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Geothermalenergyisarenewableenergy,widelydistributed,lowcost,theadvantagesofsmallenvironmentalpollution.WiththerapidgrowthofChineseeconomy,inthecaseofenergysupplyanddemandmoreandmorenervous,geothermalenergymoreandmoreattentionhasbeenpaid,theamountofgeothermalpowerhasincreasedyearbyyear.Afterdecadesofdevelopment,Chinesegeothermalpowerhasmadesomeachievements,butgeothermalpowertherearestillalotofproblems.
KeyWords:
geothermalpower,geothermalresource,presentsituation,prospects
地热能是一种可再生能源,有分布广泛,成本低,对环境的污染小等优点。
随着化石燃料危机来临,作为替代能源之一的地热能源日益受到社会的重视。
地热发电站不会像燃煤发电产生灰渣和烟气,不需要燃料运输设备,也不会存在核反应堆的核污染隐患,是比较清洁的能源,而且地热发电成本较火电、水电都低,在经济投入方面具有先天优势。
中国地热发电事业起步于20世纪60年代,经过几十年的发展,目前国内可以独立建造30MW以上规模的地热发电站,单机可以达到10MW,截止到2007年统计数据,我国地热发电装机容量为32MW。
1.中国地热资源的分布
地热能是指储存于地球内部的能量,源于地球深处的高温熔融体和放射性物质的衰变。
地热能按属性可分为4种类型:
水热型;
地压地热能;
干热岩地热能;
岩浆热能,此类型地热能开发利用目前仍处于探索阶段。
地球地热资源丰富,但分布不平衡。
由于地球构造原因,地球表面的热流量分布是不均匀的,主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞,衰亡-消减带部位。
地球上的地热带主要有环太平洋地热带、地中海一喜马拉雅地热带、大西洋中脊地热带、红海一亚丁湾一东非裂谷地热带等。
1.1中国地热资源概况
中国的地热资源是很丰富的。
中国地热资源按其属性可分为三种类型:
高温(>150℃)对流型地热资源;
中温(90~150℃)、低温(<90℃)对流型地热资源;
中低温传导型地热资源。
大致分布如图1.1,通过地质调查,全国已发现地热异常3200多处,其中进行地热勘查的并已对地热资源进行评价的地热田有50多处。
全国已打成地热井2000多眼。
发现高温地热系统255处,主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。
在西藏羊八井地热田ZK4002孔,孔深2006m,已探获329.8℃的高温地热流体。
发现中低温地热系统2900多处,据调查总计天然放热量约为1.04×
1014kJ/a,相当于每年360万吨标准煤当量,主要分布在东南沿海诸省区和内陆盆地区,如松辽盆地、华北盆地、江汉盆地、渭河盆地以及众多山间盆地区。
这些地区1000—3000m深的地热井,可获80—100℃的地热水。
图1.1中国地热资源储量及分布概况
1.2中国地热资源地理分布
中国地热资源地理分布不均。
就目前已勘查结果来看,以中国西南地区最为丰富,已探明可利用地热能达2204.45MW,占全国勘查探明可利用地热能总量的51.05%;
其次是华北和中南地区,分别探明可利用地热能达745.33MW和685.75MW,占全国可利用地热能总量的17.27%和15.89%;
再次为华东地区,占9.92%;
而以东北、西北地区最少,已探明可利用地热能分别仅占全国总量的2.53%和3.34%。
以各省(区、市)的情况而论,地热资源最丰富的是西藏自治区,探明地热资源可开采热能1732.2MW,其次是云南、广东、河北、天津等。
以上五省(区、市)探明地热资源可开采热能合计3157.1MW,约占全国总量的3/4。
中国东部的华北盆地、松辽盆地,具有很大的地热资源开发利用潜力,但其开发利用条件受到热储层埋藏深度、岩性、地热水的补给条件的限制。
目前中国一些地区地热水的开采深度已达2500米左右,利用70~90℃的地热水,单井造价可达100~300万元,开发利用成本较大。
2.中国地热发电的的发展历程
在20世纪70年代初,第一次石油危机爆发,新能源的开发得到世界各国的重视,由于地热能具有分布广、可直接利用等先天优势,得到了分外的重视。
同时期,中国也加入地热能开发的热潮,建成了一批中低温地热发电厂,这7个地热发电厂都先后试验发电成功。
这7座地热发电厂分别是:
广东丰顺县邓屋,92℃,300kW;
湖南宁乡县灰汤,98℃,300kW;
河北怀来县后郝窑,87℃,200kW;
山东招远县汤东泉,98℃,300kW;
辽宁盖县熊岳,90℃,200kW;
广西象州市热水村,79℃,200kW;
江西宜春县温汤,67℃,100kW。
这些中低温地热资源发电,都是利用扩容闪蒸法或双工质循环法。
在没有采用进口设备,没有聘请外国专家的环境下,使地热发电在中国自主试验成功。
这一批地热发电机组容量较小,也没有连接地区电网,仅供当地使用,但都成功运行了几年。
到了70年代后期,除广东邓屋、湖南灰汤电厂外,其余的5处电厂陆续被关停。
20世纪70年代中期,高温地热的蒸汽发电项目开始在西藏展开。
国家于1976年成立了西藏地热地质大队,1977年9月1000kW高温地热发电试验机组试验发电成功。
至1991年期间,陆续完成8台机组安装,使羊八井地热电厂达到25.1MW的总装机容量。
羊八井地热电厂被誉为世界屋脊上的一颗明珠,在当时拉萨电力紧缺的状况下,曾担负拉萨平时供电的50%和冬季供电的60%。
而今,羊八井地热电厂的装机容量占地区总容量的比例已由80年代的60%降为15.18%,经过30多年发电,热田水位下降、热储容量减少,参数降低,地热水流量减少,腐蚀、结垢问题等也未彻底解决。
在西藏地区,除了羊八井,阿里地区也于1983建成朗久地热电厂,1985年投产2MW装机,后因地热井产汽量不足,后维持1台机组400kW出力间断运行;
那曲地热电厂于1993年建厂,1994年投产1MW装机,1999年因井口结垢堵死而停运。
目前我国地热发电的现状是维持24.78MW装机容量,年发电量近1.3×
108kW·
h,由于国内技术现状,国家阶段性计划等原因,西藏羊八井地热电厂是国内唯一还在商业运营的地热发电厂。
3.地热发电的原理技术及发展制约
3.1地热发电的原理
地热发电的原理是把地下热能首先转变为机械能,再把机械能转变为电能的过程。
这与火力发电的基本原理是一样的,所不同的是,地热发电不像火力发电那样需要备有庞大的锅炉,不需要消耗燃料,它所用的能源是地热能。
根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同,地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。
地热资源蕴藏在特定地区的地下,不像风能和太阳能那样到处看得见、摸得着,受区域地质构造背景的影响和具体地热地质条件的制约而形成的地热田,即便沸喷泉在地面,也需要在适当地点钻成地热井,获得可控制的热水或蒸汽,并在评价了其稳定的温度和产量后,才能编制设计,加以利用。
3.2地热发电技术制约
目前,地热发电遇到了三个重大技术难题:
地热田回灌问题、腐蚀问题和结垢问题。
3.21关于地热田回灌问题
地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源通过地热回灌井重新注回热储层段的方法,回灌可以很好解决地热废水问题,还可以改善或恢复热储的产热能力,保持热储的流体压力,维持地热田的开采条件。
回灌技术要求复杂,且成本高,至今未能大范围推广使用,如果不能有效解决回灌问题,将会影响地热电站的立项和发展所以地热回灌是亟需解决的关键问题。
影响回灌系统投资费用的因素有:
井孔与管道的直径、所需要的泵送系统、井孔深度、井孔数目以及回灌区的水文和地质情况等。
在地质建造既定的情况下,回灌井的钻井成本随其深度之延伸而增加。
运行和维修费用由井口设备、管道、泵的运行和定期维修的费用支出组成。
西藏羊八井地热电厂经过30多年运行后热田逐渐衰减,花了大量资金研究、实施回灌。
云南省腾冲县目前,正在开发地热发电,一旦钻井开始发电,回灌问题将成为一个重大课题。
3.22关于地热发电腐蚀问题
地热流体中含有许多化学物质,再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响,地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响,直接影响设备的使用寿命,影响到了安全生产。
地热电站腐蚀严重的部位集中于负压系统,其次是汽封片、冷油器、阀门等。
腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。
常见的防腐措施如下:
①使用耐腐蚀的材料,采用不锈钢或者玻璃钢材质的设备及部件,但这种措施往往成本较高;
②对主要腐蚀部件的金属表面涂敷防腐涂料,但涂层一旦划破,会加速金属材料的腐蚀。
③采取相应的密封措施,防止空气中的氧进入系统。
④针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐措施,例如选材时应尽量避免异种金属相互接触,以避免电偶腐蚀。
3.23关于地热发电结垢问题
地热水资源中矿物质含量比较高,在抽到地面做功的过程中,温度和压力均发生很大的变化,影响到各种矿物质的溶解度,必然导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。
地热电站结垢主要为井闪蒸面以上井管、井口、扩容品、汽机通流部分叶片、隔板及其它部件,特别是井管和井口结垢严重影响生产,减少机组出力。
目前主要有机械除垢、化学除垢、超声波除垢、电子除垢等除垢方法,但现实是每一种除垢方式都是不完善的,无法完美的解决结垢问题。
常用的防止措施有:
①用HCl和HF等溶解水垢,为了防止酸液对管材的腐蚀必须加入缓蚀剂;
②采用间接利用地热水的方式,在生产井的出水与机组的循环水之间加一个钛板换热器,可以有效防止做功部件腐蚀和结垢,但造价很高;
③采用深水泵或潜水泵输送井中的流体,使其在系统中保持足够的压力,在流体上升过程和输送过程中不发生气化现象,从而防止碳酸钙沉积;
④选择合适的材料涂衬在管壁内,防止管壁上的结垢。
3.3地热发电在中国的政策制约
在我国早期地热发电热潮中,地热发电暴露出了许多的有待未来解决的技术难题,所以在政府财政补贴,开发商投资方面,地热发电后来一直不是受欢迎。
一些地方政府出台了针对辖区内地热资源利用的专门性文件,但主要是针对低温和中温地热资源的利用,对于地热资源利用的补贴,也仅限于地源热泵等技术装备方面,鼓励地热发电的政策环境一直很欠缺。
开发商若想获得地热发电电价补贴,仍需采取“一事一议”的做法,向国家发改委价格司提出申请,这便卡住了许多想要进入该领域的投资。
地热发电的长远发展,在技术难题攻关的同时,需要政策的的指引,财政的倾斜,扶持引导,逐渐形成规模化,产业化。
4.地热发电未来发展优势
地热发电的总体发展形势是好的。
据2010年世界地热大会统计,全世界共有27个国家利用地热发电,绝大部分分布在美洲和亚洲,分别占世界总装机量的39.9%和35.1%。
我国地热发电的总装机量为24百万瓦,发电量位居世界第18位。
日本的三菱和东芝都带来他们最先进的设备参加此次大会。
法国知名企业CryostarSAS展出了其新产品——低温汽轮机,可以利用低温地热能进行发电,引起了世界同行的关注。
正如亚洲可持续能源开发中心的主任爱德华所说,这些新的设备必将推动地热资源的勘查、开发和利用。
中国的煤矿资源很缺乏,天然气、石油储量虽然不少,但是按人口平均也不丰富,随着经济的快速增长,电网的负荷也在快速增长。
火力发电虽然取得进步,但是并不是未来的主要方向,水力发电虽可建立在中国几个水力资源丰富的区域,但水力发电的成本一直高居不下,季节性强,而水资源困乏、水污染严重的现状,让水力发电的未来堪忧。
其它新能源,比如风力、太阳能、燃料电池、潮汐能等发电方式,在其稳定性和商业价值方面扩大不是一个短期的问题,其发电成本经济也不是很快在技术上所能解决的。
而反观地热发电的优势,只要在热显示区,能准确勘测地热田内部结构情况。
完善目前的地热发电技术,是除火力、水力发电之后较容易解决技术问题的第三种发电方式。
在2013年由国家能源局、财政部、国土资源部发布的《关于促进地热能开发利用的指导意见》中为未来地热产业的发展确定了发展目标:
到2015年,基本查清全国地热能资源情况和分布特点,建立国家地热能资源数据和信息服务体系。
全国地热供暖面积达到5亿平方米,地热发电装机容量达到10万千瓦,地热能年利用量达到2000万吨标准煤,形成地热能资源评价、开发利用技术、关键设备制造、产业服务等比较完整的产业体系。
相比较太阳能发电、风力发电等新能源的利用,在中国地热发电由于在研究经费、地理条件各方面的影响下,最近十几年似乎一直不温不火,但是这并不代表地热发电已经走下坡路。
相反,在地热发电的技术与规划方面,中国在几十年的探索实践当中取得了显著进步。
虽然今天只有西藏羊八井一枝独秀,但是其未来前景一定是百花齐放。
需要重视的是,我国地热能利用开采设备较为陈旧,对较深地热资源的开采能力严重不足。
虽有丰富的地热资源,但却未能形成完整、高效的产业链条,商业开发价值尚未完全显现出来。
同时,由于地热能的开发管理部门众多,也拉低了开发利用速度。
总体说,在技术层面,我国的地热发电已不存在限制。
在地热发电方面技术方面,我国并不落后于世界。
目前主要地热发电发展迟缓,需要国家给予更多政策上的支持。
5.结束语
历史发展到21世纪的今天,能耗问题已经成为人类发展面临的最终要的课题,全世界范围内兴起一场新的技术革命,要求建立一个巨大的、持久的、可再生的、多样化的、无污染的能源系统。
尽管目前地热发电量还不到全球发电总量的1%,但是大力推进地热发电事业已是大势所趋。
我们完全可以语预言:
在一个不太长的时期内,对地热资源的开发利用将再次迎来春天,但这需要建立在进一步解决三大问题的前提下。
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