所。第一次石油危机后，日本国内曾掀起一股地热发电热。但随着原子能发电的普及和煤炭价格的回落，功率远小于火电站的地热电站逐渐受到冷落。由九州电力和出光興産大分地热两家公司共同出资成立，功率1万千瓦以上的大型地热发电站滝上地热发电站（大分县），在运营96年后也曾一度被迫停运。2:日本再兴地热发电热为实现削减温室气体排放目标，树立环保节能的世界形象，树立 “低碳经济”长远竞争力，日本时隔20年再次启动地热发电站建设工程。三菱Materials公司、日本电源开发公司09年开始投资约400亿日元，建设总功率6万千瓦的地热发电设备。日铁矿业和九州电力也投资约200亿日元建设地热发电站。三菱Materials公司与日本电源开发公司在秋田县汤泽市，抽取地下2000米左右热水和蒸汽用于发电。经过环境评估后开始施工，2016年正式运营，所发的电力主要销售给东北电力公司。日铁矿业与九州电力合作，2015年前后在鹿儿岛县雾岛市现有地热发电站（功率3万千瓦）旁边新建功率3万千瓦的地热电站。另外，两家公司计划再投资数百亿日元，在当地新建功率6万千瓦的新设备，目前正对周边地质进行调查。出光生产子公司出光大分地热（大分县九重町）为了建设第二所地热发电设备，计划09年着手进行相关调查。3:日本地热发电的政策扶持为推动地热发电站建设，日本政府今年春天推出系列扶持政策。(1)制订了地热发电长期规划目标。05年日本地热发电装机容量52万千瓦。经产省预计，2020年增加到2倍以上即120万千瓦，2030年增加到190万千瓦。(2)适当修订有关法律。为推动新能源的合理开发利用，日本政府2003年发布了“新能源特别措施法（RPS法）”，该法律要求每家电力公司必须义务地开发一定量的新能源用于发电。当前，为了促进地热能源的充分合理运用，日本政府正研究解除RPS法中上述规定，仅要求电力公司采取特定方法发电即可，不做开发量的约束。另外，关于发电设施的选址，放宽在国立公园内的地热电力开发相关限制，但要求电力公司要配合政府开发目标去合理选择。(3)在技术及资金上给予援助。为了在技术上及资金上援助地热发电，日本经产省牵头成立了由电力公司负责人、相关学者组成的研究会。09年4月，对地热电站的前期投资给予资金援助。(4)补贴开发费用。为普及地热发电，日本经产省强化援助扶持政策，增加开发地下资源建设发电设备的相关补助。目前政府补助2成开发费用，正研究将补助提高至三分之一。预计2010年开始实施，正在拟订详细计划。(2) 地热利用迎来又一个高峰2010年世界地热大会见闻 随着全球气候问题日趋严峻，地热作为一种清洁能源，越来越受到各国政府的重视。世界地热大会每五年召开一届，是目前规模最大、技术含量最高和参与最广泛的地热会议。由国际地热协会主办、印尼能源矿产部和印尼地热协会协办的2010年世界地热大会于4月25日30日在印尼巴厘岛召开。在这次会议上，来自西安地调中心的高级工程师尹立河与印尼专家共同主持了水文地质分会场的学术交流，并作了学术报告。本期特约尹立河为大家介绍大会见闻，以期对开展地热研究与应用提供参考。今年世界地热大会的主题是“地热改变世界之能源”，涵盖了地热资源评估、地热钻井技术、地热发电、地热直接利用（包括地源热泵）和增强地热系统等多个专题。印度尼西亚总统、冰岛总统以及各级官员到会，大会共有2500多位代表参加，分别来自85个国家和地区。我国科研院所和地热能应用相关企业的100多名专家学者参加了本次大会。大会发表了“巴厘岛宣言”，号召世界各国加大对地热资源的投入，开展利用这一可持续利用的清洁能源，以应对全球气候变化。 地热利用已成全球热点 本次大会中，许多国家提交了本国的地热资源利用情况。根据这一最新的数据，全世界共有78个国家在利用地热能。从世界范围来看，地热能主要用于发电和直接利用，其中2010年地热发电为10715百万瓦，直接利用为50583百万瓦。 从会议得知，全世界共有27个国家利用地热发电，绝大部分分布在美洲和亚洲，分别占世界总装机量的39.9%和35.1%。我国地热发电的总装机量为24百万瓦，发电量位居世界第18位。近年来，地热能利用的最大变化来自直接利用，其中地源热泵是增长最快的地热能的利用方式。从统计来看，冰岛和土耳其地热能的贡献最大，冰岛89%的房屋供暖来自地热能。 通过本次大会可以看出，在节能减排的大背景下，世界范围的地热勘查研究和开发利用势头强劲，地热资源用于经济建设、造福社会已是大势所趋。 地热领域发展探索新方向 在本届世界地热大会上，特邀发言人拉迪斯劳斯博士做了 “地热资源的现状与前景” 学术报告。报告中提到了地热领域的两个发展方向，一个是增强型地热系统，一个是浅层地温能（包括地源热泵）的应用。增强型地热系统(EGS) 是指从地下3千米10千米低渗透性岩体中经济开采深层地热的人工热能系统，具有热能蕴藏量巨大、利用效率高、系统稳定等特点。在这次地热大会讨论过程中，国际上对开发增强型地热系统的呼声日益高涨，不仅投入巨资开展研究，美、德、法、澳、日、瑞等国还建设了一批试验性增强型地热系统，但我国增强型地热系统研究基本处于空白，所以应大力促进我国增强型地热系统的研究开发。 我国浅层地热能开发利用一直在世界名列前茅，本次大会共有5次与浅层地热能相关的专题学术活动，共有30多名来自世界各地的科学家进行了学术交流。学术交流以浅层地热能的应用为主，包括利用浅层地热能进行房屋供暖、食品的干燥以及海水淡化等。在地源热泵方面，主要是针对地源热泵的诸多关键技术问题开展理论探讨，如太阳能与地源热泵联合应用的可行性探讨等。 此外，在本次大会上，有众多的世界知名地热勘查设备制造商参会，从一个侧面反映了世界各国对地热能发展的前景充满信心。日本的工业巨头三菱和东芝都带来他们最先进的设备参加本次大会。法国知名企业低温星（Cryostar SAS）的新产品低温汽轮机，可以利用低温地热能进行发电，引起了世界同行的关注。正如亚洲可持续能源开发中心的主任爱德华所说，这些新的设备必将推动地热资源的勘查、开发和利用。会后发表的巴厘岛宣言有四部分组成，分别为：能源是人类发展的基础，人类需要清洁的地热能源，各国应加强对地热开发的力度和地热是改变世界的能源。宣言指出为了应对改全球气候变暖和改善人类的生存环境，各国政府应重视地热资源的应用，加大在地热发电和直接应用方面的投入。从巴厘岛宣言可以看出，在全球气候变化的大背景下，地热利用将迎来又一个高峰。随着世界经济的发展，对能源的需求日益增加，而为了应对全球变暖，必须不断加大对清洁能源的使用。我国的可再生能源法和正在制定的能源法都强调了必须大力提倡使用清洁能源。巴厘岛宣言也会进一步促进我国在地热能方面的利用，进一步推动地热能，特别是浅层地热能在我国的普及。 仍存在的难题 ：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。（一）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:最优地点的选择;钻井和井孔运行费用与其他排放方法费用之比较;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。（二）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