1 前言

 

  地熱能是封閉在地殼中距地表足夠近的距離內，并可被經濟開采的天然熱能。地熱能用于發電最早是從1904 年意大利的拉德瑞羅地區的干蒸汽地熱田開始的[1]。截至2007 年，世界地熱發電裝機容量達到9732MW[2]，其中美國地熱發電裝機容量為2228MW，排名世界第一位。地熱發電量占全國發電總量比例最高的國家是冰島，2005 年底的統計數據表明，地熱發電量占到冰島全國發電總量的19.1%[3]。我國從20 世紀70 年代開始，除西藏自治區以外，先后在廣東鄧屋、湖南灰湯、河北后郝窯、江西宜春、廣西象州、山東招遠、遼寧熊岳等地建立了地熱試驗機組，目前全國地熱發電總裝機容量為29.17MW， 規模最大的是西藏羊八井地熱電站，裝機容量為25.18MW。

 

  2012 年初，中國電力企業聯合會發布《中國新能源發電發展研究報告》[4]， 報告中明確指出：“積極促進新能源發電，包括太陽能、風能、生物質能、地熱能、海洋能等，節約和代替部分化石能源，是保障我國優化能源結構、促進國家經濟與社會可持續發展的戰略選擇”。2007 年底的統計數據表明，我國地熱能利用總量居世界首位， 達12604.6MW，但是發電裝機容量僅為29.17MW。結合國家新能源發電的政策方向，大力開展利用地熱能發電是目前極有潛力的發展方向。

 

  中國電力建設工程咨詢公司與黑龍江聚源能源有限公司合作，開發黑龍江省牡丹江市海林地區秦家地熱田綜合項目。該項目主要包括地熱發電、地熱水供暖、溫泉旅游、地熱水養殖等。海林秦家地熱田地熱能儲量豐富，屬于中高溫地熱田，計劃裝機規模為2×3MW，一期工程建設一臺3MW 的地熱發電機組[6]。

 

  地熱發電技術經過近百年的發展，種類多種多樣，主要包括干蒸汽發電、擴容式蒸汽發電、雙工質循環發電和卡琳娜循環發電等。本文針對上述地熱發電技術，從熱源匹配、發電效率、腐蝕結垢、技術經濟等方面進行分析比較，同時介紹了地熱發電技術的發展方向。

 

  2 地熱發電技術及特點

 

  2.1 干蒸汽發電技術

 

  干蒸汽就是從地下噴出的具有一定過熱度的蒸汽。干蒸汽發電技術就是將干蒸汽從井引出，除去固體雜質后直接傳輸到汽輪發電機組進行發電，其發電系統如圖1 所示。

 

  干蒸汽發電技術的循環效率可以達到20%以上，是一種性能良好的地熱發電技術，所使用的發電設備與常規火電設備基本相同。但是干蒸汽發電技術對地熱資源參數要求較高，地熱溫度必須達到250℃以上，同時要保證有足夠的地壓，使得地下的蒸汽可以順利地噴出，因此該技術適用于高溫地熱田。我國西藏羊八井電站的2 號機組就是采用干蒸汽發電技術， 進汽壓力0.56MPa， 進汽溫度160℃，機組功率3MW。

 

  干蒸汽發電系統工藝簡單，技術成熟， 安全可靠，是高溫地熱田發電的主要形式。目前正在建設的以干蒸汽發電技術為主的電廠在印度尼西亞，裝機容量為6×3MW， 采用青島汽輪機廠生產的地熱發電機組。

 

  2.2 擴容式發電技術

 

  在目前探明的地熱資源中，以中高溫(130℃<t<250℃)地熱資源為主，它是地熱發電領域主要的研究對象。這一類地熱資源所提供的大多是汽水混合物，其中蒸汽量較小，適宜采用擴容式發電技術。

 

  在擴容式發電技術中，井下帶有一定壓力的汽水混合物或熱水被引至地面后，首先進入一級擴容器，地熱水中攜帶的蒸汽及少部分由第一級減壓產生的蒸汽直接進入汽輪機做功，其余的地熱水進入二級擴容器。在二級擴容器中，由于減壓作用，擴容器內的壓力小于此時地熱水溫度所對應的飽和壓力，部分地熱水將汽化形成蒸汽，再引入汽輪機做功。這種利用減壓方法產生蒸汽來發電的技術稱為擴容式蒸汽發電技術，它包括一級擴容和二級擴容(見圖2)兩種方式。

 

  擴容式發電技術采用汽水混合物或地熱水進行發電，循環效率略低于干蒸汽發電技術，一級擴容系統循環效率約為12%～15%， 二級擴容系統約15%～20%。西藏羊八井地熱電站的3～9 號機組主要采用擴容式發電技術， 一級進汽壓力0.65MPa，蒸汽流量22.7t/h； 二級進汽壓力0.45MPa， 蒸汽流量22.6t/h。

 

  擴容式發電技術設備簡單，易于制造， 運行維護方便。由于存在減壓過程，對于地熱水的礦化度和不凝結氣體含量均有較高的要求，否則易產生結垢和腐蝕。目前，擴容式發電技術已在地熱發電領域得到廣泛應用，尤其是中高溫地熱田。肯尼亞政府2012 年2 月20 日宣布，將于近期投資120 億美元，建設6 座地熱電站，主要是采用擴容式地熱發電機組。

 

  2.3 雙工質循環發電技術

 

  中低溫(t<130℃)地熱資源在目前已探明的地熱資源中占有較大的比例，其中溫度在90℃左右的地熱資源約占這類資源總量的90%。溫度較低的地熱水要想通過擴容方式形成蒸汽，需要將壓力降至大氣壓以下，整個系統形成負壓，這給系統運行和設備帶來很大困難。針對這一類型的地熱資源，雙工質循環發電技術是較為適用的。美國曾于1970年在阿拉斯加州的荒林地區采用74℃的溫泉水進行發電。

 

  雙工質循環發電方式的特點是地熱水與發電系統不直接接觸，而是將地熱水的熱量傳遞給某種低沸點介質(如丁烷、氟利昂等)，這些工質蒸發后形成具有一定壓力的蒸氣，由低沸點介質推動汽輪機來發電。這種發電方式由地熱水系統和低沸點工質系統組成，故稱為雙工質循環發電技術，發電系統如圖3 所示。

 

  雙工質循環發電技術的循環方式依然是朗肯循環，與蒸汽朗肯循環的區別在于它采用低沸點工質作為熱能載體，可以充分利用地熱水的熱能進行發電，使得地熱資源得到充分利用。整個系統的循環效率較擴容式蒸汽發電技術提高20%～30%。但地熱水系統和低沸點工質系統并行的方式增加了發電系統的復雜性，也增加了投資和運行成本。同時，低沸點工質多數屬易燃易爆品，工質的儲存和安全使用也是發電過程中需要重點關注的內容。

 

  2.4 卡琳娜循環發電技術

 

  卡琳娜循環是區別于常規朗肯循環的一種新的熱力循環，采用氨和水的混合物作為工質，這種混合工質的沸點是變化的，隨著氨與水比例的變化而變化[10]。當熱源參數發生變化時，只需要調整氨和水的比例即可達到最佳的循環效果。工質的升溫曲線更接近于熱源的降溫曲線，盡可能地降低傳熱溫差，減少傳熱過程中系統的熵增，提高循環效率。

 

  由于卡琳娜循環的這個顯著的特點，使它在中低溫地熱發電領域得到了廣泛的應用。目前的工業化應用表明，卡琳娜循環發電技術的循環效率比朗肯循環的效率高20%～50%。圖4 為卡琳娜循環發電系統示意圖。

 

  地熱水在除去固體雜質后進入換熱器，將熱能傳遞給氨和水的混合物。氨和水的混合物吸熱后蒸發汽化，汽液分離后，蒸汽被送入汽輪發電機膨脹做功， 液體在與冷凝后的工質換熱后自流至凝汽器。做功后的工質被送入冷凝器凝結，經循環泵送往換熱器。在墨西哥Maguarichic 油田，一套以油氣井中溫熱的廢水副產物為熱源， 容量為1MW 的試驗機組已于2009 年投用。

 

  卡琳娜循環采用無固定沸點工質進行循環發電，換熱溫差減小；工質熱容量不受溫度的影響，循環效率大大提高，地熱水能量得到充分利用。但是由于其采用液態氨作為循環工質，對系統的密封性有較高的要求，同時工質儲存和使用過程中對環境將造成一定的影響，在電站建設過程中要注意加強環評工作。

 

  2.5 地熱發電技術的對比分析

 

  4 種地熱發電技術的對比分析見表1。對于具體的地熱資源，需要從地熱溫度、地熱總儲量、地熱水品質等方面， 結合發電效率、運行維護、設備投資、環境保護等因素綜合考慮，進而確定適合該地熱資源的具體的發電技術路線。

 

  3 地熱發電的優越性及存在的問題

 

  3.1 地熱發電的優越性

 

  利用地熱能發電，熱源來自地球內部， 不需要外加燃料，可以大量節約化石燃料，還可有效減少二氧化碳等溫室氣體的排放。以一臺3000kW 的地熱發電機組為例， 每年可減排二氧化碳1.45×104t，對于發展低碳經濟具有積極的意義。同時，地熱發電不會產生NOx和SOx等污染性氣體，有利于保護環境，符合國家發展清潔能源、實現可持續發展的戰略。另外，地熱發電可以實現較好的經濟效益。可見，地熱發電是一種低碳、清潔、環保、高利潤的發電技術。

 

  3.2 地熱發電存在的問題

 

  ① 地熱資源量的勘探。中國是世界上地熱資源較為豐富的國家之一，目前全國已勘探的地熱田有103 處，但實際投入發電運行的僅有西藏羊八井1 處，其余熱田因儲量或熱田參數等原因不能長期提供熱源。因此，在地熱發電項目開發中，地熱流體參數及地熱田儲量的勘探成為決定地熱田發電的關鍵因素。需要大力發展地熱勘探技術，快速、高效地探明地熱溫度、流量及熱田的地熱總儲量，為地熱發電打下堅實的基礎。

 

  ② 結垢。地熱水的總含鹽量在0.1%～4%之間， 主要的礦物種類有碳酸鈣、二氧化硅、硅酸鹽等。碳酸鈣和二氧化硅的沉淀對工質的壓力和溫度特別敏感，在發電做功過程中，地熱水的溫度和壓力均會發生很大變化，進而影響到各種礦物質的溶解度，導致礦物質從水中析出產生沉淀結垢[11]。如在井管內結垢，會影響地熱流體的采量，加大管道內的流動阻力，進而增加能耗；如換熱表面結垢，則會增加傳熱阻力； 垢層破損處還會造成垢下腐蝕。

 

  需要加強對地熱水化學成分的監測，防止因結垢造成地熱井或發電設備失效。

 

  ③ 腐蝕。地熱流體中含有許多化學物質，其中主要的腐蝕介質包括溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2，再加上流體的溫度、流速、壓力等因素的影響，地熱流體對各種金屬表面都會產生不同程度的腐蝕，直接影響設備的使用壽命。例如，咸陽市的某地熱水利用工程，采用碳鋼指示片掛片試驗計算腐蝕速率，試驗結果為0.76mm/a。隨著發電系統工質壓力的下降， 水中的腐蝕性氣體大量析出，腐蝕嚴重的部位多集中于負壓系統， 其          次是汽封片、冷油器、閥門等，腐蝕速度最快的是射水泵葉輪、軸套和密封圈。需要采用專項防腐措施，保證發電設備的安全、高效運行。

 

  4 地熱發電的發展方向

 

  4.1 聯合循環地熱發電技術

 

  單一的蒸汽朗肯循環發電技術循環效率較低，僅為20%以下；尾水排放溫度較高，一般在100℃以上，地熱能利用不夠充分。雙工質循環和卡琳娜循環發電技術系統較為復雜， 涉及到兩套工質系統，但循環效率高， 尾水排放溫度可以降至60℃以下。

 

  在未來的地熱發電技術中，可以采用聯合循環的方式。在地熱水的高溫階段，采用擴容式蒸汽發電系統，利用地熱能的高溫部分；在地熱水溫度不能滿足擴容發電方式運行條件時，采用雙工質循環或卡琳娜循環技術，充分利用地熱能的低溫部分，最大限度地提高地熱發電循環的效率。土耳其Kizildere地熱電站在采用擴容系統的基礎上，聯合使用雙工質循環技術進行試驗機組的研究， 最大功率達到18.238kW，循環效率達到38.58%，聯合循環發電系統性能穩定。

 

  另外，還可以將地熱發電與太陽能熱利用相結合。在雙工質循環或卡琳娜循環中，在低溫地熱水的熱交換階段引入太陽能熱利用方式，克服地熱水溫度較低、能源品位較差的弱點，提高循環效率。目前，這種技術已經在美國、智利等國家開展了實驗室研究。

 

  4.2 低溫地熱資源發電技術

 

  在已探明的地熱資源中，存在著大量的低溫地熱資源(溫度一般在90℃左右)，目前主要的利用方式為溫泉和部分供暖。卡琳娜循環在低溫地熱資源應用領域中有其獨特的優越性，通過調整氨和水的比例，可以適應低溫地熱水的發電特性。卡琳娜循環已經成功應用于日本Sumitomo 煉鋼廠的冷卻水余熱發電，水溫95℃，裝機容量3.5MW。另外，在上海世博會工業館中，建有一臺卡琳娜循環發電試驗機組，利用流量為1t/h、溫度為98℃的熱水，每小時可發電3kW。卡琳娜循環為低溫地熱資源發電開辟了一個新的天地。

 

  4.3 干熱巖地熱發電技術

 

  干熱巖是指埋藏于地面1km 以下、溫度大于200℃、內部不存在流體或僅有少量地下流體的巖體[13]。干熱巖地熱發電技術就是開發利用干熱巖來抽取地下熱能，其原理是從地表由注入井往干熱巖中注入溫度較低的水，注入的水沿著裂隙運動并與周邊的巖石發生熱交換，產生高溫高壓超臨界水或水蒸氣混合物，然后從生產井提取高溫蒸汽，用于地熱發電，如圖5 所示。干熱巖的熱能是通過人工注水的方式加以利用， 幾乎完全擺脫了外界的干擾。作為一種新型地熱資源，干熱巖具有很高的開發利用價值。

 

  據《中國科技信息》2012 年初報道，首座使用干熱巖技術發電的商用地熱發電站于2011 年在瑞士城市巴塞爾建成。該電站能為周邊的5000 個家庭提供30000kW 熱能和3000kW 電能。我國對開發利用潛力巨大的干熱巖卻沒有給予足夠的重視，僅有少數可研單位參與了部分的國際合作研究，目前國內干熱巖的研究和開發工作尚處于空白。需要加強對干熱巖資源的研究、勘探和開發工作。

 

  4.4 利用中深層地熱資源發電

 

  地殼內蘊含著大量的現代巖漿，這部分巖漿在向上運動過程中，與中深層地下水耦合形成優良的中深層地熱資源，主要存在于距地面3~10km 范圍內，地熱溫度可達到200℃。與目前開發的淺層地熱能相比，中深層地熱能的儲量要大很多。同時，中深層地熱能與中深層地下水耦合， 地熱水來源豐富，回灌要求較低。中深層地下水礦化度較低，為地熱資源的利用提供了便利條件。目前我國已在松遼盆地—長白山沿線勘探出大量的中深層地熱資源。

 

  5 結語

 

  ① 地熱資源是一種清潔無污染、可再生的新型能源，對于發展低碳經濟、實現可持續發展具有積極的作用。

 

  ② 在目前的地熱發電技術中， 應用較為廣泛的是擴容式蒸汽發電技術，其系統簡單，地熱參數要求低。在低溫地熱資源的開發利用過程中，雙工質循環和卡琳娜循環技術具有廣闊的發展前景。

 

  ③ 新型的聯合循環發電技術是地熱發電技術的發展方向。在淺層地熱能得到大規模開發后，中深層地熱資源和干熱巖資源將成為地熱發電技術新的資源。在地熱發電技術下一步的發展過程中，應注重中深層地熱資源和干熱巖資源的開發。