您当前的位置:主页 > 科学研究 >
科学研究
提升地热能开发利用技术水平
来源:地大热能 2015-08-28

    提升地热能开发利用技术水平

    
充分利用可再生能源是实现建筑节能的重要途径。相较于太阳能和风能,地热能具有不受白昼和季节变化限制的优点,且资源蕴藏丰富、分布范围广,具有非常广阔的发展前景。
    按照其在地下的赋存状态,地热资源可分为水热型(地下100-4500米)、干热岩型和地压型(3000-6000米),水热型又可分为蒸汽型和热水型。根据温度不同,地热资源可分为高温(大于150摄氏度)、中温(小于150、大于90摄氏度)和低温(小于90摄氏度)三种类型。根据建筑节能的实际应用需求,将地表以下一定深度范围(200米)内低焓值热能定义为浅层地热能。我国地热资源大部分为中低温为主,广泛应用于发电、供暖、空调、洗浴及工业利用等多个领域。我国地热利用以直接利用为主,利用量居世界第一。总体来看,我国地热利用技术水平不高,自20世纪70年代建立的若干地热试验电站,除个别项目,全部停用。地热水供暖以及温泉,利用方式单一、回灌较差,致使弃水量大、资源浪费严重,且造成了地表环境的热污染和化学污染。近十年发展很快的地下水源热泵,同样存在回灌不良的问题。为进一步提高地热资源的利用水平,减少建筑物化石能源的消耗,应对上述问题开展全面深入的研究。浅层地热是地热资源的重要组成部分,可为建筑物供暖空调提供能量来源。根据利用的能量来源不同,浅层地热利用技术主要分为土壤源热泵技术和地下水源热泵技术两种。“十一五”期间,在住房和城乡建设部及相关部委的大力推动下,我国地源热泵技术的推广应用进入到一个高速发展的时期。据统计,目前我国地源热泵的使用面积已超过1亿平方米,以水源热泵为主。我国建筑保有量已超过400亿平方米,由于我国的气候原因,大部分建筑都需要供暖空调。由此可见,热泵的市场前景非常广阔,在相当长的时期内,热泵工程仍将是建筑设备安装工程中最有吸引力的领域之一。

一、浅层地热利用中需进一步解决的问题
    随着热泵系统应用的高速发展,许多问题也随之暴露出来,亟待解决。主要包括几个方面:第一,大规模应用可能带来的环境生态问题。在利用地下水源时,已开展的很多工程没有实现很好的回灌,造成了地下水资源的破坏,因此在利用地下水资源的同时,应全面清晰的掌握地质条件,并与水资源保护结合起来,避免造成地下水污染以及地面沉降等环境生态问题,在条件允许的情况下,应优先考虑土壤源热泵系统。第二,规划和设计中存在的问题。由于地源热泵系统不同于常规的中央空调系统,系统各个部件、设备之间的相互匹配关系较为复杂,由于很多从事这方面工作的单位对技术掌握的程度有待提高,实际项目的设计不尽合理。第三,施工中存在的问题。由于热泵系统是专业化很高的工程,而目前从业的施工单位大多
为其他行业转行,缺乏热泵工程系统的经验,致使施工质量达不到设计要求,导致整个系统的实际运行能效比偏低。而且地下能源井即是岩土工程又是隐蔽工程,施工过程的技术监理十分重要,是良心工程。第四,运行管理和维护中存在的问题。由于热泵系统的运行工况与传统的中央空调系统不同,运行管理的策略也应有所不同,需要对相关运行管理人员进行专门的技术培训,尤其是水源热泵系统,长期运行时防止水源井堵塞是系统能否顺利回灌的重要保障,需要特别关注。
    此外,热泵核心技术的把握不足,致使热泵机组效率较低,热泵生产企业自主知识产权缺乏,机组成本偏高、利润低。热泵机组的核心部件是压缩机,大型采用离心压缩机,大中型采用螺杆压缩机,小型、户型主要采用涡旋、滚动转子压缩机,除了小型机组所用压缩机实现了部分国产化,且能效低于同类型的国际产品,大中型压缩机主要依赖进口,国内热泵制造企业主要从事组装工作,降低机组成本的空间不大。可再生能源利用是具有战略意义的举措,加强核心设备的自主知识产权的掌握非常重要,因此,应尽快实现大中型热泵机组用压缩机的国产化,以提高行业水平。
    总之,我国的热泵市场具有光明的前景,但前期的粗放型扩张的趋势已然放缓,下一阶段的发展必须靠技术提高和发展来支撑。
二、加强中低温地热梯级利用技术研究
    地热能是一种无污染或极少污染的清洁绿色能源。从利用方式来分,地热能利用主要包括两种,一种是直接利用,即地热采暖,地热制冷,地源热泵等,另一种是地热发电。地热是非常宝贵的资源,应更高效的利用这一部分能源。根据“温度对口,梯级利用”的合理用能原则,地热资源应尽可能的先发电再供热,实现能量的梯级利用。
    我国地热资源的分布较广,北京、天津、陕西、河北、辽宁、广东、江西、云南、四川、西藏都先后发现较为丰富的地热资源。但从温度划分来讲,大都属于中低温地热田,高温地热资源主要分布在西南地区,包括西藏、云南和四川。近10年来地热利用取得了飞速发展,据中国能源研究会地热专业委员统计,到2005年,我国直接利用地热资源的热能为12604.6GWh,居世界第一位,主要用于供暖、温泉洗澡之用,用于工业发电则较少。我国地热开采利用量和直接利用以每年10%的速度增长,但地热发电10余年来几乎没有增容。到目前为止,除我国最大的地热电站——西藏羊八井地热电站一直在发电外,其他地热电站基本相继停运。其主要原因是由于我国地热水温度较低,有些地热田热水温度甚至低于100摄氏度,而
采取的发电机组为蒸汽轮机,工质为过热蒸汽,使得发电机组效率低下(1.5~4%左右)。目前,由于我国目前没有成熟高效的低温地热发电技术,致使我国大量的地热资源只能用来供暖和提供生活热水。
    与国内地热能利用状况不同,国际上地热发电装机容量已具有相当规模。到目前为止,世界上约有32个国家先后建立了地热发电站,总容量已超过8000MW。其中美国有2228MW,意大利有785MW,日本有546.9MW,新西兰有437MW,中国只约有25MW。由此可见我国与欧美、日本等发达国家具有很大的差距。同时,即使与菲律宾、印度尼西亚等发展中国家相比,我国也具有十分明显的差距,菲律宾地热发电装机容量1909MW,印度尼西亚也达到了589.5MW。造成这一局面,不仅因为相关国家的地热资源更优越,更重要的原因在于地热发电技术水平的差异,尤其是中低温地热发电技术。
    随着全世界对洁净能源需求的增长,各国都把地热能利用、尤其是地热发电作为可再生能源重要的发展方向。以美国为例,2009年以来,美国地热能发电呈现出强劲的增长态势。自2008年8月到2009年3月期间,美国新建、在建的地热电站就有1500MW的新增容量。根据美国地热能源协会(GEA)的报告,美国共有126个地热发电项目正在建设之中,这些电站建成运行后将有5500MW的发电潜力。此外,为了推动世界地热发电技术的发展,联合国专门设立计划开发署负责地热开发工作。其主要成员有美国、意大利、新西兰、日本、中国等。
    我国地热资源十分丰富,据统计,仅西南边陲藏、川、滇等省区全部地热温水系统的理论装机容量为6744MW(其中西藏6000MW、川西174MW、滇西570MW)。目前我国现有地热发电的装机容量只有25MW,潜力很大。我国地热资源以中低温地热田为主,且分布更广。因此,研发高效率中低温地热发电系统,开发中低温地热热电联供技术,实现地热资源的梯级利用,对提高我国地热资源利用效率有重要意义,是地热利用的一个重要挑战和发展方向。
三、中低温地热发电的关键技术问题
    世界上只有不足1/4的地热资源属于高温地热源,且分布较为集中。因此,开发中低温地热资源十分重要。而且,我国拥有中低温地热资源的一些边远地区,迫切需要电能来促进当地居民的经济活动,提高居民生活质量,但由于各种原因导致电
网难以普及,而中低温地热发电电站可以有效解决此类局部地区的供电情况,并可满足居民的采暖需求,对社会稳定和经济发展做出一定贡献。
    对于地热水温度低于100摄氏度的中低温地热田,地热能发电利用的主要问题是地源热水温度不高使得系统的效率较低,最大限度地提高发电效率是这项技术的核心问题。传统地热发电技术通常是地热水蒸汽(或汽水混合物)直接或闪蒸进入发
电系统做功转换为电能。对于中低温地热资源,产生蒸汽的参数低,其做功能力不足等特点限制了其发电应用。而采用双循环发电系统,地热流体将热量传递给另一种工质(通常为低沸点工质),工质进入原动机内做功。两者相比,后者更适合中
低温地热发电,且有避免地下水污染等优势。从近些年中低温地热能发电技术研究的发展情况来看,主要是基于有机朗肯循环的发电系统,其中以色列处于世界领先地位,ORMAT公司将有机朗肯循环(ORC)装置成功在太阳能、工业低温余热以及
地热利用方面实现了应用。研究工作主要集中在对动力循环工质的研究和循环过程的改进和最优控制等方面,美国联合技术公司(UTC)公司报道了应用有机朗肯循环与透平膨胀机实现了74摄氏度地热水成功发电的最新研究成果。将膨胀机出口工
质所含有的热量回收,就可将中低温有机郎肯循环发电系统构造成热电联供系统,成为即可为建筑供电、又解决建筑物供热
需求的分布式能源系统。
   作为地热发电重要的新技术方向,中低温地热发电技术仍然有许多技术问题需要解决:第一,有机工质选择及其热力学特性;根据余热资源温度以及膨胀机类型不同,选择不同温区相匹配的工质;第二,热力循环的优化;第三,开发新型高效膨胀机。中低温地热有机郎肯循环发电技术的发展主要呈现以下两方面的发展趋势:一方面是大型化,相对节约投资成本;另一方面是小型化,提高发电系统的应用范围和适应性。对于大型系统,原动机一般采用透平膨胀机,对于小型系统(如几千瓦到几十千瓦范围内),由于透平膨胀机难以小型化,必须开发新型的小型膨胀机;第四,高效蒸发器与冷凝器的优化设计;第五,全流膨胀的机理及应用。前期的研究工作表明,在螺杆膨胀机工作过程中,工质发生凝结会提高膨胀机效率。然
而这一现象的作用机理并不清楚,非常有必要开展这方面的研究工作,并利用这一研究成果指导膨胀机设计。
    目前,在国家科技部“863”项目的支持下,北京工业大学正在进行以螺杆膨胀机技术、全流膨胀技术、有机物朗循环技术为核心的高效低温地热发电关键设备与技术的研究开发,争取将地热发电可利用地热水最低温度由原来的150℃降低到80℃,拓宽地热发电的适用热田范围。
四、高度重视地热利用中的抗垢问题研究
    腐蚀与结垢问题是地热开发利用中普遍存在的问题之一。由于地热流体中含有许多化学物质,其腐蚀和结垢机理十分复杂。地热水的腐蚀,往往会导致设备的严重腐蚀并破坏设备。而结垢可能引起地热井管径减小、增加换热设备传热热阻及流
动阻力,加大循环泵的功耗,严重的可能造成设备和管道的堵塞,大大影响系统运行的安全性。对于腐蚀问题,主要通过选用合适的防腐材料和系统流程的调整来避免。而抗垢问题,需要根据实际情况采用不同的技术手段。如在浅层地热水利用
中,由于地热流体的工作温度接近环境温度。工作温度范围不大,采用物理抗垢的方法具有较好的效果。如在深层地热水利用中,由于地热流体的温度较高、水体内的化学成分复杂,需要根据水质情况采用其他类型的除垢方法。
五、总结
    第一,地热利用是可再生能源重要的利用形式,在我国已取
得了很大的发展。近年来,尤其是浅层地热能的利用技术发展
迅速。
    第二,热泵技术在应用推广当中存在诸多问题亟待解决,自主知识产权的压缩机研发与制造在当前尤为需要。
    第三,我国地热利用以直接利用为主,相较于国际上以发电为主,仍有相当的技术差距。
    第四,采用有机郎肯循环的中低温地热发电系统是地热利用的新方向,对我国地热利用的发展尤为重要。
    第五,抗垢技术是地热利用的重要环节,应引起高度重视

公司业务

项目展示