浅议地热资源发电技术特点及发展方向

摘要：地热资源是一种清洁无污染、可再生的新型能源，对于发展低碳经济、实现可持续发展具有积极的作用。本文作者结合多年来的工作经验，对地热资源发电技术特点及发展方向进行了分析，具有一定的参考意义。

关键词：地热资源发电特点发展方向

中图分类号：TV734.2 文献标识码：A文章编号：

1前言

地热能是封闭在地壳中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。地热发电技术经过近百年的发展，种类多种多样，主要包括干蒸汽发电、扩容式蒸汽发电、双工质循环发电和卡琳娜循环发电等。本文针对上述地热发电技术，从热源匹配、发电效率、腐蚀结垢、技术经济等方面进行分析比较，同时介绍了地热发电技术的发展方向。

2地热发电技术及特点

2.1干蒸汽发电技术

干蒸汽就是从地下喷出的具有一定过热度的蒸汽。干蒸汽发电技术就是将干蒸汽从井引出，除去固体杂质后直接传输到汽轮发电机组进行发电，其发电系统如图1所示。

图1干蒸汽发电技术示意图

干蒸汽发电技术的循环效率可以达到20%以上，是一种性能良好的地热发电技术，所使用的发电设备与常规火电设备基本相同。但是干蒸汽发电技术对地热资源参数要求较高，地热温度必须达到250℃以上，同时要保证有足够的地压，使得地下的蒸汽可以顺利地喷出，因此该技术适用于高温地热田。我国羊八井电站的2号机组就是采用干蒸汽发电技术，进汽压力0.56MPa，进汽温度160℃，机组功率3MW。干蒸汽发电系统工艺简单，技术成熟，安全可靠，是高温地热田发电的主要形式。

2.2扩容式发电技术

在目前探明的地热资源中，以中高温(130℃

在扩容式发电技术中，井下带有一定压力的汽水混合物或热水被引至地面后，首先进入一级扩容器，地热水中携带的蒸汽及少部分由第一级减压产生的蒸汽直接进入汽轮机做功，其余的地热水进入二级扩容器。在二级扩容器中，由于减压作用，扩容器内的压力小于此时地热水温度所对应的饱和力，部分地热水将汽化形成蒸汽，再引入汽轮机做功。这种利用减压方法产生蒸汽来发电的技术称为扩容式蒸汽发电技术，它包括一级扩容和二级扩容(见图2)两种方式。

扩容式发电技术采用汽水混合物或地热水进行发电，循环效率略低于干蒸汽发电技术，一级扩容系统循环效率约为12%～15%，二级扩容系统约15%～20%。

2.3双工质循环发电技术

中低温(t

双工质循环发电方式的特点是地热水与发电系统不直接接触，而是将地热水的热量传递给某种低沸点介质(如丁烷、氟利昂等)，这些工质蒸发后形成具有一定压力的蒸气，由低沸点介质推动汽轮机来发电。这种发电方式由地热水系统和低沸点工质系统组成，故称为双工质循环发电技术，发电系统如图3所示。

双工质循环发电技术的循环方式依然是朗肯循环，与蒸汽朗肯循环的区别在于它采用低沸点工质作为热能载体，可以充分利用地热水的热能进行发电，使得地热资源得到充分利用。整个系统的循环效率较扩容式蒸汽发电技术提高20%～30%。但地热水系统和低沸点工质系统并行的方式增加了发电系统的复杂性，也增加了投资和运行成本。同时，低沸点工质多数属易燃易爆品，工质的储存和安全使用也是发电过程中需要重点关注的内容。

双工质循环发电技术的循环方式依然是朗肯循环，与蒸汽朗肯循环的区别在于它采用低沸点工质作为热能载体，可以充分利用地热水的热能进行发电，使得地热资源得到充分利用。整个系统的循环效率较扩容式蒸汽发电技术提高20%～30%。但地热水系统和低沸点工质系统并行的方式增加了发电系统的复杂性，也增加了投资和运行成本。同时，低沸点工质多数属易燃易爆品，工质的储存和安全使用也是发电过程中需要重点关注的内容。

2.4卡琳娜循环发电技术

卡琳娜循环是区别于常规朗肯循环的一种新的热力循环，采用氨和水的混合物作为工质，这种混合工质的沸点是变化的，随着氨与水比例的变化而变化。当热源参数发生变化时，只需要调整氨和水的比例即可达到最佳的循环效果。工质的升温曲线更接近于热源的降温曲线，尽可能地降低传热温差，减少传热过程中系统的熵增，提高循环效率。由于卡琳娜循环的这个显著的特点，使它在中低温地热发电领域得到了广泛的应用。目前的工业化应用表明，卡琳娜循环发电技术的循环效率比朗肯循环的效率高20%～50%。图4为卡琳娜循环发电系统示意图。

地热水在除去固体杂质后进入换热器，将热能传递给氨和水的混合物。氨和水的混合物吸热后蒸发汽化，汽液分离后，蒸汽被送入汽轮发电机膨胀做功，液体在与冷凝后的工质换热后自流至凝汽器。做功后的工质被送入冷凝器凝结，经循环泵送往换热器。在墨西哥Maguarichic油田，一套以油气井中温热的废水副产物为热源，容量为1MW的试验机组已于2009年投用。

3.地热发电的发展方向

3.1联合循环地热发电技术

单一的蒸汽朗肯循环发电技术循环效率较低，仅为20%以下；尾水排放温度较高，一般在100℃以上，地热能利用不够充分。双工质循环和卡琳娜循环发电技术系统较为复杂，涉及到两套工质系统，但循环效率高，尾水排放温度可以降至60℃以下。在未来的地热发电技术中，可以采用联合循环的方式。在地热水的高温阶段，采用扩容式蒸汽发电系统，利用地热能的高温部分；在地热水温度不能满足扩容发电方式运行条件时，采用双工质循环或卡琳娜循环技术，充分利用地热能的低温部分，最大限度地提高地热发电循环的效率。土耳其Kizildere地热电站在采用扩容系统的基础上，联合使用双工质循环技术进行试验机组的研究，最大功率达到18.238kW，循环效率达到38.58%，联合循环发电系统性能稳定。

3.2低温地热资源发电技术

在已探明的地热资源中，存在着大量的低温地热资源(温度一般在90℃左右)，目前主要的利用方式为温泉和部分供暖。卡琳娜循环在低温地热资源应用领域中有其独特的优越性，通过调整氨和水的比例，可以适应低温地热水的发电特性。卡琳娜循环已经成功应用于日本Sumitomo炼钢厂的冷却水余热发电，水温95℃，装机容量3.5MW。另外，在上海世博会工业馆中，建有一台卡琳娜循环发电试验机组，利用流量为1t/h、温度为98℃的热水，每小时可发电3kW。卡琳娜循环为低温地热资源发电开辟了一个新的天地。

3.3干热岩地热发电技术

干热岩是指埋藏于地面1km以下、温度大于200℃、内部不存在流体或仅有少量地下流体的岩体。干热岩地热发电技术就是开发利用干热岩来抽取地下热能，其原理是从地表由注入井往干热岩中注入温度较低的水，注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生高温高压超临界水或水蒸气混合物，然后从生产井提取高温蒸汽，用于地热发电。

3.4利用中深层地热资源发电

地壳内蕴含着大量的现代岩浆，这部分岩浆在向上运动过程中，与中深层地下水耦合形成优良的中深层地热资源，主要存在于距地面3~10km范围内，地热温度可达到200℃。与目前开发的浅层地热能相比，中深层地热能的储量要大很多。同时，中深层地热能与中深层地下水耦合，地热水来源丰富，回灌要求较低。中深层地下水矿化度较低，为地热资源的利用提供了便利条件。目前我国已在松辽盆地—长白山沿线勘探出大量的中深层地热资源。

4结语

①地热资源是一种清洁无污染、可再生的新型能源，对于发展低碳经济、实现可持续发展具有积极的作用。

②在目前的地热发电技术中，应用较为广泛的是扩容式蒸汽发电技术，其系统简单，地热参数要求低。在低温地热资源的开发利用过程中，双工质循环和卡琳娜循环技术具有广阔的发展前景。

③新型的联合循环发电技术是地热发电技术的发展方向。在浅层地热能得到大规模开发后，中深层地热资源和干热岩资源将成为地热发电技术新的资源。在地热发电技术下一步的发展过程中，应注重中深层地热资源和干热岩资源的开发。

参考文献：

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