[科普中国]-地热干蒸汽发电

简介地热能是来自地球深处的可再生能源。它来自于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水在深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近地表层，有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和热水到达地面。自史前起，地热就已被用于洗浴和蒸煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入水池、房间、温室和发电站。

地热发电是以地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理， 首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热发电系统主要有3 种：干蒸汽发电系统、扩容蒸汽发电系统和双循环式（中间介质法）发电系统。

由于受自身地质条件的限制，目前地热发电技术的应用不是很广泛，在各国的电力系统中所占比例不高。例如，美国一直积极应用地热发电，但截至2000 年地热装机容量仅占全国总装机容量的0.25%，地热发电量大约占全国能源供应量的0.4%。我国20 世纪70 年代，曾先后在江西宜春、广西象州、山东招远、辽宁熊岳、河北怀来等地建立了地热发电试验电站， 由于温度偏低，经济效益不佳，均已停用。目前还在运行的只有西藏羊八井、朗久，广东丰顺，湖南灰汤4座高温地热电站，实际发电装机容量为25.78 MW。由于地热资源埋藏较深，地质条件复杂和地域分布存在局域性，而且没有采取合适的地热发电模式，存在开发利用不合理的现象，因此还不能发挥其技术优势1。

国内外技术现状进入21世纪，能源已成为制约世界经济和社会可持续发展的瓶颈。地热资源作为可再生的绿色清洁能源具有巨大的开发潜力，是21世纪最受人关注的新能源之一。

1904 年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站（功率为550W），开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到50多万kW。日本自1966年松川（Matsukawa）地热电站开始运行，到1996年全国地热发电容量已超过52万kW。截至2005年，全世界地热发电总装机容量为8900MW，利用地热发电所生产的电力达56800GWh。

目前，应用最多的地热发电方式为干蒸汽发电系统，这类热田发电单机组容量为35～120MW，印度尼西亚、意大利、日本以及美国均建有此类电站， 这些电站的总发电量占地热能总发电量的一半。我国西藏羊八井地热电站主要采用这种形式。

世界上大多数地热田属液态热储，湿蒸汽地热发电站或扩容蒸汽地热电站应用液态地热系统中的热液流体发电，日本、新西兰、美国、意大利、菲律宾、墨西哥等国家应用得较好。双循环式发电也应用液态地热系统发电，但由于热储温度较低，不能通过压力变化扩容成蒸汽，只能通过低沸点的中间介质来发电，一般单机组装机容量小于3 MW。双循环发电在菲律宾、墨西哥是较常见的。

地热干蒸汽发电技术特点干蒸汽就是从地下喷出的无热水的纯蒸汽。干蒸汽电站直接将蒸汽从井中传输到发电机组进行发电。干蒸汽从蒸汽井中引出，经过分离器分离出固体杂质（≥10 μm）后，就进入汽轮机做功，驱动发电机发电。干蒸汽电站所用发电设备基本上与常规火电设备相同。

干蒸汽发电系统的工艺简单，技术成熟，安全可靠，是地热发电的主要形式。干蒸汽发电对蒸汽质量的要求较高，在引入发电机组前要把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。

地热田温度与热效率对比干蒸汽发电系统，应用最广，较为简单，比扩容蒸汽发电系统和双循环式发电系统发电量大，适用于高温（>160 ℃）地热田的发电，热效率为10%～15%，厂内用电率为12%左右。

扩容蒸汽发电系统，适用于压力、温度较高的地热资源， 要求地热井输出的汽水混合物的温度较高，适用于中温（90～160 ℃）地热田发电，二次扩容地热发电的热利用率可达6%左右。由于扩容蒸汽发电需要经过单级或多级扩容减压，当热水温度低于100 ℃时，全热力系统处于负压状态，因此尾水温度高，地热能利用率较低。例如，已经停运的江西宜春等电站的热效率仅为1.5%～4%，而还在运行的羊八井地热一号单级扩容试验机组，热效率约为3.5%，厂内用电率为16%。

基于电厂日常运营数据， 并运用火用分析，YCerci 对土耳其代尼兹利的一个11.4 MW 闪蒸地热发电厂的绩效和主要部件进行了评价，认为最大的火用损耗发生在卤水分离工艺环节，相当于总能量投入的46.9%。经计算，电站的第二定律效率为20.8%。土耳其代尼兹利闪蒸地热电站的第一和第二定律热效率分别为4.556%和19.97%，其电厂总功率为10.374kW。

双循环式发电系统，尤其是井下换热双循环式发电系统的地热能利用率高，适用于中低温（50～100 ℃）地热田发电，那些不宜采用闪蒸式发电的地热水，可以采用此方式发电。从经济性考虑，一般温度在90℃以下的地热水不宜用来发电，可用于直接供热2。

开采难度对比由于干蒸汽发电所需的蒸汽温度较高，所以地热埋藏深度较深，且干蒸汽地热资源十分有限，开采技术难度较大，开采中所用钻进泥浆需要能耐高温和高压，钻进成井较困难。扩容蒸汽发电及双循环发电方式，能利用埋藏深度较浅的中低温地热，开采难度相对较小。

环境污染对比干蒸汽发电应用的是纯蒸汽，没有地下固体杂质排出，因此几乎没有环境污染问题。扩容蒸汽发电系统需要排放尾水，因此存在一定的环境污染，如果不进行地热水回灌，会导致地热田的枯竭和产生地面塌陷及沉降问题。

双循环式发电系统存在中间介质（如丁烷、氟利昂等）少量泄漏问题，一旦泄漏将对环境和人体造成危害。井下换热双循环式发电系统不抽取地热水，无排水污染环境的问题，无过量开采和造成地面沉降之忧。

设备及其腐蚀性对比干蒸汽发电设备最为简单。扩容蒸汽发电设备比较简单， 易于制造， 可以采用混合式热交换器，其缺点是设备尺寸大，容易腐蚀结垢（羊八井地热电站某发电机组经过累计近两年的通水试验表明， 管道内壁有厚度为0.8 mm 的黑色氧化皮垢）。由于该系统直接以地下热水、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。

采用井内换热的双循环式发电系统不抽出地热水，可减轻地热水的腐蚀问题。为防止中间介质的泄漏，对设备的密封性要求较高。

总结干蒸汽发电热效率较高，环境污染轻，但要求地热田的温度较高，开采难度较大，目前利用较少。相对而言，扩容蒸汽发电和双循环式发电对地热田温度要求不高，开采难度较小， 但热效率较低，如果用这两项技术联合起来发电，能适当提高其热效率。

从长远来看，联合发电技术、干热岩发电技术、地下可燃气利用技术和地热发电余热利用技术等，具有较好的应用前景3。