地热发电geothermal power generation

地热能由载体通过转换系统变成电能的过程。1904年在意大利拉德瑞罗地热田建造了世界上第一套小型地热发电机组，60年代以来，由于煤炭、石油耗量剧增而资源储量有限，人们开始转向寻求新能源，地热发电也随之有较大发展。目前全世界地热电站总装机容量超过5600兆瓦，其中以美国、菲律宾、墨西哥、意大利、日本和新西兰等国所占比例较大。
地热电站有蒸汽型和热水型两大类型。❶蒸汽型地热电站系统简单，从地热井喷出的蒸汽只要经过固体杂质的分离，就可直接进入汽轮发电机组发电，乏汽经冷凝后排放或回灌地下。地热蒸汽电站运行维修方便，经济性高。但由于高温蒸汽地热资源少，使这类电站的发展受到限制。美国的盖塞尔斯、意大利的拉德瑞罗、日本的松川等地热电站属于这类。
❷热水型电站有两种基本系统，即内蒸系统和双循环系统。内蒸系统（或称扩容法）的原理是将地热水引入一个体积庞大的扩容器，容器内保持较低的压力。当地热水进入扩容器后，由于扩容减压，使其饱和温度也相应降至热水温度以下，从而使部分热水变为低压低温蒸汽去推动汽轮发电机组发电，乏汽经冷凝后排放或回灌地下。扩容内蒸后剩余的热水从扩容器底部排出，可供其他利用。这类电站系统简单，工质为水，维修容易；但设备庞大，效率较低。目前世界上的地热水电站绝大多数采用这种系统，新西兰的怀拉基(Wairakei)地热电站、中国西藏羊八井地热电站均属此类。双循环系统（或称中间介质法）的原理是将热水引入蒸发器，加热容器内的低沸点工质(如氟里昂、异丁烷等)，使之变成蒸汽，然后通入低沸点工质汽轮机作功发电，排汽在冷凝器中被冷却水冷凝成液体后，用工质泵重新打回蒸发器再次加热，循环使用。这种电站设备紧凑效率高，可以利用温度较低的热水；但系统较复杂，密封性要求高，工质昂贵，运行维修也相当复杂。目前美国已有万千瓦级的这类试验电站在运行，但更多的还是小型试验机组，功率从几百到几千千瓦不等。
尚处在研究阶段的地热发电方法还有全流系统和干热岩发电系统（见图）。全流系统是将汽水混合物不经扩容器而直接送入螺旋转子膨胀机，水和汽在膨胀机内边膨胀边作功，排出时全部变为蒸汽，然后经冷凝排放。这种方法虽有其独特的优点，但效率很低，能否进入商业应用，目前尚有争论。干热岩发电的原理是将地下深处温度很高的干热岩用水力破碎法破碎，形成宽和深可达几公里的破碎区，然后从地面钻两个深浅不一的孔，分别达到破碎区的底部和顶部。将地面的河水从深孔灌入底部，流经破碎带吸收干热岩的热量后变成热水或蒸汽，然后从另一浅孔返回地面用前述方法发电，发电后的排水再灌入地下吸热，形成一个封闭循环。目前美国的新墨西哥州已建成一座这样的试验电站。

干热岩发电系统图

地热电站的发电效率ηDR（总效率）是一系列效率数值的乘积：

η DR=η_t·η_0i·η_j·η_dj

式中 η_t为理论热效率，即η_t＝ (T₁-T₂)/T₁(T₁为高温热源温度，T₂为排放到环境低温热源的温度);η_0i为汽轮机的相对内热效，取决于汽轮机的设计与制造水平；η_j为机械效率，考虑轴承、传动及带动某些附加机构的功率消耗；η_dj为发电机效率，考虑机械能转换为电能过程中的发电机损失。
理论热效率的高低取决于高温热源的温度T₁和低温热源的温度T₂。T₁愈高，T₂愈低，η_t就愈高。所以，地热电站的总效率与地热流体的温度直接有关。从目前的技术经济条件看，地热电站要具有商业竞争能力，其地热流体温度应超过200℃，至少也不低于180℃。研究工作正努力实现的低限目标为150℃。但对严重缺电又无其他能源的农村或边远地区，只要地热水温度超过90℃，一般都可以发电，只是经济性差。

地热发电

利用地热生产电力的技术。1904年，意大利拉德瑞罗干蒸气田首次进行小型发电试验。到20世纪70年代末，已有11个国家进行地热发电，装机容量为1499.9MW,1990年底已达19个国家，装机容量6026.9MW。中国地热发电始于1971年，到目前装机容量为32.11MW，其中以西藏羊八井发展最快，1993年装机容量为25.18MW，发电量49446.6万kW·h，为拉萨供电量的41.1%(冬季供电占电网的60%)。地热发电的地热流体有4类：湿蒸气（以蒸气为主）、低过热蒸气或饱和蒸气（以蒸气为主）、压力高于给定温度下的饱和压力流体（以热水为主）、低质量的热水一蒸气混合物（以热水为主）。地热发电每1kW·h成本0.12～0.24元(以1990年不变价计)。据目前世界地热电站与其他能源的电站统计，每1000kW·h电的CO₂排放量为：地热电，0.3lb；天然气电，282lb；油电，418lb；煤电，497lb。

地热发电

利用地下蒸汽或热水等地球内部的热能资源来驱动汽轮发电机发电。

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地热发电

利用地下热能通过机械能的中间转换产生电能。把地下热能带到地面并用于发电的载热介质主要是地热蒸汽和地下热水。利用地下高温岩层蕴藏的热能发电尚在试验阶段。发电方式根据介质的温度、压力和品质，有背压式汽轮机循环、凝汽式汽轮机循环、减压扩容蒸汽循环、低沸点工质循环4种。

地热发电

利用地下蒸汽或热水等地球内部的热能资源来发电。地下蒸汽可直接引入汽轮发电机组发电。地下热水可用减压扩容的方法，使部分热水汽化，产生蒸汽以驱动汽轮发电机发电，或利用地下热水的热量来加热低沸点的有机化合物液体(如氯乙烷、异丁烷等)，使其沸腾汽化，将气体引入汽轮发电机组发电。

地热发电

参见 《知识经济卷》 中 “地热发电”。

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地热发电

温泉是大自然的恩赐，我国有温泉2000个以上，尤以古都西安以东的临潼温泉最为有名。不少温泉可以入浴，有健身医病之说。
火山也是一种自然景观，日本、菲律宾、印尼都是著名的火山国。仅印尼便有火山中心177个之多。据说，自古以来农民就喜欢住在火山附近，因为那里，火山凝灰岩可作天然肥料。
现在，随着新技术不断涌现，人们进一步把这两种自然景象与新能源越来越紧密地联系在一起。这是由于温泉和火山都是 “地热资源” 异常丰富的自然表露。
地热是个 “大火炉”，地球内部熔融的岩浆高达几千度，尽管地壳厚度达35公里，仍要从地球内部通过地表释放大量能量，平均每小时36.5卡/米2。由于地壳不均匀和不停地运动，在那些地壳浅或有岩层裂缝的地方便形成 “异常地热区”。据估算全世界异常地热贮藏的热能约为4×1020瓦，每年以火山爆发或地震形式释放的能仅占千分之一。可见 “地热能” 是一个古老而又贮量巨大的能源。
近10多年来人类在开发 “地热能”方面取得了显著成绩，1985年全世界的地热发电量已达590万千瓦左右。
地热发电从原理上来看与火力发电相同，都是利用热能通过机械能的中间转换产生电能的，所不同的是地热发电不需要燃烧煤炭的大锅炉，而是直接利用地热蒸汽或把地热转变成蒸汽来带动汽轮机旋转发电。因此，虽然建设投资较大，可一旦开始运行发电就根本不需要燃料而能长期作用下去。目前许多地热发电站在发电成本上与传统的火力发电相比已经具有竞争力。
现在的地热生产井主要是 “过热蒸汽型” 和 “热水型”。
蒸汽型地热发电需拥有高温优质地热蒸汽资源。这种地热发电是把地热蒸汽净化后直接输送去驱动汽轮机，带动发电机发电，目前世界上约有半数的地热电站属于此类。
意大利是开发地热资源最早的国家。1904年在扎德瑞罗建成世界第一个小型地热电站 (功率仅0.5千瓦) 就是蒸汽型的。到1984年底意大利共建成18座地热电站，有43台地热发电机组总装机容量达47.2万千瓦。所有机组都采用干蒸汽式循环。
目前世界上最大的地热电站，即美国加利福尼亚州旧金山以北约160公里处的盖瑟斯地热电站也是蒸汽型的。地热蒸汽温度最高达3000℃，平均2000℃左右。到1984年底该电站总装机容量已达140.2万千瓦。
热水型地热生产井喷出的主要是热水，蒸汽含量较低。一般地热水温为80—120℃，水与汽之比超过4。因此必须先进行汽、水分离才能获得蒸汽。为了提高地热资源的利用效率，还可将分离出的热水再导入低压蒸发器使其转换成二次蒸汽，也输送至汽轮机去发电。这样可使发电量增加约20%，叫做二次内蒸扩容法。虽然建设费用可能增加5%左右，但显然是合算的。
我国的地热资源大多属于中低温地热能，因此已建的7座试验电站都是热水型生产井。最早运行的是1970年建成的广东丰顺地热试验电站，地热水温度为90℃，机组容量86千瓦。
西藏羊人井地热电站是我国地热电站之冠，地热水温145℃，装机容量已达7000千瓦以上。我国在 “六·五” 计划期间曾把地热发电列为新能源重点项目之一，对开发地热资源十分重视，羊人井地热电站的建成为我国从地热田的勘探、钻井、建井到地热发电汽轮机的设计、制造、运行积累了丰富的实际经验。
为了充分利用低温地热水，还研究应用一种双工质循环，这种循环方式是把地热水送进蒸发器，利用低温热水把比水沸点低的有机介质 (氟里昂、异丁烷等) 加热蒸发，使有机介质变成蒸汽驱动汽轮机。我国江西宜春地热电站的地热水温只有66℃，便采用双工质循环，以氯化烷作工作介质，设计容量为50千瓦。
今后，除充分勘查利用表露的蒸汽型和热水型地热资源外，开发地热能正向地球深处进军。在距离地表4000米以下的地壳深处，是被熔融岩浆加热了的高温干燥热岩层。设法把干热岩层中蕴藏着的大量热能输出来进行发电的技术叫 “干热岩层型地热发电”。但是，干热岩层中没有天然的蒸汽或热水可供导热。现在正研究试验钻两口源井，在地底下互相连通。从一口井里灌进高压水去，利用干热岩层的高温把水变成蒸汽，再从另一口井中冒出来送去发电。自1981年2月以来，美国、前联邦德国、日本等国共同合作研究干热岩层地热发电技术，并在美国新墨西哥州的一个地热田进行大规模试验。1985年6月已经确认循环系统导通。还曾连续60小时把4900千克/厘米²的高压水共21000米³注入干热岩层中，造成人工热水贮留层，随后喷出了大量热水和蒸汽，下一步将进行连续采热试验。
自20世纪60年代起，特别是经历了70年代的两次石油冲击之后，各国对开发 “地热能” 产生了浓厚的兴趣 ，新建的地热电站迅速增加。其中美国在地热发电方面遥遥领先，1985年总装机容量达217.4万千瓦，占全世界地热发电总装机容量的1/3还要强。菲律宾于1976年制定了开发地热资源的10年计划，此后异军突起，发展极快。1983年已经超过意大利跃居世界第2位。1985年装机容量已达171.8万千瓦。此外，日本、印尼、新西兰、墨西哥等国也都在大力开发地热资源。预计到1990年，世界地热发电的总装机容量可望突破900万千瓦。

地热发电

geothermal electrogenerating