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地热发电

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  • 发布时间:2014/11/27 12:10:41
  • 作者:银河电气
定义
地热发电是利用地热流体所运载的热能转换为电能的发电方式。
参见:JBT 6506-1992 地热发电用汽轮机 技术条件 3.1节
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地热发电原理技术

  地热发电是地热利用的最重要方式。地热发电和火力发电原理是一样的,都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能,然后带动发电机发电。要利用地下热能,首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体,主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载流体类型、温度、压力和其他特性的不同,可把地热发电的方式划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。

(1)蒸汽型地热发电

  蒸汽型地热发电主要分为背压式和凝汽式发电系统。

(1)背压式汽轮机发电

  把干蒸汽从蒸汽井中引出,先加以净化,经过分离器分离出所含的固体杂质,然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电,排汽放空(或送热用户)。这是最简单的发电方式,大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合,或者综合利用于工农业生产和生活用水。

 热蒸汽背压式发电原理图
图1热蒸汽背压式发电原理图

(2) 凝汽式汽轮机发电

  蒸汽在汽轮机内部推动叶片膨胀做功,带动汽轮机转子高速旋转并带动发电机向外供电。做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷却后再排出,在该系统中,蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力,所以能做出更多的功。这种系统适用于高温160℃的地热田的发电,系统简单。

 热蒸汽凝汽式发电原理图
图2热蒸汽凝汽式发电原理图

(2)热水型地热发电

  热水型地热发电是地热发电的主要方式,目前热水型地热电站有两种循环系统:

(1)闪蒸法地热发电

  将地热井口来的地热水,先送到闪蒸器中进行降压闪蒸(或称扩容)使其产生部分蒸汽,再引入到常规汽轮机做功发电。汽轮机排出的蒸汽在混合式蒸汽器内冷凝成水。送往冷却塔,分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下,或引入作为第二级低压闪蒸分离器中,分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一膨胀阀做功。用这种方法产生蒸汽来发电就叫做闪蒸法地热发电。

 闪蒸法地热发电原理图
图3闪蒸法地热发电原理图

  采用闪蒸法的地热电站,热水温度低于100℃时,全热力系统处于负压状态。这种电站,设备简单,易于制造,可以采用混合式热交换器。缺点是,设备尺寸大,容易腐蚀结垢,热效率低。由于系直接以地下热水蒸汽为工质,因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。

(2)中间介质法地热发电

  通过热交换器利用地下热水来加热某种沸点的工质,使之变为蒸汽,然后以此蒸汽去推动汽轮机,并带动发电机发电。因此,在此种发电系统中,采用两种流体:一种是采用地热流体作为热源,它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下;另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质(如氟利昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷等),这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化,产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组。做完功后的蒸汽,由汽轮机排出并在冷凝器冷凝成液体,然后经循环泵打回蒸汽发生器在循环工作。

 中间介质法地热发电原理图
图4中间介质法地热发电原理图

  这种发电方法的优点是,利用低温位热能的热效率高,设备紧凑,汽轮机的尺寸小,易于适应化学成分比较复杂的地下热水。缺点是,不像扩容法那样可以方便的使用混合式蒸发器和冷凝器;大部分低沸点工质传热性都比水差,采用此方式需有相当大的金属换热面积;低沸点工质价格较高,来源欠广,有些低沸点工质还有易燃、易爆、有毒、不稳定、对金属有腐蚀等特性。

(3)联合循环发电

  联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一,这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于150℃的高温地热流体发电,经过一次发电后的流体,在不低于120℃的工况下,在进入双工质发电系统,进行二次做功,重复利用了地热流体的热能,既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用,大大节约了资源。

 联合循环法发电原理图
图5联合循环法发电原理图

  该系统从生产井到发电,再到最后回灌到热储,整个过程都是在全封闭系统中运行的,因此即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电,不存在对环境的污染。同时,由于是全封闭的系统,在地热电站也没有刺鼻的硫化氢味道,因而是100%的环保型地热系统。这种地热发电系统进行100%的地热水回灌,从而延长了地热田的使用寿命。

(4)利用地下热岩石发电

(1)热干岩发电

  与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比,热干岩过程法不受地理限值,可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压入地下4到6KM深处,在此处岩石层的温度大约在200℃左右。水在高温岩石层被加热后通过管道加压被取到地面并输入各热交换器中。热交换器推动汽轮机将热能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水剂冷却后再重新输入地下供循环水使用。这种地热发电机成本与其它再生能源的发电成本相比是有竞争力的,而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染,所以它是未来的新能源。


 热干岩发电应用原理图
图6热干岩发电应用原理图

(2)岩浆发电

  在现在的地热发电中,地热储层中的热源是地下深部的熔融岩浆。所谓沿江发电就是把井钻至岩浆,直接获取那里的热量。这一方式在技术上是否可行,是否能把井钻至高温岩浆,人们一直在研究中。到目前为止,夏威夷进行了钻井研究,想用喷水式钻头把井钻到岩浆温度为1020~1170℃的岩浆中,并深入岩浆29m,可就是此也只是浅地表的个别情况,如果真正钻到地下几千米才钻到岩浆,采用现有的技术是很难实现的。另外,从岩浆中提取热量,只是进行了理论研究。

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地热发电技术难题

  目前主要有三个重大技术难题阻碍地热发电的发展,即地热田的回灌、腐蚀和结垢。

(01)回灌

  地热水中含有大量的有毒物质,会对环境产生恶劣的影响。地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源,通过地热回灌井重新注回热储层段的方法。回灌不仅可以很好地解决地热废水问题,还可以改善或回恢复热储的产热能力,保持热储的流体压力,维持地热田的开采条件。但回灌技术要求复杂,且成本高,至今未能大范围推广使用,如果不能有效解决回灌问题,将会影响地热电站的立项和发展。因此,地热回灌是亟待解决的关键问题。

(02)腐蚀

  地热流体中含有很多化学物质,其中主要的腐蚀介质有溶解氧、H+、CI-、H2S、等,再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响,地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响,直接影响设备的使用寿命。地热电站腐蚀严重的部位多集中在负压系统,其次是汽封片、冷油器、阀门等。腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。

(03)结垢

  由于地热水资源中矿物质含量比较高,在抽到地面做功的过程中,温度和压力会发生很大的变化,进而影响到各种矿物质的溶解度,结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。如在井管内结垢,会影响到地热流体的采量,加大管道内的流动阻力进而增加能耗;如换热表面结垢,则会增加传热阻力;垢层不完整处还会造成垢下腐蚀。

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地热发电对环境的影响
  1、空气污染。在开采地热能的过程中,所含有的各种气体和悬浮物将排入大气中,对环境造成影响。
  2、化学污染。地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环,与周围岩石进行化学物质交换,岩石中各种化学组分进入水体,使地热水中含有对环境有益和有害的常量成分撒量成分及放射性成分。
  3、尾水。目前我国的地热资源大多以单一利用为主,当热能利用后,尾水温度仍很高。这些尾水的排放,促使局部空气和水体温度升高,改变生态平衡,影响环境和生物生长,造成热污染。
  4、噪声污染。噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。在钻探过程中,各种机械噪声对居民去和钻工的身体造成影响。另外地热井放喷时其噪声值可达120dB以上,虽然时间很短,但其尖声也是人耳受到伤害,使野生动物和家禽受到影响。
  5、地面沉降。几乎任何热储中长期抽出流体都有可能导致可以检测到的地面沉降。地热流体也一样,当地热流体抽出量超过天然补给量时,地面沉降发生,其实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的硬度。

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