屈高陽

摘? 要： 以三門峽地區(qū)為例，分析了已建成地熱能供暖項目中地熱能的利用情況，研究了地熱能發(fā)電技術(shù)在三門峽地區(qū)應(yīng)用的可行性。通過單級閃蒸發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種地熱能發(fā)電技術(shù)的分析和對比，選擇適合三門峽地區(qū)的地熱能發(fā)電方式，分析了地熱能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用中存在的問題及提出了對策。

關(guān)鍵詞： 地熱能發(fā)電技術(shù); 地熱能供暖; 單級閃蒸發(fā)電; 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

中圖分類號： TM 616? ? ? ? ? 文獻標志碼： A? ? ? ? ? 文章編號： 1671-2153（2019）01-0105-04

0? 引 言

地熱能發(fā)電是利用地熱能為動力源的一種新型發(fā)電技術(shù)：先將地熱能轉(zhuǎn)變成機械能，機械能再轉(zhuǎn)變成電能。按照載熱體類型、溫度、壓力和其他特性的不同，可將地熱發(fā)電技術(shù)分為干蒸汽發(fā)電、閃蒸地熱發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電[1]。

本文以三門峽地區(qū)為例，分析已建成地熱能供暖項目中地熱能的利用情況，研究地熱能發(fā)電技術(shù)在三門峽地區(qū)應(yīng)用的可行性。通過單級閃蒸發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種地熱能發(fā)電技術(shù)的分析和對比，選擇適合三門峽地區(qū)的地熱能發(fā)電方式，分析了地熱能發(fā)電的關(guān)鍵問題及對策。

1? 地熱能供暖數(shù)據(jù)分析

三門峽陜州區(qū)溫塘地熱水的形成受地質(zhì)構(gòu)造影響，南部徑流區(qū)崤山海拔為1 400 m，巖層裂隙發(fā)育，滲透性好，為地熱水的主要補給區(qū)。區(qū)內(nèi)有深達3 000 m的深大斷裂、破碎和溶蝕程度較高的灰?guī)r形成熱儲水層，地熱水在上涌過程中經(jīng)過圍巖的增溫加熱，沿斷裂上涌的地熱水與淺部孔隙水混合而形成對流型熱儲層[2]。溫塘地熱水埋深20 m，埋藏較淺。對熱源井水質(zhì)做全水質(zhì)化驗，水質(zhì)達到優(yōu)質(zhì)礦泉水，碳十四同位素分析，測定地下水表觀年齡為2萬年至3萬年，對比水質(zhì)化驗報告，確定地熱水不是古封存水。

已建成運行的5個地熱能供熱站，熱源井9眼，井深為740～1 520 m，總供熱能力為4萬kW。其地熱水參數(shù)如表1所示。

表1中，出水量為供暖需求用水量，并非最大出水量。受地型結(jié)構(gòu)影響，各小區(qū)地熱水水位、水溫和出水量均不同。由表1數(shù)據(jù)，可計算出從地熱水中提取的熱量值。

物質(zhì)吸收或放出的熱量利用公式為

式中：Q為地熱水放出的熱量;c為水的比熱容，即每千克水升高或降低1℃時，所吸收或放出的熱量，通常取4.19（J/kg·℃）;m為地熱水的質(zhì)量;△t為地熱水溫度的變化量。把水的體積流量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量m，計算出地熱水傳熱量Q，地熱水能量利用情況如表2所示。

地熱水出水量最高為150 000 kg/h，最低為50 000 kg/h，平均為95 000 kg/h，即95 t/h。地熱水傳熱量最高為3 637 J/kg，最低為1 396 J/kg，平均傳熱量為2 126 J/kg，即2 126 kJ/t。經(jīng)過河南省水文地質(zhì)勘察設(shè)計院的地質(zhì)勘探報告顯示，三門峽地區(qū)地熱水資源豐富，150 m深度，單井出水量可達85 t/h。因三門峽陜州區(qū)打井深度較深，所以地熱水平均出水量95 t/h符合地質(zhì)勘探報告相關(guān)內(nèi)容。

三門峽地區(qū)地熱能供暖項目的正常運行，為地熱能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。下面將研究適合三門峽地區(qū)的地熱能發(fā)電方式。

2? 地熱發(fā)電技術(shù)的分析及選擇

2.1? 地熱資源的分類

地熱資源可分為淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖型地熱能三種類型，如表3所示。由表3可以看出，淺層地熱能是指地表以下200 m范圍內(nèi)具備開發(fā)利用價值的溫度小于25 ℃的低溫地熱資源。水熱型地熱資源是指較深的地下水或蒸汽中的地熱資源，開發(fā)利用較多。干熱巖又稱增強型地熱系統(tǒng)，或工程型地熱系統(tǒng)，指埋深數(shù)千米，溫度大于200 ℃，內(nèi)部僅有少量地熱流體或不存在流體的高溫巖體[1]。

2.2? 三門峽地區(qū)的地熱能資源

三門峽盆地位于汾渭地塹盆地東南緣、小秦嶺背斜東段北翼。盆地內(nèi)基底深大斷裂較發(fā)育，構(gòu)成地殼深處地熱能上升的通道。深部地熱流體與上部冷水對流混合形成地熱水熱流體，在斷裂破碎帶形成地熱異常[2]。三門峽地區(qū)熱盆≥65 W/m2，地熱資源較好。地熱水出水溫度46～70 ℃，屬于水熱型低溫地熱能。

據(jù)2000年調(diào)查，三門峽市多年平均地表水徑流量為16.181 億m3，多年平均徑流深為157.9 mm，徑流系數(shù)0.23，水量較為充足。三門峽市人均占有地表水資源量754.01 m3，畝均占有量669.05 m3，占全省人均占有量的173.2%、畝均占有量的228.9%。三門峽市地下水補給來源主要是大氣降水，其次為地表水體（河流、水庫）入滲及農(nóng)田灌溉水入滲等。另外，還有相互側(cè)向地下水徑流補給。根據(jù)1999年至2000年三門峽市水利局、河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站聯(lián)合調(diào)查，三門峽市多年平均地下水可開采量為6 182.43萬m3。

綜上所述，三門峽地區(qū)地熱水資源豐富，可選擇水熱型地熱能來發(fā)電。

2.3? 三門峽地區(qū)地熱能發(fā)電技術(shù)選擇

三門峽陜州區(qū)地熱流體以液態(tài)水的形式存在，因此不考慮地熱蒸氣發(fā)電，只考慮地熱水發(fā)電。地熱水發(fā)電有閃蒸地熱發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種方式，對這兩種發(fā)電方式進行分析對比。

（1） 單級閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)計算

計算過程參看參考文獻[3]。單級閃蒸最佳閃蒸溫度為

式中：t1為最佳閃蒸溫度;Th為井水水溫;Tc為井水經(jīng)閃蒸器轉(zhuǎn)換為的蒸汽溫度。根據(jù)閃蒸器的熱平衡得

式中：qm1為單位質(zhì)量井水經(jīng)閃蒸器轉(zhuǎn)換為蒸汽的熱量;qm為單位質(zhì)量井水的熱量;hh為井水的焓值;h1′為井水經(jīng)閃蒸器后轉(zhuǎn)換為飽和水的焓值;h1″為井水經(jīng)閃蒸器后轉(zhuǎn)換為飽和水蒸汽的焓值。每噸水凈發(fā)電量為

式中：h2=h3+Tc（s1′-s3）;X=Pc/P;Pnet=P-Pc=P（1-X）。計算時設(shè)X=0.25，ηoiηmηg=0.76×0.98×0.97=0.722，井水出水量m1=95 t/h。經(jīng)計算得Ne=46 kWh/t，即每噸水每小時凈發(fā)電量為46 kW。相對于每噸水的傳熱量2 126 kW，熱轉(zhuǎn)化為電的轉(zhuǎn)化率為2.1%。

（2） 聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)計算

計算過程參看參考文獻[3]。雙工質(zhì)循環(huán)最佳閃蒸溫度為

經(jīng)計算得Ne=18 kWh/t，即每噸水每小時凈發(fā)電量為18 kW。相對于每噸水的傳熱量2126 kW，熱轉(zhuǎn)化為電的轉(zhuǎn)化率為0.8%。

（3） 兩種發(fā)電形式的對比

采用閃蒸法發(fā)電，設(shè)備簡單，但設(shè)備尺寸大，容易腐蝕結(jié)垢，熱效率較低。聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電從地熱水提取到發(fā)電，再到地熱水回灌，整個過程都是在全封閉的系統(tǒng)中運行，對環(huán)境無污染。地熱水全數(shù)回灌，延長了地熱田的使用壽命[4]。

表4為兩種發(fā)電形式在住宅小區(qū)內(nèi)應(yīng)用對比。

由表4可以看出，閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大，適用于中低溫地熱水發(fā)電方式。但是當?shù)責崴疁囟鹊颓伊髁看髸r，為避免設(shè)備體積大，應(yīng)采用聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)[4]。三門峽地區(qū)地熱能發(fā)電技術(shù)可優(yōu)先選擇閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)，局部地區(qū)地熱水溫低且流量大時，可采用聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備已經(jīng)國產(chǎn)化并成功運用。華北油田公司在陜西關(guān)中地區(qū)采用低溫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的機組進行地熱水發(fā)電。陜西關(guān)中地區(qū)地下1 000 m深水溫度40～45 ℃，2 000 m深水溫度70～75 ℃。機組參數(shù)：進汽壓力0.52 MPa，溫度82 ℃，排汽壓力0.17 MPa，溫度42 ℃，蒸汽流量106 t/h。額定發(fā)電量360 kW，凈發(fā)電功量310 kW。關(guān)中地區(qū)地熱發(fā)電的成功應(yīng)用對三門峽地區(qū)的地熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用具有參考意義。

2.4? 存在的問題及對策

地熱水中含有大量有毒的腐蝕性物質(zhì)，再加上水的溫度、流速、壓力等因素的影響，會腐蝕管道和設(shè)備，也容易結(jié)垢，地熱發(fā)電后地熱水直接排入地表環(huán)境，會對地表環(huán)境造成嚴重影響。因此，地熱水回灌、腐蝕和結(jié)垢這三個技術(shù)難題阻礙了地熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展[4]。

在解決方法上，采用重力回灌，壓力回灌和真空回灌等方式，可解決地熱水回灌問題。針對地熱水腐蝕的問題，可使用耐腐蝕的管材和設(shè)備，成本較高;也可在金屬表面涂防腐涂料，但涂層一旦劃破，會加速腐蝕。解決地熱水結(jié)垢的問題，可用HCl和HF等溶解水垢;在地熱水與機組的循環(huán)水之間加鈦板換熱器，防止部件腐蝕和結(jié)垢，但成本高;輸送地熱水時維持一定的壓力，避免氣化，防止結(jié)垢;在管道內(nèi)壁涂合適的材料，防止管道內(nèi)壁的結(jié)垢。

3? 結(jié)束語

三門峽地區(qū)地熱水豐富，可選用閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)合循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)進行地熱能發(fā)電。目前三門峽地區(qū)地熱能的開發(fā)利用以淺層為主，隨著已建成地熱能供暖項目的順利運行，三門峽地區(qū)利用地熱能發(fā)電具有了可行性。由于地熱水具有較高的碳酸和鈣含量，在今后的開發(fā)利用過程中應(yīng)注意地熱水回灌、腐蝕和結(jié)垢問題。在提倡節(jié)能減排的新形勢下，地熱能這種可再生且資源豐富的能源，必將在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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[3] 吳治堅，龔宇烈，馬偉斌，等. 閃蒸-雙工質(zhì)循環(huán)聯(lián)合地熱發(fā)電系統(tǒng)研究[J]. 太陽能學報，2009（3）：316-321.

[4] 高學偉，李楠，康慧. 地熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 電力勘測設(shè)計，2008（3）：59-62+80.