一、地熱發電現狀 1,地熱發電特征 地熱發電是火力發電的一種,一般的火力發電為了產生蒸汽而使用鍋爐設備,而地熱發電則是利用地下深部的天然蒸汽。所以,地熱發電不需要化石燃料,從這一點來看,具有一定的經濟價值。 從世界范圍內的環境保護來看,它和原子能發電、水力發電、風力發電一樣,二氧化碳的排出量很少,屬于清潔型能源。 和通常的火力發電相比較,它的必要條件容易達到,如1999年7月開始運行的最新研制成的100〔104kW燃煤成套設備———松蒲火力發電站2號渦輪機運作溫度、壓力是:593℃、246kg/cm2;而地熱發電中,在渦輪入口輪的蒸汽條件下,最高也就是250℃、24kg/cm2。所以,與前者火力發電效率30%40%相比,地熱發電效率可達90%左右。 火力發電為了在渦輪出口處降 低壓力,需用冷卻劑在出口處強制 的冷卻,故需大量的冷卻水,也就是說需用7%的自發電力來維護這個發電裝置的正常運行,與一般發電站相比,它具有十分重要的經濟價值。 盡管地熱發電具有很多優點,但它也有不足之處:

 

  (1)地熱發電不能像火力發電那樣自由使用鍋爐,原因是不能把鍋爐放入地下儲層內進行自由設計。

 

  (2)因地熱流體中含有大量的 腐蝕性成分,故套管、渦輪等設備需要昂貴的耐腐蝕材料。 今后一般的火力發電技術如再有所提高的話,效率則會有更大的提高。但是,地熱發電是以天然的“地下鍋爐”為對象,利用上述優點,克服缺點,為減少天然的“地下鍋爐”的不確定性,有效開發出具有更高效率提取地下地熱資源的新技術,是迫在眉睫的問題。 2,發電站發電方式 除了極特殊的方式之外,大致可以分為以下幾種: (1)蒸汽發電(背壓式、復水式) 蒸汽發電中,背壓式是把地熱蒸汽渦輪出口處的壓力變為大氣壓,復水式是把它強制冷卻到大氣壓以下。 (2)流動式(單向流動、雙向流動) 流動式是在地熱流體中,蒸汽直接用于蒸汽渦輪,熱水通過自動控制裝置,降低壓力分離出蒸汽成分,再把分離出的蒸汽用于蒸汽渦 輪低壓段。根據自動控制裝置可以把分離通過幾個階段進行,因此就有單向流和雙向流的不同。

 

  (3)二元循環發電 與流動式不同(相對),循環發電不把蒸汽作為研究對象,而是把熱水具有的熱能轉移給其他媒體,通過二次媒體進行發電。 循環發電,在菲律賓、墨西哥是很常見的。從世界范圍看,日本地熱發電具有53〔104kW的發電規模。 3,地熱資源量 日本是地熱資源十分豐富的國家,把這些地熱用于發電,無論采用哪種方式發電都是可以考慮的。地熱資源量同礦物資源是一樣的,都受其經濟性所制約,由于評價方法和評價人的不同,對資源量的預測也有很大差別。 在這里以宮崎所獲資源量來進行說明。現在的地熱發電方式可采用蒸汽發電或流體動力發電,下面就重力基底深度較淺的200℃以上高溫熱水系資源量來進行論述。經初步計算,把日本總面積的50%分成15小塊,把到200℃等溫面以下的重力基底深度的地熱資源量根據容積法求得。這樣,把儲層孔隙度設為15%,回收率設為25%,根據這些值的變化,相應的資源量也發生變化。若根據這種假設,適合于現在的地熱發電方式的總熱量是10.1〔1018J,換算成發電量是582〔104kW〔30年。這個資源量大約是現在發電量的10倍。在日本,地熱井的深度有隨時間推移而逐年增加的趨勢。今后,重力基底深度(一般指從地表開始的沉積巖厚度,這一厚度也因地而異,從2km到3km不等)1km以下作為開發對象擴展開來,高溫熱水資源再加上述值,可以達到4342〔104kW〔30年。另一方面,在日本未利用的適合于150200℃的二元循環發電的地熱資源量估計值是1472〔104kW〔30年,如表1所示。表1敘述了用高溫巖體發電的資源量,在高溫巖體的初步計算中,淺部定義為巖基溫度200℃,深度3km;深部定義為35km。隨著今后勘探技術的進步,地熱資源量也會有所變化。

 

  二、21世紀地熱發電技術 1,高溫巖體發電技術 對于現在的地熱發電技術,有必不可少的三個地下條件:儲集層、地熱、地下水。 在地下儲集層中有裂縫,周圍的巖體具有充分的熱量,同時具有把地下地熱傳到地表的媒體———水。其中,儲層、地下水能通過低溫物體(如15200℃范圍)根據二元循環方式發電,這充分利用了地下地熱資源。而與此相對,具有充分高的熱量,但是缺少儲層和地下水二個要素,可以通過高溫巖體發電方式進行發電。這種發電方式的構想是于1970年美國新墨西哥州的洛斯-阿拉斯國立研究所研究員所提出的。這種高溫巖體發電方式如圖1所示。深度在30004000m,溫度在200300℃高溫下,在滲透率低的花崗巖體中,通過注入高壓水,在2口井之間,制造一個斷裂帶群,作為人工儲層。在人工儲層 中,其中1口井作為注水井,另1口井作為生產井。通過生產井,把高溫巖體具有的熱量通過熱水或蒸汽載體,把地下熱量帶到地面進行發電。洛斯-阿拉斯國立研究所進行了實驗,在實驗基地鉆2口井,其深度約為3000m,溫度約為200℃。1977年在世界上首次進行了循環實驗,證實了這一方案的可行性。這一循環發電試驗進行了286天,獲得了35005000kW的熱力資源。這些熱力資源換算成電相當于500kW,但在實際上還沒有進行發電。沿著這一成功的足跡,美國為了開發大規模高溫巖體發電系統,開始了第II期計劃。在第II期計劃中,在IEA(InternationalEnergyAgency:國際能源機構)協定基礎之下,日本和其他國家派研究所參加研究,但這個國際協定由于日本和其他國家的中途退出,現場實驗進行到1996年。盡管如此,美國關于高溫巖體發電系統的開發研究起到了開路先鋒的作用。

 

  在日本有關高溫巖體的發電實驗是從1978年在岐阜縣上郡肘折 地區進一步研究高溫巖體發電系統開始的。與圖1所不同的是,它的注水井只有1口,而配置的生產井 是3口。像這樣具有多口井的高溫 巖體發電系統在世界上只有肘折存 在。1991年,在深度1800m、溫度250℃巖基中進行了為期80天的循環實驗,熱力資源是8000kW,證實了能夠平穩地從高溫巖體中提取出熱量。在肘折地區,深2200m、溫度270℃的巖基中造了人工儲層。在利用前述1800m深儲層的同時,計劃從2000年開始,進行更大規模的循環實驗。

 

  2,巖漿發電 在現在的地熱發電中,地熱儲層中的熱源是地下深部的融熔巖漿。所謂巖漿發電就是把井鉆到巖漿,直接獲取那里的熱量。這一開發研究,是美國于1975年在圣地亞研究所進行的。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,在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10201170℃的巖漿中,并深入巖漿29m,可就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,采用現有技術也是很難實現的。

 

  另外,從巖漿中提取熱量,只進行了理論研究。

 

  三、結束語 地熱資源越來越受到人們的重視,地熱發電量也逐年增加。有關地熱資源的進一步開發還需更長的時間,地熱資源無論從經濟價值、資源量,還是從環境保護方面看,它具有一定的優越性。從20世紀初到現在,地熱開發及地熱發電技術克服了各種各樣的技術困難,高溫巖體發電、巖漿發電是需要我們在21世紀解決的問題。