地热发电技术的发展研究

    随着世界经济的不断增长，能源的消耗也越来越大，化石燃料的大量使用带来了严重的环境污染和生态破坏，资源量也日益减少。开发洁净的可再生能源成了可持续发展的迫切需要。作为替代能源之一的地热能源日益受到人们的重视。

    地热电站没有燃料运输设备，没有庞大的锅炉设备，没有灰渣和烟气对环境的污染，是比较清洁的能源。地热发电成本较水电、火电都低。

    1.地热发电现状

    1913年，第一座装机容量O.25Mw的电站在意大利建成并运行，标志着商业性地热发电的开端。目前世界最大的地热电站是美国的盖瑟尔斯地热电站，其第一台地热发电机组（11Mw）于1960年启动，以后的10年中，2号（13MW）、3号（27MW）和4号（27MW）机组相继投入运行。20世纪70年代，共投产9台机组，80年代以后，又相继投产一大批机组，其中除13号机组容量为135Mw外，其余多为110MW机组。地热发电至今已有近百年的历史，已经有了较大规模的发展，显然地热发电能够可靠、安全和可持续性地运行。

    地热发电在我国也有了较大的发展。1970年，我国在广东丰顺建成第一座地热电站，机组功率为0.1Mw。随后，河北怀来、西藏羊八井等地也建了地热电站。到目前为止，西藏羊八井地热电站是我国最大、运行最久的地热电站。一直在安全、稳定发电。羊八井地热电站装机容量已达到9台共25.18Mw，机组最大单机容量为3Mw等级。目前，国内可以独立建造30MW以上规模的地热电站，单机可以达到10MW，截止到2007年我国地热发电装机容量为32MW。目前，羊八井电站还具有很大的开发潜力，而在羊八井地热田西南45km处的羊易地热田，也是一个亟待开发的高温地热田，另外，云南省地热资源十分丰富，如腾冲地区是中国大陆有名的高温地热区，也是中国大陆独一无二的火山热区，地质普查显示全区有27个高温地热田，但却没有建成一座地热发电站。

    据2005年世界地热大会的统计，世界上有24个国家建设了地热发电站（2000年的统计为19个国家），世界地热发电总装机容量为8900Mw，目前运行容量为8000Mw。该数据比2000年增长了12％，2003年地热发电总量为57000GWh，比2000年增长了15％，预测至2010年，有望达到10815Mw的总装机容量。

    美国地热发电能力已经超过了2800Mw，居世界首位；菲律宾、墨西哥紧随其后；印度尼西亚后来居上已经排在第四位；其次是意大利、日本、新西兰，我国排名第15位。

    2.地热发电原理及技术

    地热发电的过程就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程，原理和火力发电的基本原理是一样的。所不同的是，地热发电不像火力发电那样需要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源是地热能。

    根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同，地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。

    2.1地热蒸汽发电

    2.1.1背压式汽轮机发电

    工作原理为：把干蒸汽从蒸汽井中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空（或送热用户）。这是最简单的发电方式，大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生产和生活用水。

    2.1.2凝汽式汽轮机发电

    为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率，做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器，冷却后再排出，在该系统中，蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，所以能做出更多的功。

    该适用于高温（160℃以上）地热田的发电，系统简单。

    2.2地下热水发电

    2.2.1闪蒸地热发电

    工作原理：将地热井口来的地热水，先送到闪蒸器中进行降压闪蒸（或称扩容）使其产生部分蒸汽，再引到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水。送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打人地下，或引人作为第二级低压闪蒸分离器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。用这种方法产生蒸汽来发电就叫做闪蒸法地热发电。它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等。

    采用闪蒸法的地热电站，热水温度低于100℃时，全热力系统处于负压状态。这种电站，设备简单，易于制造，可以采用混合式热交换器。缺点是，设备尺寸大，容易腐蚀结垢，热效率较低。由于系直接以地下热水蒸汽为工质，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。

    2.2.2中间介质法地热发电

    工作原理：通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质，使之变为蒸汽，然后以此蒸汽去推动气轮机，并带动发电机发电。

    因此，在这种发电系统中，采用两种流体：一种是采用地热流体作热源，它在蒸汽发生器中被冷却后排人环境或打入地下；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等），这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化，产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电。做完功后的蒸汽，由汽轮机排出，并在冷凝器中冷凝成液体，然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。该方式分单级中间介质法系统和双级（或多级）中间介质法系统。

    这一系统的优点是能够更充分地利用地下热水的热量，降低发电的热水消耗率，缺点是增加了投资和运行的复杂性。

    2.3联合循环发电

    联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于150℃的高温地热流体发电，经过一次发电后的流体，在不低于120℃的工况下，再进入双工质发电系统，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。

    该系统从生产井到发电，再到最后回灌到热储，整个过程都是在全封闭系统中运行的，因此即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电，不存在对环境的污染。同时，由于是全封闭的系统，在地热电站也没有刺鼻的硫化氢味道，因而是100％的环保型地热系统。这种地热发电系统进行100％的地热水回灌，从而延长了地热田的使用寿命。

    2.4利用地下热岩石发电

    2.4.1热干岩过程法

    与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热干岩过程法将不受地理限制，可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压人地下4到6km深处，在此处岩石层的温度大约在200℃左右。水在高温岩石层被加热后通过管道加压被提取到地面并输入个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环使用。这种地热发电成本与其它再生能源的发电成本相比是有竞争力的，而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染，所以它是一种未来的新能源。2.4.2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1020～1170℃的岩浆中，并深入岩浆29m，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。