地热能发电的工程技术发展现状

  摘 要:概述了地热能及其发电方式和国内外地热能发电的现状,分析了地热能发电的关键技术,讨论了我国地热能发电的工程技术发展方向,提出目前我国地热能发电工程技术的重点是地热发电设备的设计制造技术和成套设备的优化集成.

 

  关键词:地热能发电;地热发电设备;设计制造技术;优化集成。

 

  地热能是绿色能源,也是可再生能源.世界上已有24个国家利用地热能发电,其中有5个国家的地热发电量占国家总发电量的15%~22%.从BP公司(世界最大的能源公司之一)的统计数字显示,截止2008年底,全球地热发电总装机容量已达到10 469 MW.

 

  人类从事地热发电的历史已超过百年,曾对各种类型的地热资源进行过开发利用.地热能是一种环境友好型能源,与化石燃料能源相比,在开发利用过程中几乎没有废气排放,且废水排入地下.在已知的新能源中,地热能发电不受季节影响,因此它是稳定、可靠的能源,可用于带基本负荷运行的电站.有数据显示,地热发电的负荷率高达90%,而太阳能发电和风力发电分别只有20%和25%(BP能源公司2009年世界能源统计).

 

  西藏是我国地热能发电开发规模最大的地区,其中羊八井地热电站已运行了30多年,积累了大量宝贵经验.国内外地热能发电的经验证明:地热发电是清洁的、无燃料成本的低碳能源工业,在经济性上具有竞争力.

 

  随着国际能源战略的重大调整,绿色能源革命和低碳经济席卷全球,燃煤发电将长期面临减排的压力,因而促使开发、利用新能源发电的商业项目日益增多.各国政府、国际组织和各主要投资实体均在这一方面提供优惠政策并投入大量资金,很多国外公司也频频介绍地热能发电项目,特别是在缺乏技术而市场广阔的发展中国家进行开发投资.因此,对于地热能发电有着很大潜力的中国企业,应广泛开展从地热能发电的概念到发电全过程的技术研究.

 

  1 地热能发电概述。

 

  1.1 地热能概述。

 

  地热能是指地球内部蕴藏的能量,一般集中分布在构造板块边缘一带,起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变.据估计,距地壳深度3 km以内蕴藏的热量约为4.3@1019MJ.全球地热资源估计为6@106MW,其中32%的地热温度高于130e,而68%的地热温度低于130e[2].通常,地热资源可以按温度来划分,地热温度高于150e为高温,地热温度低于90e为低温,而地热温度处于90~150e为中温.

 

  1.2 地热能发电方式。

 

  目前,绝大多数的地热发电项目是通过钻井抽取地下的地热流体作为高温热源进行发电,经过发电后的地热流体再灌回地下.一般,从井口流出的地热流体存在3种状态:干蒸汽、以蒸汽为主或者以水为主的汽水混合物以及热水.根据地热流体的性质,有4种热力系统可供选择:干蒸汽热力系统(图1(a))、一次闪蒸蒸汽热力系统(图1(b))、二次闪蒸蒸汽热力系统(图1(c))和双工质热力系统(图1(d)).

 

  (a)干蒸汽热力系统(b)一次闪蒸蒸汽热力系统(c)二次闪蒸蒸汽热力系统(d)双工质热力系统图1 地热能发电的主要热力系统Fig.1 Principal thermal system of geothermal power generation2 世界地热能发电现状目前,能够较大规模进行地热能发电的国家,主要都是利用与火山有关的地热资源.除了美国、意大利以及新西兰等发达国家一直以开发地热能进行发电外,许多拥有丰富高温地热资源的发展中国家也非常重视地热能发电.

 

  2.1 国外地热能发电现状[3]

 

  美国是世界上地热发电规模最大的国家,总装机容量达到2 687 MW.美国最大的地热电站是Geysers电站,利用干蒸汽发电,现有装机容量1 421 MW.2008年8月,美国地热协会声称美国地热发电将新增装机容量4 000 MW.

 

  意大利早在1904年就利用干地热蒸汽进行了发电试验,是世界上最早进行地热发电的国家,目前总装机容量已达810 MW.2007年,意大利政府批准新增100 MW地热发电机组.

 

  新西兰是最早利用中、低温地热资源进行发电的国家,目前总装机容量为472 MW.Wairakei地热电厂运行已超过50年,运行地热机组容量已达147 MW.

 

  菲律宾拥有丰富的地热资源,目前的总装机容量为1 971 MW,计划在2010~2014年间新增装机容量800 MW.

 

  印度尼西亚地热资源极其丰富,地热能发电潜力居世界第一.目前,印度尼西亚地热发电总装机容量达到992 MW.在签署了京都议定书后,印度尼西亚政府计划在2009~2018年新建总装机容量为6 867 MW的地热发电机组,以此来缓解国内严重的缺电问题.

 

  #1161# 第12期周支柱:地热能发电的工程技术墨西哥地热发电潜力为8 000 MW,仅次于印度尼西亚.目前,墨西哥地热发电总装机容量为953MW.地热开发商CFE的计划显示,墨西哥地热发电新增机组容量为300 MW.

 

  肯尼亚地热发电潜力约为2 000 MW.2007年,肯尼亚地热发电总装机容量为129 MW.

 

  土耳其2007年的地热电站总装机容量为38MW.在2009年,土耳其国内1座容量为45 MW的地热电站刚投入运行.

 

  2.2 中国地热能发电现状由于中国地热资源大多以低温为主,仅在西藏、云南和台湾存在中、高温地热资源.上世纪70年代,为解决西藏缺电问题,国家投资开发浅层中、低温地热资源,相继建成羊八井、郎久和那曲3座地热电站,总装机容量为28.18 MW.西藏羊八井地热电站建有7台3 MW二级扩容循环机组,1台3.18 MW进口机组和1台1 MW单级扩容循环机组[4].郎久地热电站和那曲地热电站已关闭.随着国家在西藏地热资源方面的投资减少,目前尚未有新的地热电站兴建.在上世纪90年代,开展了回灌工程,有效地稳定了地热发电量.羊八井地热电站为当地经济发展做出了巨大贡献.在2008年,西藏羊八井地热电站利用1口高温地热井进行了增容发电.

 

  我国台湾省建有2座地热试验电站,目前也已关闭.云南腾冲的热海地热田温度高达260e以上,但至今尚未开发利用.

 

  3 地热能发电的关键技术3.1 地热田开发3.1.1 热储工程技术地热电站规模大小主要与地热田的发电潜力有关.在开发阶段,既要保证有足够的地热流体使机组启动满发,又要避免过度开采造成机组出力不足,因此需要对地热田进行深入研究.可以通过一些指标来评估地热田的实际情况,比如地热流体的成分、井底压力和温度、井口压力和温度以及渗透性等,但对地热田内部变化和未来预测,则需要通过热储工程技术建立热储模型来进行分析.

 

  首先根据地热储存条件、地热热源分析、热传递机理和地热流体运移等方面建立数学概念模型;然后根据地质勘探和测量、试验井的测量和物探结果来修正概念模型,获得热储系统模型,并根据此模型预测深部热储温度场、压力场和化学场在地热开发条件下的变化趋势,评估地热田潜力,确定生产井和回灌井的数量和位置以及回灌对热田的影响.生产井和回灌井建成后,要根据试验数据进一步修正热储模型,建立地热田管理模型,并以此作为今后扩建和优化开发的基础.

 

  3.1.2 地热井技术目前,地热井钻探是勘探和开发地热资源的唯一手段,但在地热能发电工程项目中,地热生产井的钻井平均成功率仅为70%~80%.钻井成功率不高的原因与地质勘探以及地热井工程技术有关.地热井工程技术主要包括钻井和成井2部分.

 

  钻井是地热开发的基础,它涉及到确定钻孔结构、选择钻进参数、设计钻柱级配方式、选择钻头类型、配置钻井液以及事故预防和处理等技术.钻井工程中的每个技术环节均会对钻井质量、钻井效率和成本产生重大影响.

 

  成井是地热开发的关键,它决定着地热开发的质量.成井技术包括地球物理测井、通井、井管的选择和安装、冲孔换浆、填砾、固井以及洗井等内容.成井技术需要根据现场的地质条件、井深、钻井结构和井管结构等进行工艺选择,是1套地热开发的综合技术[5].

 

  3.2 地热能发电3.2.1 地热流体采集系统的设计通常有多口生产井,因此需要把各生产井连接起来,然后把分离后的蒸汽输送到汽轮机.在生产井与汽轮发电机组之间的这个庞大部分被称为地热流体采集系统,主要涉及到井口装置选型、管网设计、汽水分离器设计、消声器设计以及自动疏水器配置等内容.

 

  一般,地热井和地热电站都相距较远,从生产井流出的地热流体大多是低参数两相流,生产井的井口参数可能会有较大差异,这些均是地热流体采集系统设计所需要考虑的重要因素.

 

  3.2.2 地热电站的选型技术前面已经提到,世界地热电站主要有4种类型.

 

  据统计,世界地热电站总装机容量的90%都是蒸汽系统,其余10%基本上是双工质系统(表1[6]).

 

  选择地热电站的类型非常重要,它会影响地热流体采集系统的设计、汽轮机进汽参数的选择、地热设备的选型、回灌系统设计以及辅助系统设计等.地热电站的设计基准数据包括井口温度和压力、井口流量、蒸汽和热水质量比、生产井特性曲线、不凝结气体含量和化学分析等.除了选择单独的热力系统之外,也可以考虑联合循环系统,即在高温循环时采用一次闪蒸蒸汽热力系统,而在低温循环时则采用双工质热力系统.

 

  #1162#     动 力 工 程    第29卷 表1 世界地热电站的类型分布Tab.1 Distribution of geothermal power stationtype in the world电站类型装机容量/MW百分比/%干蒸汽2 545 28一次闪蒸3 295 37二次闪蒸2 293 26双工质(含联合循环) 682 8其他119 1地热电站选型建立在地热田具体情况的基础之上,根据设计基准数据和通过设计地热流体采集系统,计算出汽轮机进口压力和功率,在最大功率附近确定汽轮机进汽压力的范围.在这个压力范围内,选择不同的进汽参数进行方案设计,包括优化设计地热流体采集系统、初步设计地热电站热力系统和回灌系统以及选择相应的设备等内容,然后对其进行技术经济性比较,最后得到最优方案.

 

  3.2.3 地热发电设备的设计制造技术前3种蒸汽热力系统涉及汽轮机、井口阀门、汽水分离器、闪蒸器、凝汽器、抽汽器、冷却塔和泵等设备;双工质系统包括有机气体透平、井口阀门、热交换器、空冷凝汽器和泵等设备.所有设备的功能与常规电站设备几乎相同,但地热流体都含有腐蚀性和易结垢的化学成分,因此在设计制造地热发电设备时必须考虑到这一特点,以保证地热电站设备的可靠性.表2给出了地热发电设备的腐蚀与结垢特性.

 

  表2 地热发电设备的腐蚀与结垢Tab.2 Corrosion and fouling in geothermal powergeneration equipment干蒸汽一次闪蒸二次闪蒸双工质汽轮机腐蚀,结垢腐蚀,结垢腐蚀,结垢井口阀门结垢,腐蚀结垢,腐蚀结垢,腐蚀结垢,腐蚀汽水分离器结垢,腐蚀结垢,腐蚀结垢,腐蚀)闪蒸器)结垢,腐蚀结垢,腐蚀)凝汽器腐蚀腐蚀腐蚀抽汽器腐蚀腐蚀腐蚀)冷却塔腐蚀腐蚀腐蚀)循环泵结垢,腐蚀结垢,腐蚀结垢,腐蚀换热器) ) )结垢,腐蚀3.2.4 回灌系统的设计技术从地下带出来的化学成分大部分存在于分离后的热水中,因此地热水在开发利用后一定要回灌地下.回灌也是国际公认的维持地热田发电能力的最有效手段.在设计回灌系统时,除了在热储中要考虑井的位置、回灌水流向等以外,还需要重视管道内可能的热水汽化和回灌水温度控制等问题,以避免造成管道破裂和严重结垢.

 

  4 我国地热能发电技术的发展方向一个典型的地热电站项目的成本为:勘探占5%,评估占1%,许可证占1%,地热井占23%,地热流体采集系统占7%,电站占57%,输配电占4%.其中,电站和地热井部分的成本占到了总成本的80%,所以这2方面的工程技术是发展的重点.

 

  我国是世界上利用地热采暖的大国,多年来在热储工程和地热井方面取得了长足发展.我国各地几乎都有地热井,地热井的最大深度已达到4 000 m.

 

  但是,多年来我国地热能发电却基本上处于停滞状态.虽然羊八井地热电站在地热流体采集系统设计、闪蒸蒸汽热力系统设计、回灌系统设计、电站运行和管理等方面积累了一定经验,但羊八井地热电站设备的设计制造技术严重老化,一些重要设备如汽水分离器和过滤器等还没有投入应用,非常缺乏先进的地热发电设备设计制造技术和成套设备的集成技术.相比较而言,地热发电设备设计制造和集成技术的发展远远落后于地热能发电的其他技术.

 

  因此,近期地热能发电优先发展的方向应是提高地热发电设备设计制造技术水平和集成技术水平.

 

  我国完全具备尽快发展地热发电设备设计制造技术和集成技术的条件和基础.地热电站发电设备与常规电站发电设备基本类似,比如地热汽轮机与火电机组低压缸的湿蒸汽部分相似.但必须清醒地认识到:应当牢牢抓住地热能发电技术的特点,如腐蚀、结垢等方面进行深入的研究,才能开发出适用于地热能发电的高性能设备.对于双工质系统的发电设备,则需要有更多的投入.

 

  5 结 论发展中国家有着丰富的地热资源和广阔的市场.但作为发展中国家的中国,根据目前地热能发电的工程技术现状,中国企业走出去开发相关项目的主要风险集中在地热发电设备的设计制造和集成技术.中国企业应计划在2~3年的时间里进行技术创新,大力研究地热发电的工程技术,重点放在深入研究适合地热发电的成套设备的设计制造技术和集成技术.

 

  积极发展地热能发电的工程技术有利于电站工程项目的多元化,有助于带动我国绿色能源的工程(4 结 论。

 

  (1) 10个含有缺陷的不锈钢节流孔板均通过了ASME第?卷标准5核电厂部件在役检查规则6、标准GB/T 19624)20045在用含缺陷压力容器安全评定6、标准BS 7910)19995金属结构中缺陷验收评定方法导则6的安全评定.

 

  (2)秦山第三核电有限公司的应急堆芯冷却系统及停堆冷却系统中的不锈钢节流孔板在40年的设计寿命期内是安全的.

 

  (3) 3个标准的评定结果基本一致,但3个标准在缺陷规则化、评定工况和应力的确定方法、缺陷疲劳扩展方程性能系数、缺陷应力强度因子的计算公式以及缺陷安全性评定方式等方面均有所差异.