地熱發(fā)電

　　地熱發(fā)電是地熱利用的最重要方式。地熱發(fā)電和火力發(fā)電原理是一樣的，都是利用蒸汽的熱能在汽輪機中轉變?yōu)闄C械能，然后帶動發(fā)電機發(fā)電。要利用地下熱能，首先需要有“載熱體”把地下的熱能帶到地面上來。目前能夠被地熱電站利用的載熱體，主要是地下的天然蒸汽和熱水。按照載流體類型、溫度、壓力和其他特性的不同，可把地熱發(fā)電的方式劃分為地熱蒸汽、地下熱水、聯(lián)合循環(huán)和地下熱巖四種發(fā)電方式。

(1)蒸汽型地熱發(fā)電

　　蒸汽型地熱發(fā)電主要分為背壓式和凝汽式發(fā)電系統(tǒng)。

（1）背壓式汽輪機發(fā)電

　　把干蒸汽從蒸汽井中引出，先加以凈化，經過分離器分離出所含的固體雜質，然后使蒸汽推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，排汽放空（或送熱用戶）。這是最簡單的發(fā)電方式，大多用于地熱蒸汽中不凝結氣體含量很高的場合，或者綜合利用于工農業(yè)生產和生活用水。

 
圖1熱蒸汽背壓式發(fā)電原理圖

（2） 凝汽式汽輪機發(fā)電

　　蒸汽在汽輪機內部推動葉片膨脹做功，帶動汽輪機轉子高速旋轉并帶動發(fā)電機向外供電。做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器，冷卻后再排出，在該系統(tǒng)中，蒸汽在汽輪機中能膨脹到很低的壓力，所以能做出更多的功。這種系統(tǒng)適用于高溫160℃的地熱田的發(fā)電，系統(tǒng)簡單。

 
圖2熱蒸汽凝汽式發(fā)電原理圖

(2)熱水型地熱發(fā)電

　　熱水型地熱發(fā)電是地熱發(fā)電的主要方式，目前熱水型地熱電站有兩種循環(huán)系統(tǒng)：

（1）閃蒸法地熱發(fā)電

　　將地熱井口來的地熱水，先送到閃蒸器中進行降壓閃蒸（或稱擴容）使其產生部分蒸汽，再引入到常規(guī)汽輪機做功發(fā)電。汽輪機排出的蒸汽在混合式蒸汽器內冷凝成水。送往冷卻塔，分離器中剩下的含鹽水排入環(huán)境或打入地下，或引入作為第二級低壓閃蒸分離器中，分離出低壓蒸汽引入汽輪機的中部某一膨脹閥做功。用這種方法產生蒸汽來發(fā)電就叫做閃蒸法地熱發(fā)電。

 
圖3閃蒸法地熱發(fā)電原理圖

　　采用閃蒸法的地熱電站，熱水溫度低于100℃時，全熱力系統(tǒng)處于負壓狀態(tài)。這種電站，設備簡單，易于制造，可以采用混合式熱交換器。缺點是，設備尺寸大，容易腐蝕結垢，熱效率低。由于系直接以地下熱水蒸汽為工質，因而對于地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求。

（2）中間介質法地熱發(fā)電

　　通過熱交換器利用地下熱水來加熱某種沸點的工質，使之變?yōu)檎羝?，然后以此蒸汽去推動汽輪機，并帶動發(fā)電機發(fā)電。因此，在此種發(fā)電系統(tǒng)中，采用兩種流體：一種是采用地熱流體作為熱源，它在蒸汽發(fā)生器中被冷卻后排入環(huán)境或打入地下；另一種是采用低沸點工質流體作為一種工作介質（如氟利昂、異戊烷、異丁烷、正丁烷等），這種工質在蒸汽發(fā)生器內由于吸收了地熱水放出的熱量而汽化，產生的低沸點工質蒸汽送入汽輪機發(fā)電機組。做完功后的蒸汽，由汽輪機排出并在冷凝器冷凝成液體，然后經循環(huán)泵打回蒸汽發(fā)生器在循環(huán)工作。

 
圖4中間介質法地熱發(fā)電原理圖

　　這種發(fā)電方法的優(yōu)點是，利用低溫位熱能的熱效率高，設備緊湊，汽輪機的尺寸小，易于適應化學成分比較復雜的地下熱水。缺點是，不像擴容法那樣可以方便的使用混合式蒸發(fā)器和冷凝器；大部分低沸點工質傳熱性都比水差，采用此方式需有相當大的金屬換熱面積；低沸點工質價格較高，來源欠廣，有些低沸點工質還有易燃、易爆、有毒、不穩(wěn)定、對金屬有腐蝕等特性。

(3)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

　　聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)就是把蒸汽發(fā)電和地熱水發(fā)電兩種系統(tǒng)合二為一，這種地熱發(fā)電系統(tǒng)一個最大的優(yōu)點就是適用于大于150℃的高溫地熱流體發(fā)電，經過一次發(fā)電后的流體，在不低于120℃的工況下，在進入雙工質發(fā)電系統(tǒng)，進行二次做功，重復利用了地熱流體的熱能，既提高了發(fā)電效率又將以往經過一次發(fā)電后的排放尾水進行再利用，大大節(jié)約了資源。

 
圖5聯(lián)合循環(huán)法發(fā)電原理圖

　　該系統(tǒng)從生產井到發(fā)電，再到最后回灌到熱儲，整個過程都是在全封閉系統(tǒng)中運行的，因此即使是礦化程度很高的熱鹵水也可以用來發(fā)電，不存在對環(huán)境的污染。同時，由于是全封閉的系統(tǒng)，在地熱電站也沒有刺鼻的硫化氫味道，因而是100%的環(huán)保型地熱系統(tǒng)。這種地熱發(fā)電系統(tǒng)進行100%的地熱水回灌，從而延長了地熱田的使用壽命。

(4)利用地下熱巖石發(fā)電

（1）熱干巖發(fā)電

　　與那些只從火山活動頻繁地區(qū)的溫泉中提取熱能的方法相比，熱干巖過程法不受地理限值，可以在任何地方進行熱能開采。首先將水通過壓力泵壓入地下4到6KM深處，在此處巖石層的溫度大約在200℃左右。水在高溫巖石層被加熱后通過管道加壓被取到地面并輸入各熱交換器中。熱交換器推動汽輪機將熱能轉化成電能。而推動汽輪機工作的熱水劑冷卻后再重新輸入地下供循環(huán)水使用。這種地熱發(fā)電機成本與其它再生能源的發(fā)電成本相比是有競爭力的，而且這種方法在發(fā)電過程中不產生廢水、廢氣等污染，所以它是未來的新能源。

 
圖6熱干巖發(fā)電應用原理圖

（2）巖漿發(fā)電

　　在現(xiàn)在的地熱發(fā)電中，地熱儲層中的熱源是地下深部的熔融巖漿。所謂沿江發(fā)電就是把井鉆至巖漿，直接獲取那里的熱量。這一方式在技術上是否可行，是否能把井鉆至高溫巖漿，人們一直在研究中。到目前為止，夏威夷進行了鉆井研究，想用噴水式鉆頭把井鉆到巖漿溫度為1020~1170℃的巖漿中，并深入巖漿29m，可就是此也只是淺地表的個別情況，如果真正鉆到地下幾千米才鉆到巖漿，采用現(xiàn)有的技術是很難實現(xiàn)的。另外，從巖漿中提取熱量，只是進行了理論研究。

　　目前主要有三個重大技術難題阻礙地熱發(fā)電的發(fā)展，即地熱田的回灌、腐蝕和結垢。

(01)回灌

　　地熱水中含有大量的有毒物質，會對環(huán)境產生惡劣的影響。地熱回灌是把經過利用的地熱流體或其他水源，通過地熱回灌井重新注回熱儲層段的方法。回灌不僅可以很好地解決地熱廢水問題，還可以改善或回恢復熱儲的產熱能力，保持熱儲的流體壓力，維持地熱田的開采條件。但回灌技術要求復雜，且成本高，至今未能大范圍推廣使用，如果不能有效解決回灌問題，將會影響地熱電站的立項和發(fā)展。因此，地熱回灌是亟待解決的關鍵問題。

(02)腐蝕

　　地熱流體中含有很多化學物質，其中主要的腐蝕介質有溶解氧、H+、CI-、H2S、等，再加上流體的溫度、流速、壓力等因素的影響，地熱流體對各金屬表面都會產生不同程度的影響，直接影響設備的使用壽命。地熱電站腐蝕嚴重的部位多集中在負壓系統(tǒng)，其次是汽封片、冷油器、閥門等。腐蝕速度最快的是射水泵葉輪、軸套和密封圈。

(03)結垢

　　由于地熱水資源中礦物質含量比較高，在抽到地面做功的過程中，溫度和壓力會發(fā)生很大的變化，進而影響到各種礦物質的溶解度，結果導致礦物質從水中析出產生沉淀結垢。如在井管內結垢，會影響到地熱流體的采量，加大管道內的流動阻力進而增加能耗；如換熱表面結垢，則會增加傳熱阻力；垢層不完整處還會造成垢下腐蝕。