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地?zé)岚l(fā)電簡(jiǎn)述0前言從上世紀(jì)70年代初全球第一次能源危機(jī)出現(xiàn)之后,“利用清潔能源”的呼吁就從未間斷過。根據(jù)此前的預(yù)測(cè),地球上的石油只夠用50年,煤炭最多用100年。在當(dāng)時(shí),時(shí)任地質(zhì)部部長(zhǎng)李四光就曾提出“要像開發(fā)煤炭資源一樣開發(fā)地?zé)豳Y源”。地?zé)豳Y源作為一種潔凈的可再生能源。它具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數(shù)穩(wěn)定(流量、溫度)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。地?zé)岵粌H是一種礦產(chǎn)資源,同時(shí),也是寶貴的旅游資源和水資源,已成為人們爭(zhēng)相開發(fā)利用的熱點(diǎn)。我國地?zé)嶂苯永靡盐痪邮澜绲诙?,僅次于美國。按照地?zé)豳Y源儲(chǔ)存形式,可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和熔巖型5大類。根據(jù)其溫度不同劃分為高、中、低溫地?zé)?,但劃分方式略有不同。一般認(rèn)為小于90度的為低溫、90-160度為中溫、大于160度為高溫。在我國,多數(shù)時(shí)候?qū)⒊^150度的地?zé)豳Y源成為高溫地?zé)?,低?50度的為低溫地?zé)帷?地?zé)岚l(fā)電原理及技術(shù)地?zé)岚l(fā)電的過程就是把地下熱能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程,原理和火力發(fā)電的基本原理是一樣的。所不同的是,地?zé)岚l(fā)電不像火力發(fā)電那樣需要備有龐大的鍋爐,也不需要消耗燃料,它所用的能源是地?zé)崮?。根?jù)可利用地?zé)豳Y源的特點(diǎn)以及采用技術(shù)方案的不同,地?zé)岚l(fā)電主要分為地?zé)嵴羝?、地下熱水、?lián)合循環(huán)和地下熱巖4種方式。1.1地?zé)嵴羝l(fā)電1.1.1背壓式汽輪機(jī)發(fā)電。工作原理:把干蒸汽從蒸汽井中引出,先加以凈化,經(jīng)過分離器分離出所含的固體雜質(zhì),然后使蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電,排汽放空(或送熱用戶)。這是最簡(jiǎn)單的發(fā)電方式,大多用于地?zé)嵴羝胁荒Y(jié)氣體含量很高的場(chǎng)合,或者綜合利用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水。1.1.2凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電。為了提高地?zé)犭娬镜臋C(jī)組輸出功率和發(fā)電效率,做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷卻后再排出。在該系統(tǒng)中,蒸汽在汽輪機(jī)中能膨脹到很低的壓力,所以能做出更多的功(系統(tǒng)原理見圖1.1)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于高溫(160度以上)地?zé)崽锏陌l(fā)電。1地?zé)峋?分離矗;1.2地下熱水發(fā)電1地?zé)峋?分離矗;1.2地下熱水發(fā)電5混合式凝汽器;6排水泵;7排污泵;4發(fā)電機(jī);1地?zé)嵴羝桨l(fā)電1.2.1閃蒸地?zé)岚l(fā)電。工作原理:將地?zé)峋谝齺淼牡責(zé)崴?,先送到閃蒸器中進(jìn)行降壓閃蒸(或稱擴(kuò)容),使其產(chǎn)生部分蒸汽,再引到常規(guī)汽輪機(jī)做功發(fā)電。汽輪機(jī)排出的蒸汽在混合式凝汽器內(nèi)冷凝成水,送往冷卻塔。分離器中剩下的含鹽水排入環(huán)境或打入地下,或引入作為第二級(jí)低壓閃蒸分離器中,分離出低壓蒸汽引入汽輪機(jī)的中部某一級(jí)膨脹做功。用這種方法產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電叫做閃蒸法地?zé)岚l(fā)電。它又可以分為單級(jí)閃蒸法、兩級(jí)閃蒸法和全流法等(系統(tǒng)原理見圖1.2)。采用閃蒸法的地?zé)犭娬?,熱水溫度低?00度時(shí),全熱力系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)。這種電站設(shè)備簡(jiǎn)單,易于制造,可以采用混合式熱交換器。缺點(diǎn)是設(shè)備尺寸大,容易腐蝕結(jié)垢,熱效率較低。由于是直接以地下熱水蒸汽為工質(zhì),因而對(duì)于地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求。1.2.2中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電。25排水泵;1地?zé)峋?1.2.2中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電。25排水泵;1地?zé)峋?閃蒸器;7排污泵;8熱水泵;75混合式凝汽器;61.2地下熱水閃蒸地?zé)岚l(fā)電工作原理:通過熱交換器利用地下熱水來加熱某種低沸點(diǎn)的工質(zhì),使之變?yōu)檎羝?,然后以此蒸汽推?dòng)氣輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在這種發(fā)電系統(tǒng)中采用兩種流體,一種是以地?zé)崃黧w作熱源,它在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后排入環(huán)境或打入地下;另一種是以低沸點(diǎn)工質(zhì)流體作為工作介質(zhì)(如氟里昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷、氯丁烷等。這種工質(zhì)在蒸汽發(fā)生器內(nèi)由于吸收了地?zé)崴懦龅臒崃慷?,產(chǎn)生的低沸點(diǎn)工質(zhì)蒸汽送入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。做完功后的蒸汽,由汽輪機(jī)排出,并在冷凝器中冷凝成液體,然后經(jīng)循環(huán)泵打回蒸汽發(fā)生器再循環(huán)工作。該方式分為單級(jí)中間介質(zhì)法系統(tǒng)、雙級(jí)中間介質(zhì)法系統(tǒng)或多級(jí)中間介質(zhì)法系統(tǒng)(系統(tǒng)原理見圖1.3)。這一系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能夠更充分地利用地下熱水的熱量,降低發(fā)電的熱水消耗率,缺點(diǎn)是增加了投資和運(yùn)行的復(fù)雜性。1地?zé)峋?蒸發(fā)器;31地?zé)峋?蒸發(fā)器;3汽輪機(jī);4發(fā)電機(jī);5表.3中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電汽器;6循環(huán)泵;7排水管;8熱水泵1.3聯(lián)合循環(huán)發(fā)電聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)就是把蒸汽發(fā)電和地?zé)崴l(fā)電2種系統(tǒng)合二為一,它最大的優(yōu)點(diǎn)就是適用于高于150度的高溫地?zé)崃黧w發(fā)電,經(jīng)過一次發(fā)電后的流體,在不低于120的工況下,再進(jìn)入雙工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng),進(jìn)行二次做功,充分利用了地?zé)崃黧w的熱能,既提高了發(fā)電效率,又將經(jīng)過一次發(fā)電后的排放尾水進(jìn)行再利用,大大節(jié)約了資源。該機(jī)組目前已經(jīng)在一些國家安裝運(yùn)行,經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都很好。該系統(tǒng)從生產(chǎn)井到發(fā)電,再到最后回灌到熱儲(chǔ),整個(gè)過程都是在全封閉系統(tǒng)中運(yùn)行的,因此,即使是礦化程度很高的熱鹵水也可以用來發(fā)電,且不存在對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí),由于系統(tǒng)是全封閉的,即使在地?zé)犭娬局幸矝]有刺鼻的硫化氫味道,因而是100%的環(huán)保型地?zé)嵯到y(tǒng)。這種地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)采用100%的地?zé)崴毓?,從而延長(zhǎng)了地?zé)崽锏氖褂脡勖?.4利用地下熱巖石發(fā)電1.4.1熱干巖過程法。與那些只從火山活動(dòng)頻繁地區(qū)的溫泉中提取熱能的方法相比,熱干巖過程法將不受地理?xiàng)l件限制,可以在任何地方進(jìn)行熱能開采。首先將水通過壓力泵壓入地下4-6km深處,此處巖石層的溫度大約在200度左右。水在高溫巖石層被加熱后,通過管道加壓被提取到地面并輸入到熱交換器中,熱交換器推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成電能。同時(shí)推動(dòng)汽輪機(jī)工作的熱水經(jīng)冷卻后可重新輸入地下供循環(huán)使用。這種地?zé)岚l(fā)電的成本與其他再生能源的發(fā)電成本相比是有競(jìng)爭(zhēng)力的,而且這種方法在發(fā)電過程中不產(chǎn)生廢水、廢氣等污染,所以它是一種未來的新能源。1.4.2巖漿發(fā)電。在現(xiàn)在的地?zé)岚l(fā)電中,地?zé)醿?chǔ)層中的熱源是地下深部的融熔巖漿。所謂巖漿發(fā)電就是把井鉆到巖漿處,直接獲取那里的熱量。這一方式在技術(shù)上是否可行,是否能把井鉆至高溫巖漿處,人們一直在研究中。到目前為止,在夏威夷進(jìn)行了鉆井研究,想用噴水式鉆頭把井鉆到巖漿溫度為1020~1170度的巖漿中,并深入巖漿29m,但就這也只是淺地表的個(gè)別情況。如果真正鉆到地下幾千米才能鉆到巖漿,采用現(xiàn)有技術(shù)也是很難實(shí)現(xiàn)的。另外,對(duì)從巖漿中提取熱量,目前也只是進(jìn)行了理論上的研究。2國內(nèi)對(duì)于地?zé)岬睦矛F(xiàn)狀2.1已投產(chǎn)運(yùn)行的地?zé)犭娬疚覈钤绲牡責(zé)岚l(fā)電是在廣東省豐順縣鄧屋,利用92度地下熱水發(fā)電成功。當(dāng)時(shí)首次試驗(yàn)成功是86kW,后來又逐漸完善到300千瓦裝機(jī)容量,一直運(yùn)行到2008年。上世紀(jì)70年代,世界第一次石油危機(jī)爆發(fā)。當(dāng)時(shí)我國建起了7個(gè)中低溫地?zé)岚l(fā)電廠,除上面談到的,還有湖南省寧鄉(xiāng)縣灰湯300千瓦,河北省懷來縣后郝窯200千瓦,山東省招遠(yuǎn)縣湯東泉300千瓦,遼寧省蓋縣熊岳200千瓦,廣西壯族自治區(qū)象州市熱水村200千瓦和江西省宜春縣溫湯100千瓦。其中溫度最低的為67度的江西宜春縣溫湯,裝機(jī)容量為100千瓦。但是由于當(dāng)時(shí)的歷史時(shí)代,沒有在國際上發(fā)表論文,因此缺失了文獻(xiàn)記載。2006年美國才在阿拉斯加州建成了74度溫泉地?zé)岚l(fā)電200千瓦,但因?yàn)榘l(fā)表了論文,最終被稱為是“世界最低溫度發(fā)電”。這7座電廠中有5座于上世紀(jì)70年代末就陸續(xù)關(guān)停了,后兩座也于上世紀(jì)90年代初關(guān)閉。其原因主要是因?yàn)檫@類地?zé)岚l(fā)電在技術(shù)上可行,但在當(dāng)時(shí)的歷史條件下經(jīng)濟(jì)上不可行,不具備商業(yè)性。高溫地?zé)嵴羝l(fā)電卻為我國西藏經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。上世紀(jì)70年代中期開始在西藏羊八井進(jìn)行地?zé)崽锟碧?,同時(shí)地?zé)犭姀S的設(shè)計(jì)和籌建同步進(jìn)行。1977年國慶節(jié)前夕,1000千瓦的高溫地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)機(jī)組發(fā)電成功。截至1991年,陸續(xù)完成8臺(tái)機(jī)組安裝,使羊八井地?zé)犭姀S達(dá)到25.1兆瓦的總裝機(jī)容量。至今,羊八井地?zé)犭姀S每年運(yùn)行6000小時(shí)以上,年發(fā)電在1.2億千瓦時(shí)以上。目前羊八井地?zé)犭娬疽验_發(fā)的主要是淺層資源,而儲(chǔ)藏于地表1400米以下的“大儲(chǔ)量、高品質(zhì)”的地?zé)豳Y源尚未開發(fā),這部分深層地?zé)岬目傃b機(jī)容量保守估計(jì)至少為3萬千瓦。羊八井地?zé)犭娬疚磥黹_發(fā)潛力巨大。2.2擬定建設(shè)未投運(yùn)的地?zé)犭娬竞D蠉u為發(fā)展干熱巖地?zé)犭娬荆x址工作已經(jīng)展開,地?zé)犴?xiàng)目選址要求地?zé)釡囟雀哂欣渌┙o,交通方便,土地為荒地的地域作發(fā)電廠址。水溫最高的七仙嶺溫泉達(dá)84度,水量最大的南平溫泉達(dá)14.4升每秒,都分布在侵入巖區(qū)中。該區(qū)地形平坦、交通方便、分布村莊少。巖體未受變質(zhì)作用,巖石可鉆性好,適宜于生產(chǎn)鉆進(jìn)。該區(qū)適宜于旅游參觀,也需要用電。但該項(xiàng)目審批工作進(jìn)展不詳。云南騰沖熱海地?zé)崽镒鳟?dāng)?shù)匚ㄒ坏膸r漿熱源地?zé)崽?,也于上世紀(jì)開始著手地?zé)犭娬卷?xiàng)目的發(fā)展,1998年在熱水塘建10兆瓦的地?zé)嵩囼?yàn)電站,井深1640米,井底最高溫度為143.5度,但由于孔內(nèi)巖石滲透性差,深部裂隙不夠,沒能成功。2004年,《騰沖縣地?zé)犭娬卷?xiàng)目建議書》通過我國相關(guān)部門專家組論證,通過國際合作的形式,與以色列聯(lián)合開發(fā),你投資)900萬美元,建立一座48.8兆瓦的熱點(diǎn)電站。但至今尚未得到發(fā)改委審批。3展望一個(gè)典型的地?zé)犭娬卷?xiàng)目的成本預(yù)算大致可劃分為:勘探占5%,評(píng)估占1%,許可證占1%,地?zé)峋?3%,地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)占7%,電站占57%,輸配電占4%.其中,電站和地?zé)峋糠值某杀菊嫉搅丝偝杀镜?0%,所以這兩方面的工程技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn)。我國是世界上利用地?zé)岵膳拇髧?,多年來在熱?chǔ)工程和地?zé)峋矫嫒〉昧碎L(zhǎng)足發(fā)展。我國各地幾乎都有地?zé)峋責(zé)峋淖畲笊疃纫堰_(dá)到4000米。但是,多年來我國地?zé)崮馨l(fā)電卻基本上處于停滯狀態(tài)。雖然羊八井地?zé)犭娬驹诘責(zé)崃黧w采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電站運(yùn)行和管理等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn),但羊八井地?zé)犭娬驹O(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)嚴(yán)重老化,一些重要設(shè)備如汽水分離器和過濾器等還沒有投入應(yīng)用,非常缺乏先進(jìn)的地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)和成套設(shè)備的集成技術(shù)。相比較而言,地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造和集成技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地?zé)崮馨l(fā)電的其他技術(shù)。因此,近期地?zé)崮馨l(fā)電優(yōu)先發(fā)展的方向應(yīng)是提高地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平和集成技術(shù)水平。我國完全具備盡快發(fā)展地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)和集成技術(shù)的條件和基礎(chǔ)。地?zé)犭娬景l(fā)電設(shè)備與常規(guī)電站發(fā)電設(shè)備基本類似,比如地?zé)崞啓C(jī)與火電機(jī)組低壓缸的濕蒸汽部分相似。但需認(rèn)識(shí)到:應(yīng)當(dāng)牢牢抓住地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的特點(diǎn),如腐蝕、結(jié)垢等方面進(jìn)行深入的研究,才能開發(fā)出適用于地?zé)崮馨l(fā)電的高性能設(shè)備。對(duì)于利用中間介質(zhì)系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備,則需要有更多的投入。近幾年,有研究人員嘗試著將不同的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行整合,較為可行的為中科院廣州能源所

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