摘 要:概述了地熱能及其發電方式和國內外地熱能發電的現狀,分析了地熱能發電的關鍵技術,討論了我國地熱能發電的工程技術發展方向,提出目前我國地熱能發電工程技術的重點是地熱發電設備的設計制造技術和成套設備的優化集成.

 

  關鍵詞:地熱能發電;地熱發電設備;設計制造技術;優化集成。

 

  地熱能是綠色能源,也是可再生能源.世界上已有24個國家利用地熱能發電,其中有5個國家的地熱發電量占國家總發電量的15%~22%.從BP公司(世界最大的能源公司之一)的統計數字顯示,截止2008年底,全球地熱發電總裝機容量已達到10 469 MW.

 

  人類從事地熱發電的歷史已超過百年,曾對各種類型的地熱資源進行過開發利用.地熱能是一種環境友好型能源,與化石燃料能源相比,在開發利用過程中幾乎沒有廢氣排放,且廢水排入地下.在已知的新能源中,地熱能發電不受季節影響,因此它是穩定、可靠的能源,可用于帶基本負荷運行的電站.有數據顯示,地熱發電的負荷率高達90%,而太陽能發電和風力發電分別只有20%和25%(BP能源公司2009年世界能源統計).

 

  西藏是我國地熱能發電開發規模最大的地區,其中羊八井地熱電站已運行了30多年,積累了大量寶貴經驗.國內外地熱能發電的經驗證明:地熱發電是清潔的、無燃料成本的低碳能源工業,在經濟性上具有競爭力.

 

  隨著國際能源戰略的重大調整,綠色能源革命和低碳經濟席卷全球,燃煤發電將長期面臨減排的壓力,因而促使開發、利用新能源發電的商業項目日益增多.各國政府、國際組織和各主要投資實體均在這一方面提供優惠政策并投入大量資金,很多國外公司也頻頻介紹地熱能發電項目,特別是在缺乏技術而市場廣闊的發展中國家進行開發投資.因此,對于地熱能發電有著很大潛力的中國企業,應廣泛開展從地熱能發電的概念到發電全過程的技術研究.

 

  1 地熱能發電概述。

 

  1.1 地熱能概述。

 

  地熱能是指地球內部蘊藏的能量,一般集中分布在構造板塊邊緣一帶,起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變.據估計,距地殼深度3 km以內蘊藏的熱量約為4.3@1019MJ.全球地熱資源估計為6@106MW,其中32%的地熱溫度高于130e,而68%的地熱溫度低于130e[2].通常,地熱資源可以按溫度來劃分,地熱溫度高于150e為高溫,地熱溫度低于90e為低溫,而地熱溫度處于90~150e為中溫.

 

  1.2 地熱能發電方式。

 

  目前,絕大多數的地熱發電項目是通過鉆井抽取地下的地熱流體作為高溫熱源進行發電,經過發電后的地熱流體再灌回地下.一般,從井口流出的地熱流體存在3種狀態:干蒸汽、以蒸汽為主或者以水為主的汽水混合物以及熱水.根據地熱流體的性質,有4種熱力系統可供選擇:干蒸汽熱力系統(圖1(a))、一次閃蒸蒸汽熱力系統(圖1(b))、二次閃蒸蒸汽熱力系統(圖1(c))和雙工質熱力系統(圖1(d)).

 

  (a)干蒸汽熱力系統(b)一次閃蒸蒸汽熱力系統(c)二次閃蒸蒸汽熱力系統(d)雙工質熱力系統圖1 地熱能發電的主要熱力系統Fig.1 Principal thermal system of geothermal power generation2 世界地熱能發電現狀目前,能夠較大規模進行地熱能發電的國家,主要都是利用與火山有關的地熱資源.除了美國、意大利以及新西蘭等發達國家一直以開發地熱能進行發電外,許多擁有豐富高溫地熱資源的發展中國家也非常重視地熱能發電.

 

  2.1 國外地熱能發電現狀[3]

 

  美國是世界上地熱發電規模最大的國家,總裝機容量達到2 687 MW.美國最大的地熱電站是Geysers電站,利用干蒸汽發電,現有裝機容量1 421 MW.2008年8月,美國地熱協會聲稱美國地熱發電將新增裝機容量4 000 MW.

 

  意大利早在1904年就利用干地熱蒸汽進行了發電試驗,是世界上最早進行地熱發電的國家,目前總裝機容量已達810 MW.2007年,意大利政府批準新增100 MW地熱發電機組.

 

  新西蘭是最早利用中、低溫地熱資源進行發電的國家,目前總裝機容量為472 MW.Wairakei地熱電廠運行已超過50年,運行地熱機組容量已達147 MW.

 

  菲律賓擁有豐富的地熱資源,目前的總裝機容量為1 971 MW,計劃在2010~2014年間新增裝機容量800 MW.

 

  印度尼西亞地熱資源極其豐富,地熱能發電潛力居世界第一.目前,印度尼西亞地熱發電總裝機容量達到992 MW.在簽署了京都議定書后,印度尼西亞政府計劃在2009~2018年新建總裝機容量為6 867 MW的地熱發電機組,以此來緩解國內嚴重的缺電問題.

 

  #1161# 第12期周支柱:地熱能發電的工程技術墨西哥地熱發電潛力為8 000 MW,僅次于印度尼西亞.目前,墨西哥地熱發電總裝機容量為953MW.地熱開發商CFE的計劃顯示,墨西哥地熱發電新增機組容量為300 MW.

 

  肯尼亞地熱發電潛力約為2 000 MW.2007年,肯尼亞地熱發電總裝機容量為129 MW.

 

  土耳其2007年的地熱電站總裝機容量為38MW.在2009年,土耳其國內1座容量為45 MW的地熱電站剛投入運行.

 

  2.2 中國地熱能發電現狀由于中國地熱資源大多以低溫為主,僅在西藏、云南和臺灣存在中、高溫地熱資源.上世紀70年代,為解決西藏缺電問題,國家投資開發淺層中、低溫地熱資源,相繼建成羊八井、郎久和那曲3座地熱電站,總裝機容量為28.18 MW.西藏羊八井地熱電站建有7臺3 MW二級擴容循環機組,1臺3.18 MW進口機組和1臺1 MW單級擴容循環機組[4].郎久地熱電站和那曲地熱電站已關閉.隨著國家在西藏地熱資源方面的投資減少,目前尚未有新的地熱電站興建.在上世紀90年代,開展了回灌工程,有效地穩定了地熱發電量.羊八井地熱電站為當地經濟發展做出了巨大貢獻.在2008年,西藏羊八井地熱電站利用1口高溫地熱井進行了增容發電.

 

  我國臺灣省建有2座地熱試驗電站,目前也已關閉.云南騰沖的熱海地熱田溫度高達260e以上,但至今尚未開發利用.

 

  3 地熱能發電的關鍵技術3.1 地熱田開發3.1.1 熱儲工程技術地熱電站規模大小主要與地熱田的發電潛力有關.在開發階段,既要保證有足夠的地熱流體使機組啟動滿發,又要避免過度開采造成機組出力不足,因此需要對地熱田進行深入研究.可以通過一些指標來評估地熱田的實際情況,比如地熱流體的成分、井底壓力和溫度、井口壓力和溫度以及滲透性等,但對地熱田內部變化和未來預測,則需要通過熱儲工程技術建立熱儲模型來進行分析.

 

  首先根據地熱儲存條件、地熱熱源分析、熱傳遞機理和地熱流體運移等方面建立數學概念模型;然后根據地質勘探和測量、試驗井的測量和物探結果來修正概念模型,獲得熱儲系統模型,并根據此模型預測深部熱儲溫度場、壓力場和化學場在地熱開發條件下的變化趨勢,評估地熱田潛力,確定生產井和回灌井的數量和位置以及回灌對熱田的影響.生產井和回灌井建成后,要根據試驗數據進一步修正熱儲模型,建立地熱田管理模型,并以此作為今后擴建和優化開發的基礎.

 

  3.1.2 地熱井技術目前,地熱井鉆探是勘探和開發地熱資源的唯一手段,但在地熱能發電工程項目中,地熱生產井的鉆井平均成功率僅為70%~80%.鉆井成功率不高的原因與地質勘探以及地熱井工程技術有關.地熱井工程技術主要包括鉆井和成井2部分.

 

  鉆井是地熱開發的基礎,它涉及到確定鉆孔結構、選擇鉆進參數、設計鉆柱級配方式、選擇鉆頭類型、配置鉆井液以及事故預防和處理等技術.鉆井工程中的每個技術環節均會對鉆井質量、鉆井效率和成本產生重大影響.

 

  成井是地熱開發的關鍵,它決定著地熱開發的質量.成井技術包括地球物理測井、通井、井管的選擇和安裝、沖孔換漿、填礫、固井以及洗井等內容.成井技術需要根據現場的地質條件、井深、鉆井結構和井管結構等進行工藝選擇,是1套地熱開發的綜合技術[5].

 

  3.2 地熱能發電3.2.1 地熱流體采集系統的設計通常有多口生產井,因此需要把各生產井連接起來,然后把分離后的蒸汽輸送到汽輪機.在生產井與汽輪發電機組之間的這個龐大部分被稱為地熱流體采集系統,主要涉及到井口裝置選型、管網設計、汽水分離器設計、消聲器設計以及自動疏水器配置等內容.

 

  一般,地熱井和地熱電站都相距較遠,從生產井流出的地熱流體大多是低參數兩相流,生產井的井口參數可能會有較大差異,這些均是地熱流體采集系統設計所需要考慮的重要因素.

 

  3.2.2 地熱電站的選型技術前面已經提到,世界地熱電站主要有4種類型.

 

  據統計,世界地熱電站總裝機容量的90%都是蒸汽系統,其余10%基本上是雙工質系統(表1[6]).

 

  選擇地熱電站的類型非常重要,它會影響地熱流體采集系統的設計、汽輪機進汽參數的選擇、地熱設備的選型、回灌系統設計以及輔助系統設計等.地熱電站的設計基準數據包括井口溫度和壓力、井口流量、蒸汽和熱水質量比、生產井特性曲線、不凝結氣體含量和化學分析等.除了選擇單獨的熱力系統之外,也可以考慮聯合循環系統,即在高溫循環時采用一次閃蒸蒸汽熱力系統,而在低溫循環時則采用雙工質熱力系統.

 

  #1162#     動 力 工 程    第29卷 表1 世界地熱電站的類型分布Tab.1 Distribution of geothermal power stationtype in the world電站類型裝機容量/MW百分比/%干蒸汽2 545 28一次閃蒸3 295 37二次閃蒸2 293 26雙工質(含聯合循環) 682 8其他119 1地熱電站選型建立在地熱田具體情況的基礎之上,根據設計基準數據和通過設計地熱流體采集系統,計算出汽輪機進口壓力和功率,在最大功率附近確定汽輪機進汽壓力的范圍.在這個壓力范圍內,選擇不同的進汽參數進行方案設計,包括優化設計地熱流體采集系統、初步設計地熱電站熱力系統和回灌系統以及選擇相應的設備等內容,然后對其進行技術經濟性比較,最后得到最優方案.

 

  3.2.3 地熱發電設備的設計制造技術前3種蒸汽熱力系統涉及汽輪機、井口閥門、汽水分離器、閃蒸器、凝汽器、抽汽器、冷卻塔和泵等設備;雙工質系統包括有機氣體透平、井口閥門、熱交換器、空冷凝汽器和泵等設備.所有設備的功能與常規電站設備幾乎相同,但地熱流體都含有腐蝕性和易結垢的化學成分,因此在設計制造地熱發電設備時必須考慮到這一特點,以保證地熱電站設備的可靠性.表2給出了地熱發電設備的腐蝕與結垢特性.

 

  表2 地熱發電設備的腐蝕與結垢Tab.2 Corrosion and fouling in geothermal powergeneration equipment干蒸汽一次閃蒸二次閃蒸雙工質汽輪機腐蝕,結垢腐蝕,結垢腐蝕,結垢井口閥門結垢,腐蝕結垢,腐蝕結垢,腐蝕結垢,腐蝕汽水分離器結垢,腐蝕結垢,腐蝕結垢,腐蝕)閃蒸器)結垢,腐蝕結垢,腐蝕)凝汽器腐蝕腐蝕腐蝕抽汽器腐蝕腐蝕腐蝕)冷卻塔腐蝕腐蝕腐蝕)循環泵結垢,腐蝕結垢,腐蝕結垢,腐蝕換熱器) ) )結垢,腐蝕3.2.4 回灌系統的設計技術從地下帶出來的化學成分大部分存在于分離后的熱水中,因此地熱水在開發利用后一定要回灌地下.回灌也是國際公認的維持地熱田發電能力的最有效手段.在設計回灌系統時,除了在熱儲中要考慮井的位置、回灌水流向等以外,還需要重視管道內可能的熱水汽化和回灌水溫度控制等問題,以避免造成管道破裂和嚴重結垢.

 

  4 我國地熱能發電技術的發展方向一個典型的地熱電站項目的成本為:勘探占5%,評估占1%,許可證占1%,地熱井占23%,地熱流體采集系統占7%,電站占57%,輸配電占4%.其中,電站和地熱井部分的成本占到了總成本的80%,所以這2方面的工程技術是發展的重點.

 

  我國是世界上利用地熱采暖的大國,多年來在熱儲工程和地熱井方面取得了長足發展.我國各地幾乎都有地熱井,地熱井的最大深度已達到4 000 m.

 

  但是,多年來我國地熱能發電卻基本上處于停滯狀態.雖然羊八井地熱電站在地熱流體采集系統設計、閃蒸蒸汽熱力系統設計、回灌系統設計、電站運行和管理等方面積累了一定經驗,但羊八井地熱電站設備的設計制造技術嚴重老化,一些重要設備如汽水分離器和過濾器等還沒有投入應用,非常缺乏先進的地熱發電設備設計制造技術和成套設備的集成技術.相比較而言,地熱發電設備設計制造和集成技術的發展遠遠落后于地熱能發電的其他技術.

 

  因此,近期地熱能發電優先發展的方向應是提高地熱發電設備設計制造技術水平和集成技術水平.

 

  我國完全具備盡快發展地熱發電設備設計制造技術和集成技術的條件和基礎.地熱電站發電設備與常規電站發電設備基本類似,比如地熱汽輪機與火電機組低壓缸的濕蒸汽部分相似.但必須清醒地認識到:應當牢牢抓住地熱能發電技術的特點,如腐蝕、結垢等方面進行深入的研究,才能開發出適用于地熱能發電的高性能設備.對于雙工質系統的發電設備,則需要有更多的投入.

 

  5 結 論發展中國家有著豐富的地熱資源和廣闊的市場.但作為發展中國家的中國,根據目前地熱能發電的工程技術現狀,中國企業走出去開發相關項目的主要風險集中在地熱發電設備的設計制造和集成技術.中國企業應計劃在2~3年的時間里進行技術創新,大力研究地熱發電的工程技術,重點放在深入研究適合地熱發電的成套設備的設計制造技術和集成技術.

 

  積極發展地熱能發電的工程技術有利于電站工程項目的多元化,有助于帶動我國綠色能源的工程(4 結 論。

 

  (1) 10個含有缺陷的不銹鋼節流孔板均通過了ASME第?卷標準5核電廠部件在役檢查規則6、標準GB/T 19624)20045在用含缺陷壓力容器安全評定6、標準BS 7910)19995金屬結構中缺陷驗收評定方法導則6的安全評定.

 

  (2)秦山第三核電有限公司的應急堆芯冷卻系統及停堆冷卻系統中的不銹鋼節流孔板在40年的設計壽命期內是安全的.

 

  (3) 3個標準的評定結果基本一致,但3個標準在缺陷規則化、評定工況和應力的確定方法、缺陷疲勞擴展方程性能系數、缺陷應力強度因子的計算公式以及缺陷安全性評定方式等方面均有所差異.