地热发电

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什么是地热发电

  地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似,也是根据能量转换原理,首先把地热能转换为机械能,再把机械能转换为电能。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能,然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。

地热发电的历史

  1904年,意大利托斯卡纳的拉德瑞罗,第一次用地热驱动0.75马力的小发电机投入运转,并提供5个100瓦的电灯照明,随后建造了第一座500千瓦的小型地热电站。

  地热能是来自地球深处的可再生热能,它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水深处的循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后,把热量从地下深处带至近表层。地热能的储量比人们所利用的能量总量还要多,大部分集中分布在构造板块边缘一带。地热能不但是无污染的清洁能源,而且如果热量提取速度不超过补充的速度,那么热能还是可再生的。

  随着化石能源的紧缺、环境压力的加大,人们对于清结可再生的绿色能源越来越重视,但地热能在很久以前就被人类所利用。早在20世纪40年代,意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子在拉德雷罗首次把天然的地热蒸汽用于发电。地热发电,是利用液压或爆破碎裂法将水注入到岩层中,产生高温水蒸气,然后将蒸汽抽出地面推动涡轮机转动,从而发电。在这过程中,将一部分未利用的蒸汽或者废气经过冷凝器处理还原为水回灌到地下,循环往复。简而言之,地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能,然后再将机械能转变为电能的能量转变过程。针对温度不同的地热资源,地热发电有4种基本发电方式,即直接蒸汽发电法、扩容(闪蒸法)发电法、中间介质(双循环式)发电法和全流循环式发电法。

  地热发电至今已有近百年的历史了,新西兰、菲律宾、美国、日本等国都先后投入到地热发电的大潮中,其中美国地热发电的装机容量居世界首位。在美国,大部分的地热发电机组都集中在盖瑟斯地热电站。盖瑟斯地热电站位于加利福尼亚州旧金山以北约20公里的索诺马地区。1920年在该地区发现温泉群、喷气孔等热显示,1958年投入多个地热井和多台汽轮发电机组,至1985年电站装机容量已达到1361兆瓦。20世纪70年代初,在国家科委的支持下,中国各地涌现出大量地热电站。

地热发电的系统类型

  一次蒸汽法

  一次蒸汽法直接利用地下的干饱和(或稍具过热度)蒸汽,或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。

  二次蒸汽法

  二次蒸汽法有两种含义,一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽(一次蒸汽),而是让它通过换热器汽化洁净水,再利用洁净蒸汽(二次蒸汽)发电。第二种含义是,将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽,压力仍高于当地大气压力,和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。

  地热水中的水,按常规发电方法是不能直接送入汽轮机去做功的,必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电,利用抽真空装置,使进入扩容器的地下热水减压汽化,产生低于当地大气压力的扩容蒸汽然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功,这种系统称“闪蒸系统”。低压蒸汽的比容很大,因而使气轮机的单机容量受到很大的限制。但运行过程中比较安全。如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质,地下热水通过换热器加热,使低沸点物质迅速气化,利用所产生气体进入发电机做功,做功后的工质从汽轮机排入凝汽器,并在其中经冷却系统降温,又重新凝结成液态工质后再循环使用。这种方法称“中间工质法”,这种系统称“双流系统”或“双工质发电系统”。这种发电方式安全性较差,如果发电系统的封闭稍有泄漏,工质逸出后很容易发生事故。

  混合蒸汽法

  20世纪90年代中期,以色列奥玛特(Ormat)公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一,设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统,该机组已经在世界一些国家安装运行,效果很好。

  地热蒸汽发电系统

  利用地热蒸汽推动汽轮机运转,产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠,是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。

  双循环发电系统

  也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质,使工质在流动系统中从地热流体中获得热量,并产生有机质蒸汽,进而推动汽轮机旋转,带动发电机发电。

  全流发电系统   本系统将地热井口的全部流体,包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等,不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功,其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量,但技术上有一定的难度,尚在攻关。

  干热岩发电系统

  利用地下干热岩体发电的设想,是美国人莫顿史密斯于1970年提出的。1972年,他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井,从一口井中将冷水注入到干热岩体,从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽,功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯,但迄今尚无大规模应用。

地热发电系统利用

  国外对地热能的非电力利用,也就是直接利用,十分重视。因为进行地热发电,热效率低,温度要求高。所谓热效率低。就是说,由于地热类型的不同,所采用的汽轮机类型的不同,热效率一般只有6.4~18.6%,大部分的热量白白地消耗掉。所谓温度要求高,就是说,利用地热能发电,对地下热水或蒸汽的温度要求,一般都要在150℃以上;否则,将严重地影响其经济性。而地热能的直接利用,不但能量的损耗要小得多,并且对地下热水的温度要求也低得多,从 15~180℃这样宽的温度范围均可利用。在全部地热资源中,这类中、低温地热资源是十分丰富的,远比高温地热资源大得多。但是,地热能的直接利用也有其局限性,由于受载热介质—热水输送距离的制约,一般来说,热源不宜离用热的城镇或居民点过远;不然,投资多,损耗大,经济性差,是划不来的。

  地热能的直接利用发展十分迅速,已广泛地应用于工业加工、民用采暖和空调、洗浴、医疗、农业温室、农田灌溉、土壤加温、水产养殖、畜禽饲养等

  各个方面,收到了良好的经济技术效益,节约了能源。地热能的直接利用,技术要求较低,所需设备也较为简易。在直接利用地热的系统中,尽管有时因地热流中的盐和泥沙的含量很低而可以对地热加以直接利用,但通常都是用泵将地热流抽上来,通过热交换器变成热气和热液后再使用。这些系统都是最简单的,使用的是常规的现成部件。

  地热能直接利用中所用的热源温度大部分都在40℃以上。如果利用热泵技术,温度为20℃或低于20℃的热液源也可以被当作一种热源来使用(例如美国、加拿大、法国、瑞典及其他国家的做法)。热泵的工作原理与家用电冰箱相同,只不过电冰箱实际上是单向输热泵,而地热热泵则可双向输热。冬季,它从地球提取热量,然后提供给住宅或大楼(供热模式);夏季,它从住宅或大楼提取热量,然后又提供给地球蓄存起来(空调模式)。不管是哪一种循环,水都是加热并蓄存起来,发挥了一个独立热水加热器的全部的或部分的功能。

  由于电流只能用来传热,不能用来产生热,因此地热泵将可以提供比自身消耗的能量高3-4倍的能量。它可以在很宽的地球温度范围内使用。在美国,地热泵系统每年以 20%的增长速度发展,而且未来还将以两位数的良好增长势头继续发展。据美国能源信息管理局预测,到2030年地热泵将为供暖、散热和水加热提供高达68Mt油当量的能量。

  对于地热发电来说,如果地热资源的温度足够高,利用它的好方式就是发电。发出的电既可供给公共电网,也可为当地的工业加工提供动力。正常情况下,它被用于基本负荷发电,只在特殊情况下,才用于峰值负荷发电。其理由,一是对峰值负荷的控制比较困难,再就是容器的结垢和腐蚀问题,一旦容器和涡轮机内的液体不满和让空气进入,就会出现结垢和腐蚀问题。

  地热能直接利用于烹饪、沐浴及暖房,已有悠久的历史。至今,天然温泉与人工开采的地下热水,仍被人类广泛使用。据联合国统计,世界地热水的直接利用远远超过地热发电。中国的地热水直接利用居世界首位,其次是日本。

  地热水的直接用途非常广泛,主要有采暖空调、工业烘干、农业温室、水产养殖、旅温泉疗养保健等。

地热发电的方法

  把地下热能转换为机械能,然后再把机械能转换为电能的生产过程。根据地热能的赋存形式,他热能可分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型等五类。从地热能的开发和能量转换的角度来说,上述五类地热资源都可以用来发电,但日前开发利用得较多的是蒸汽型及热水型两类资源。地热发电的优点是:一般不需燃料,发电成本上多数情况下都比水电、火电、核电要低,设备的利用时间长,建厂投资一般都低于水电站,且不受降雨拉季节变化的影响,发电稳定,可以大大减少环境响污染,等等。

  利用地下热水发电主要有降压扩容法和中间介质法两种:

  降压扩容法

  根据热水的汽化温度与压力有关的原理而设计的,如在0.3绝对大气压下水的汽化温度是68.7。通过降低压力而使热水沸腾变为蒸汽,以推动汽轮发电机转动而发电。

  中间介质法

  采用双循环系统即利用地下热水间接加热某些“低沸点物质”来推动汽轮机做功的发电方式。如在常压下水的沸点为与100℃,而有些物质如氯乙烷和氟里昂在常压下的沸点温度分别为12.4℃及-29.8℃,这些物质被称为“低沸点物质”。根据这些物质在低温下沸腾的特性,可将它们作为中间介质进行地下热水发电。利用“中间介质”发电万法,既可以用100℃以上的地下热水(汽),也可以用100℃以下的地下热水。对于温度较低的地下热水来说,采用“降压扩容法”效率较低,而且在技术上存在一定困难,而利用“中间介质法”则较为合适。

  这两种方法都有它们各自的优缺点。地热发电仍是一个新的课题,其发电的方人仍在不断探索中。

  地下热水往往含有大量的腐蚀性气体,其中危害性最大的是硫化氢、二氧化碳、氧等,它们是导致腐蚀的主要因素,这些气体进入汽轮机、附属设备和管道,使其受到强烈的腐蚀。此外,地下热水中含有结垢的成分,如硅、钙、镁、铁等,以及对结垢有影响的气体,如二氧化碳、氧和硫化氢等,产生的结垢经常以碳酸钙、二氧化硅等化合物出现。因此,在利用地下热水发电中要允分注意解决腐蚀和结垢问题。

地热发电现状

  美国的地热能使用仅占全国能源组成的0.5%。据麻省理工学院的一份报告指出,美国现有的地热系统每年只采集约3000兆瓦能量,而保守估计,可开采的地热资源达到10万兆瓦。相关专家指出,倘若给与地热能源相应的关注和支持,在未来几年内,地热能很有可能成为与太阳能风能等量齐观的新能源

  和其他可再生能源起步阶段一样,地热能形成产业的过程中面临的最大问题来自于技术和资金。地热产业属于资本密集型行业,从投资到收益的过程较为漫长,一般来说较难吸引到商业投资。可再生能源的发展一般能够得到政府优惠政策的支持,例如税收减免政府补贴以及获得优先贷款的权力。在相关优惠政策的指引下,投资者们将更有兴趣对地热项目进行投资建设。

  地热能的利用在技术层面上有待发展的主要是对于开采点的准确勘测,以及对地热蕴藏量的预测。由于一次钻探的成本较高,找到合适的开采点对于地热项目的投资建设至关重要。地热产业采取引进石油、天然气等常规能源勘测设备,为地热能寻找准确的开采点。

  世界其他国家和地区也在为地热鞥的发展提供更多的便利和支持。全球大约40多个国家已经将地热能发展列入议程,预计到2010年,全球地热资源的利用将提升50%。

  联合循环地热发电系统的最大优点是,可以适用于大于150℃的高温地热流体(包括热卤水)发电,经过一次发电后的流体,在并不低于120℃的工况下,再进入双工质发电系统,进行二次做功,这就是充分利用了地热流体的热能,既提高发电的效率,又能将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用,大大地节约了资源。

  据截止1997年的统计,全世界地热发电装机容量已达762.2万kw。美同加州吉塞斯地热电站是H前世界上最大的地热电站,装机容量达91.8万kw。西藏羊八井地热电站是中国最大的地热电站,装机容量为2.52万kw 。

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