地熱發電

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什麼是地熱發電

  地熱發電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發電技術。其基本原理與火力發電類似,也是根據能量轉換原理,首先把地熱能轉換為機械能,再把機械能轉換為電能。地熱發電實際上就是把地下的熱能轉變為機械能,然後再將機械能轉變為電能的能量轉變過程或稱為地熱發電。

地熱發電的歷史

  1904年,義大利托斯卡納的拉德瑞羅,第一次用地熱驅動0.75馬力的小發電機投入運轉,並提供5個100瓦的電燈照明,隨後建造了第一座500千瓦的小型地熱電站。

  地熱能是來自地球深處的可再生熱能,它起於地球的熔融岩漿和放射性物質的衰變。地下水深處的迴圈和來自極深處的岩漿侵入到地殼後,把熱量從地下深處帶至近表層。地熱能的儲量比人們所利用的能量總量還要多,大部分集中分佈在構造板塊邊緣一帶。地熱能不但是無污染的清潔能源,而且如果熱量提取速度不超過補充的速度,那麼熱能還是可再生的。

  隨著化石能源的緊缺、環境壓力的加大,人們對於清結可再生的綠色能源越來越重視,但地熱能在很久以前就被人類所利用。早在20世紀40年代,義大利的皮也羅·吉諾尼·康蒂王子在拉德雷羅首次把天然的地熱蒸汽用於發電。地熱發電,是利用液壓或爆破碎裂法將水註入到岩層中,產生高溫水蒸氣,然後將蒸汽抽出地面推動渦輪機轉動,從而發電。在這過程中,將一部分未利用的蒸汽或者廢氣經過冷凝器處理還原為水回灌到地下,迴圈往複。簡而言之,地熱發電實際上就是把地下的熱能轉變為機械能,然後再將機械能轉變為電能的能量轉變過程。針對溫度不同的地熱資源,地熱發電有4種基本發電方式,即直接蒸汽發電法、擴容(閃蒸法)發電法、中間介質(雙迴圈式)發電法和全流迴圈式發電法。

  地熱發電至今已有近百年的歷史了,紐西蘭、菲律賓、美國、日本等國都先後投入到地熱發電的大潮中,其中美國地熱發電的裝機容量居世界首位。在美國,大部分的地熱發電機組都集中在蓋瑟斯地熱電站。蓋瑟斯地熱電站位於加利福尼亞州舊金山以北約20公裡的索諾馬地區。1920年在該地區發現溫泉群、噴氣孔等熱顯示,1958年投入多個地熱井和多臺汽輪發電機組,至1985年電站裝機容量已達到1361兆瓦。20世紀70年代初,在國家科委的支持下,中國各地涌現出大量地熱電站。

地熱發電的系統類型

  一次蒸汽法

  一次蒸汽法直接利用地下的乾飽和(或稍具過熱度)蒸汽,或者利用從汽、水混合物中分離出來的蒸汽發電。

  二次蒸汽法

  二次蒸汽法有兩種含義,一種是不直接利用比較髒的天然蒸汽(一次蒸汽),而是讓它通過換熱器汽化潔凈水,再利用潔凈蒸汽(二次蒸汽)發電。第二種含義是,將從第一次汽水分離出來的高溫熱水進行減壓擴容生產二次蒸汽,壓力仍高於當地大氣壓力,和一次蒸汽分別進入汽輪機發電。

  地熱水中的水,按常規發電方法是不能直接送入汽輪機去做功的,必須以蒸汽狀態輸入汽輪機做功。對溫度低於100℃的非飽和態地下熱水發電,利用抽真空裝置,使進入擴容器的地下熱水減壓汽化,產生低於當地大氣壓力的擴容蒸汽然後將汽和水分離、排水、輸汽充入汽輪機做功,這種系統稱“閃蒸系統”。低壓蒸汽的比容很大,因而使氣輪機的單機容量受到很大的限制。但運行過程中比較安全。如氯乙烷、正丁烷、異丁烷和氟里昂等作為發電的中間工質,地下熱水通過換熱器加熱,使低沸點物質迅速氣化,利用所產生氣體進入發電機做功,做功後的工質從汽輪機排入凝汽器,併在其中經冷卻系統降溫,又重新凝結成液態工質後再迴圈使用。這種方法稱“中間工質法”,這種系統稱“雙流系統”或“雙工質發電系統”。這種發電方式安全性較差,如果發電系統的封閉稍有泄漏,工質逸出後很容易發生事故。

  混合蒸汽法

  20世紀90年代中期,以色列奧瑪特(Ormat)公司把上述地熱蒸汽發電和地熱水發電兩種系統合二為一,設計出一個新的被命名為聯合迴圈地熱發電系統,該機組已經在世界一些國家安裝運行,效果很好。

  地熱蒸汽發電系統

  利用地熱蒸汽推動汽輪機運轉,產生電能。本系統技術成熟、運行安全可靠,是地熱發電的主要形式。西藏羊八井地熱電站採用的便是這種形式。

  雙迴圈發電系統

  也稱有機工質朗肯迴圈系統。它以低沸點有機物為工質,使工質在流動系統中從地熱流體中獲得熱量,並產生有機質蒸汽,進而推動汽輪機旋轉,帶動發電機發電。

  全流發電系統   本系統將地熱井口的全部流體,包括所有的蒸汽、熱水、不凝氣體及化學物質等,不經處理直接送進全流動力機械中膨脹做功,其後排放或收集到凝汽器中。這種形式可以充分利用地熱流體的全部能量,但技術上有一定的難度,尚在攻關。

  乾熱岩發電系統

  利用地下乾熱岩體發電的設想,是美國人莫頓史密斯於1970年提出的。1972年,他們在新墨西哥州北部打了兩口約4000米的深斜井,從一口井中將冷水註入到乾熱岩體,從另一口井取出自岩體加熱產生的蒸汽,功率達2300千瓦。進行乾熱岩發電研究的還有日本、英國、法國、德國和俄羅斯,但迄今尚無大規模應用。

地熱發電系統利用

  國外對地熱能的非電力利用,也就是直接利用,十分重視。因為進行地熱發電,熱效率低,溫度要求高。所謂熱效率低。就是說,由於地熱類型的不同,所採用的汽輪機類型的不同,熱效率一般只有6.4~18.6%,大部分的熱量白白地消耗掉。所謂溫度要求高,就是說,利用地熱能發電,對地下熱水或蒸汽的溫度要求,一般都要在150℃以上;否則,將嚴重地影響其經濟性。而地熱能的直接利用,不但能量的損耗要小得多,並且對地下熱水的溫度要求也低得多,從 15~180℃這樣寬的溫度範圍均可利用。在全部地熱資源中,這類中、低溫地熱資源是十分豐富的,遠比高溫地熱資源大得多。但是,地熱能的直接利用也有其局限性,由於受載熱介質—熱水輸送距離的制約,一般來說,熱源不宜離用熱的城鎮或居民點過遠;不然,投資多,損耗大,經濟性差,是划不來的。

  地熱能的直接利用發展十分迅速,已廣泛地應用於工業加工、民用採暖和空調、洗浴、醫療、農業溫室、農田灌溉、土壤加溫、水產養殖、畜禽飼養等

  各個方面,收到了良好的經濟技術效益,節約了能源。地熱能的直接利用,技術要求較低,所需設備也較為簡易。在直接利用地熱的系統中,儘管有時因地熱流中的鹽和泥沙的含量很低而可以對地熱加以直接利用,但通常都是用泵將地熱流抽上來,通過熱交換器變成熱氣和熱液後再使用。這些系統都是最簡單的,使用的是常規的現成部件。

  地熱能直接利用中所用的熱源溫度大部分都在40℃以上。如果利用熱泵技術,溫度為20℃或低於20℃的熱液源也可以被當作一種熱源來使用(例如美國、加拿大、法國、瑞典及其他國家的做法)。熱泵的工作原理與家用電冰箱相同,只不過電冰箱實際上是單向輸熱泵,而地熱熱泵則可雙向輸熱。冬季,它從地球提取熱量,然後提供給住宅或大樓(供熱模式);夏季,它從住宅或大樓提取熱量,然後又提供給地球蓄存起來(空調模式)。不管是哪一種迴圈,水都是加熱並蓄存起來,發揮了一個獨立熱水加熱器的全部的或部分的功能。

  由於電流只能用來傳熱,不能用來產生熱,因此地熱泵將可以提供比自身消耗的能量高3-4倍的能量。它可以在很寬的地球溫度範圍內使用。在美國,地熱泵系統每年以 20%的增長速度發展,而且未來還將以兩位數的良好增長勢頭繼續發展。據美國能源信息管理局預測,到2030年地熱泵將為供暖、散熱和水加熱提供高達68Mt油當量的能量。

  對於地熱發電來說,如果地熱資源的溫度足夠高,利用它的好方式就是發電。發出的電既可供給公共電網,也可為當地的工業加工提供動力。正常情況下,它被用於基本負荷發電,只在特殊情況下,才用於峰值負荷發電。其理由,一是對峰值負荷的控制比較困難,再就是容器的結垢和腐蝕問題,一旦容器和渦輪機內的液體不滿和讓空氣進入,就會出現結垢和腐蝕問題。

  地熱能直接利用於烹飪、沐浴及暖房,已有悠久的歷史。至今,天然溫泉與人工開采的地下熱水,仍被人類廣泛使用。據聯合國統計,世界地熱水的直接利用遠遠超過地熱發電。中國的地熱水直接利用居世界首位,其次是日本。

  地熱水的直接用途非常廣泛,主要有採暖空調、工業烘乾、農業溫室、水產養殖、旅溫泉療養保健等。

地熱發電的方法

  把地下熱能轉換為機械能,然後再把機械能轉換為電能的生產過程。根據地熱能的賦存形式,他熱能可分為蒸汽型、熱水型、乾熱岩型、地壓型和岩漿型等五類。從地熱能的開發和能量轉換的角度來說,上述五類地熱資源都可以用來發電,但日前開發利用得較多的是蒸汽型及熱水型兩類資源。地熱發電的優點是:一般不需燃料,發電成本上多數情況下都比水電、火電、核電要低,設備的利用時間長,建廠投資一般都低於水電站,且不受降雨拉季節變化的影響,發電穩定,可以大大減少環境響污染,等等。

  利用地下熱水發電主要有降壓擴容法和中間介質法兩種:

  降壓擴容法

  根據熱水的汽化溫度與壓力有關的原理而設計的,如在0.3絕對大氣壓下水的汽化溫度是68.7。通過降低壓力而使熱水沸騰變為蒸汽,以推動汽輪發電機轉動而發電。

  中間介質法

  採用雙迴圈系統即利用地下熱水間接加熱某些“低沸點物質”來推動汽輪機做功的發電方式。如在常壓下水的沸點為與100℃,而有些物質如氯乙烷和氟里昂在常壓下的沸點溫度分別為12.4℃及-29.8℃,這些物質被稱為“低沸點物質”。根據這些物質在低溫下沸騰的特性,可將它們作為中間介質進行地下熱水發電。利用“中間介質”發電萬法,既可以用100℃以上的地下熱水(汽),也可以用100℃以下的地下熱水。對於溫度較低的地下熱水來說,採用“降壓擴容法”效率較低,而且在技術上存在一定困難,而利用“中間介質法”則較為合適。

  這兩種方法都有它們各自的優缺點。地熱發電仍是一個新的課題,其發電的方人仍在不斷探索中。

  地下熱水往往含有大量的腐蝕性氣體,其中危害性最大的是硫化氫、二氧化碳、氧等,它們是導致腐蝕的主要因素,這些氣體進入汽輪機、附屬設備和管道,使其受到強烈的腐蝕。此外,地下熱水中含有結垢的成分,如硅、鈣、鎂、鐵等,以及對結垢有影響的氣體,如二氧化碳、氧和硫化氫等,產生的結垢經常以碳酸鈣、二氧化硅等化合物出現。因此,在利用地下熱水發電中要允分註意解決腐蝕和結垢問題。

地熱發電現狀

  美國的地熱能使用僅占全國能源組成的0.5%。據麻省理工學院的一份報告指出,美國現有的地熱系統每年只採集約3000兆瓦能量,而保守估計,可開采的地熱資源達到10萬兆瓦。相關專家指出,倘若給與地熱能源相應的關註和支持,在未來幾年內,地熱能很有可能成為與太陽能風能等量齊觀的新能源

  和其他可再生能源起步階段一樣,地熱能形成產業的過程中面臨的最大問題來自於技術和資金。地熱產業屬於資本密集型行業,從投資到收益的過程較為漫長,一般來說較難吸引到商業投資。可再生能源的發展一般能夠得到政府優惠政策的支持,例如稅收減免政府補貼以及獲得優先貸款的權力。在相關優惠政策的指引下,投資者們將更有興趣對地熱項目進行投資建設。

  地熱能的利用在技術層面上有待發展的主要是對於開采點的準確勘測,以及對地熱蘊藏量的預測。由於一次鑽探的成本較高,找到合適的開采點對於地熱項目的投資建設至關重要。地熱產業採取引進石油、天然氣等常規能源勘測設備,為地熱能尋找準確的開采點。

  世界其他國家和地區也在為地熱鞥的發展提供更多的便利和支持。全球大約40多個國家已經將地熱能發展列入議程,預計到2010年,全球地熱資源的利用將提升50%。

  聯合迴圈地熱發電系統的最大優點是,可以適用於大於150℃的高溫地熱流體(包括熱鹵水)發電,經過一次發電後的流體,在並不低於120℃的工況下,再進入雙工質發電系統,進行二次做功,這就是充分利用了地熱流體的熱能,既提高發電的效率,又能將以往經過一次發電後的排放尾水進行再利用,大大地節約了資源。

  據截止1997年的統計,全世界地熱發電裝機容量已達762.2萬kw。美同加州吉塞斯地熱電站是H前世界上最大的地熱電站,裝機容量達91.8萬kw。西藏羊八井地熱電站是中國最大的地熱電站,裝機容量為2.52萬kw 。

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