20世纪地热利用技术的变迁——地热发电

20世纪地热利用技术的变迁——地热发电

 
摘 要:人类利用地热资源发电始于1904年的意大利。将近一个世纪,全世界利用地热的发电量达到了8210 MW,占世界总发电量的0. 3%,地热资源的利用,逐渐受到人们的重视。人们已开发出蒸汽发电机、水流式发电机和二元循环发电机。地热资源的进一步勘探、开发,干热岩发电、岩浆发电将是21世纪的人们重点研究的课题。
主题词 地热资源 高温岩体 岩浆能量 发电方式 二元循环
一、地热发电现状
1,地热发电特征
    地热发电是火力发电的一种,一般的火力发电为了产生蒸汽而使用锅炉设备,而地热发电则是利用
地下深部的天然蒸汽。所以,地热发电不需要化石燃料,从这一点来看,具有一定的经济价值。从世界范围内的环境保护来看,它和原子能发电、水力发电、风力发电一样,二氧化碳的排出量很少,属于清洁型能源。和通常的火力发电相比较,它的必要条件容易达到,如1999年7月开始运行的最新研制成的100〔104kW燃煤成套设备——松蒲火力发电站2号涡轮机运作温度、压力是: 593e、246 kg/cm2;而地热发电中,在涡轮入口轮的蒸汽条件下,最高也就是250℃、246kg/cm2。所以,与前者火力发电效率30%40%相比,地热发电效率可达90%左右。
    火力发电为了在涡轮出口处降低压力,需用冷却剂在出口处强制的冷却,故需大量的冷却水,也就
是说需用7%的自发电力来维护这个发电装置的正常运行,与一般发电站相比,它具有十分重要的经济价值。尽管地热发电具有很多优点,但它也有不足之处:
(1)地热发电不能像火力发电那样自由使用锅炉,原因是不能把锅炉放入地下储层内进行自由设计。
(2)因地热流体中含有大量的腐蚀性成分,故套管、涡轮等设备需要昂贵的耐腐蚀材料。
    今后一般的火力发电技术如再有所提高的话,效率则会有更大的提高。但是,地热发电是以天然的“地下锅炉”为对象,利用上述优点,克服缺点,为减少天然的“地下锅炉”的不确定性,有效开发出具有更高效率提取地下地热资源的新技术,是迫在眉睫的问题。
2,发电站发电方式
除了极特殊的方式之外,大致可以分为以下几种:
(1)蒸汽发电(背压式、复水式)
蒸汽发电中,背压式是把地热蒸汽涡轮出口处的压力变为大气压,复水式是把它强制冷却到大气压以下。
(2)流动式(单向流动、双向流动)
流动式是在地热流体中,蒸汽直接用于蒸汽涡轮,热水通过自动控制装置,降低压力分离出蒸汽成分,再把分离出的蒸汽用于蒸汽涡轮低压段。根据自动控制装置可以
把分离通过几个阶段进行,因此就
有单向流和双向流的不同。
(3)二元循环发电
    与流动式不同(相对),循环发电不把蒸汽作为研究对象,而是把热水具有的热能转移给其他媒体,通过二次媒体进行发电。循环发电,在菲律宾、墨西哥是很常见的。从世界范围看,日本地热发电具有53〔104kW的发电
规模。
3,地热资源量
   日本是地热资源十分丰富的国家,把这些地热用于发电,无论采用哪种方式发电都是可以考虑的。地热资源量同矿物资源是一样的,都受其经济性所制约,由于评价方法和评价人的不同,对资源量的预测也有很大差别。在这里以宫崎所获资源量来进行说明。现在的地热发电方式可采用蒸汽发电或流体动力发电,下面就重力基底深度较浅的200℃以上高温热水系资源量来进行论述。经初步计算,把日本总面积的50%分成15小块,把到200e等温面以下的重力基底深度的地热资源量根据容积法求得。这样,把储层孔隙度设15%,回收率设为25%,根据这些值的变化,相应的资源量也发生变化。若根据这种假设,适合于现在的地热发电方式的总热量是10. 1〔1018J,换算成发电量是582〔104kW〔30年。这个资源量大约是现在发电量的10倍。在日本,地热井的深度有随时间推移而逐年增加的趋势。今后, 重力基底深度(一般指
从地表开重力基底深度(一般指从地表开始的沉积岩厚度,这一厚度也因地而异,从2 km到3 km不等) 1 km以下作为开发对象扩展开来,高温热水资源再加上述值,可以达到4342〔104kW〔30年。另一方面,在日本未利用的适合于150200℃的二元循环发电的地热资源量估计值是1472〔104kW〔30年,如表1所示。表1叙述了用高温岩体发电的资源量,在高温岩体的初步计算中,浅部定义为岩基温度200℃,深度3 km;深部定义为35 km。随着今后勘探技术的进步,地热资源量也会有所变化。
二、21世纪地热发电技术
1,高温岩体发电技术
对于现在的地热发电技术,有必不可少的三个地下条件:储集层、地热、地下水。
在地下储集层中有裂缝,周围的岩体具有充分的热量,同时具有把地下地热传到地表的媒体——水。其中,储层、地下水能通过低温物体(如15200℃范围)根据二元循环方式发电,这充分利用了地下地热资源。而与此相对,具有充分高的热量,但是缺少储层和地下水二个要素,可以通过高温岩体发电方式进行发电。这种发电方式的构想是于1970年美国新墨西哥州的洛斯-阿拉斯国立研究所研究员所提出的。这种高温岩体发电方式如图1所示。深度在30004000 m,温度在200300℃高温下,在渗透率低的花岗岩体中,通过注入高压水,在2口井之间,制造一个断裂带群,作为人工储层。在人工储层中,其中1口井作为注水井,另1口井作为生产井。通过生产井,把高温岩体具有的热量通过热水或蒸汽载体,把地下热量带到地面进行发电。洛斯-阿拉斯国立研究所进行了实验,在实验基地钻2口井,其深度约为3000 m,温度约为
200℃。1977年在世界上首次进行了循环实验,证实了这一方案的可行性。这一循环发电试验进行了286天,获得了35005000 kW的热力资源。这些热力资源换算成电相当于500 kW,但在实际上还没有进行发电。沿着这一成功的足迹,美国为了开发大规模高温岩体发电系统,开始了第II期计划。在第II期计划中,在IEA (InternationalEnergy Agency:国际能源机构)协定基础之下,日本和其他国家派研究所参加研究,但这个国际协定由于日本和其他国家的中途退出,现场实验进行到1996年。尽管如此,美国关于高温岩体发电系统的开发研究起到了开路先锋的作用。
在日本有关高温岩体的发电实验是从1978年在岐阜县上郡肘折地区进一步研究高温岩体发电系统开始的。与图1所不同的是,它的注水井只有1口,而配置的生产井是3口。像这样具有多口井的高温岩体发电系统在世界上只有肘折存在。1991年,在深度1800 m、温度250℃岩基中进行了为期80天的循环实验,热力资源是8000 kW,证实了能够平稳地从高温岩体中提
取出热量。在肘折地区,深2200m、温度270e的岩基中造了人工储层。在利用前述1800 m深储层的同时,计划从2000年开始,进行更大规模的循环实验。
2,岩浆发电
在现在的地热发电中,地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆。所谓岩浆发电就是把井钻到岩浆,直接获取那里的热量。这一开发研究,是美国于1975年在圣地亚研究所进行的。这一方式在技术上是否可行,是否能把井钻至高温岩浆,人们一直在研究中。到目前为止,在夏威夷进行了钻井研究,想用喷水式钻头把井钻到岩浆温度为10201170e的岩浆中,并深入岩浆29 m,可就此也只是浅地表的个别情况,如果真正钻到地下几千米才钻到岩浆,采用现有技术也是很难实现的。另外,从岩浆中提取热量,只进行了理论研究。
三、结束语
地热资源越来越受到人们的重视,地热发电量也逐年增加。有关地热资源的进一步开发还需更长的时间,地热资源无论从经济价值、资源量,还是从环境保护方面看,它具有一定的优越性。从20世纪初到现在,地热开发及地热发电技术克服了各种各样的技术困难,高温岩体发电、岩浆发电是需要我们在21世纪解决的问题。
 
资料来源于日本5能源学会6杂志2000年1月
(收稿日期 2001 01 12)