地?zé)崮苁侵傅厍騼?nèi)部蘊(yùn)藏的能量,一般集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶,起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變.據(jù)估計(jì),距地殼深度3 km以內(nèi)蘊(yùn)藏的熱量約為4.3@1019MJ.全球地?zé)豳Y源估計(jì)為6@106MW,其中32%的地?zé)釡囟?/a>高于130e,而68%的地?zé)釡囟?/a>低于130e[2].通常,地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源可以按溫度來劃分,地?zé)釡囟?/a>高于150e為高溫,地?zé)釡囟?/a>低于90e為低溫,而地?zé)釡囟忍幱?0~150e為中溫.

 

  1.2 地?zé)崮馨l(fā)電方式。

 

  目前,絕大多數(shù)的地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目是通過鉆井抽取地下的地?zé)崃黧w作為高溫?zé)嵩?/a>進(jìn)行發(fā)電,經(jīng)過發(fā)電后的地?zé)崃黧w再灌回地下.一般,從井口流出的地熱流體存在3種狀態(tài):干蒸汽、以蒸汽為主或者以水為主的汽水混合物以及熱水.根據(jù)地熱流體的性質(zhì),有4種熱力系統(tǒng)可供選擇:干蒸汽熱力系統(tǒng)(圖1(a))、一次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)(圖1(b))、二次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)(圖1(c))和雙工質(zhì)熱力系統(tǒng)(圖1(d)).

 

  (a)干蒸汽熱力系統(tǒng)(b)一次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)(c)二次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)(d)雙工質(zhì)熱力系統(tǒng)圖1 地?zé)崮馨l(fā)電的主要熱力系統(tǒng)Fig.1 Principal thermal system of geothermal power generation2 世界地?zé)崮馨l(fā)電現(xiàn)狀目前,能夠較大規(guī)模進(jìn)行地?zé)崮馨l(fā)電的國家,主要都是利用與火山有關(guān)的地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源.除了美國、意大利以及新西蘭等發(fā)達(dá)國家一直以開發(fā)地?zé)崮?/a>進(jìn)行發(fā)電外,許多擁有豐富高溫地?zé)豳Y源的發(fā)展中國家也非常重視地?zé)崮馨l(fā)電.

 

  2.1 國外地?zé)崮馨l(fā)電現(xiàn)狀[3]

 

  美國是世界上地?zé)岚l(fā)電規(guī)模最大的國家,總裝機(jī)容量達(dá)到2 687 MW.美國最大的地?zé)犭娬?/a>是Geysers電站,利用干蒸汽發(fā)電,現(xiàn)有裝機(jī)容量1 421 MW.2008年8月,美國地?zé)釁f(xié)會(huì)聲稱美國地?zé)岚l(fā)電將新增裝機(jī)容量4 000 MW.

 

  意大利早在1904年就利用干地?zé)嵴羝M(jìn)行了發(fā)電試驗(yàn),是世界上最早進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電的國家,目前總裝機(jī)容量已達(dá)810 MW.2007年,意大利政府批準(zhǔn)新增100 MW地?zé)岚l(fā)電機(jī)組.

 

  新西蘭是最早利用中、低溫地?zé)豳Y源進(jìn)行發(fā)電的國家,目前總裝機(jī)容量為472 MW.Wairakei地?zé)犭姀S運(yùn)行已超過50年,運(yùn)行地?zé)釞C(jī)組容量已達(dá)147 MW.

 

  菲律賓擁有豐富的地?zé)豳Y源,目前的總裝機(jī)容量為1 971 MW,計(jì)劃在2010~2014年間新增裝機(jī)容量800 MW.

 

  印度尼西亞地?zé)豳Y源極其豐富,地?zé)崮馨l(fā)電潛力居世界第一.目前,印度尼西亞地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到992 MW.在簽署了京都議定書后,印度尼西亞政府計(jì)劃在2009~2018年新建總裝機(jī)容量為6 867 MW的地?zé)岚l(fā)電機(jī)組,以此來緩解國內(nèi)嚴(yán)重的缺電問題.

 

  #1161# 第12期周支柱:地?zé)崮馨l(fā)電的工程技術(shù)墨西哥地?zé)岚l(fā)電潛力為8 000 MW,僅次于印度尼西亞.目前,墨西哥地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量為953MW.地?zé)衢_發(fā)商CFE的計(jì)劃顯示,墨西哥地?zé)岚l(fā)電新增機(jī)組容量為300 MW.

 

  肯尼亞地?zé)岚l(fā)電潛力約為2 000 MW.2007年,肯尼亞地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量為129 MW.

 

  土耳其2007年的地?zé)犭娬?/a>總裝機(jī)容量為38MW.在2009年,土耳其國內(nèi)1座容量為45 MW的地?zé)犭娬?/a>剛投入運(yùn)行.

  2.2 中國地?zé)崮?/a>發(fā)電現(xiàn)狀由于中國地?zé)豳Y源大多以低溫為主,僅在西藏、云南和臺(tái)灣存在中、高溫地?zé)豳Y源.上世紀(jì)70年代,為解決西藏缺電問題,國家投資開發(fā)淺層中、低溫地?zé)豳Y源,相繼建成羊八井、郎久和那曲3座地?zé)犭娬?/a>,總裝機(jī)容量為28.18 MW.西藏羊八井地?zé)?/a>電站建有7臺(tái)3 MW二級(jí)擴(kuò)容循環(huán)機(jī)組,1臺(tái)3.18 MW進(jìn)口機(jī)組和1臺(tái)1 MW單級(jí)擴(kuò)容循環(huán)機(jī)組[4].郎久地?zé)犭娬竞湍乔責(zé)犭娬疽殃P(guān)閉.隨著國家在西藏地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源方面的投資減少,目前尚未有新的地?zé)犭娬九d建.在上世紀(jì)90年代,開展了回灌工程,有效地穩(wěn)定了地?zé)岚l(fā)電量.羊八井地?zé)犭娬緸楫?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn).在2008年,西藏羊八井地?zé)犭娬纠?口高溫地?zé)?/a>井進(jìn)行了增容發(fā)電.

  我國臺(tái)灣省建有2座地?zé)嵩囼?yàn)電站,目前也已關(guān)閉.云南騰沖的熱海地?zé)崽?/a>溫度高達(dá)260e以上,但至今尚未開發(fā)利用.

 

  3 地?zé)崮馨l(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)3.1 地?zé)崽?/a>開發(fā)3.1.1 熱儲(chǔ)工程技術(shù)地?zé)犭娬疽?guī)模大小主要與地?zé)崽?/a>的發(fā)電潛力有關(guān).在開發(fā)階段,既要保證有足夠的地?zé)崃黧w使機(jī)組啟動(dòng)滿發(fā),又要避免過度開采造成機(jī)組出力不足,因此需要對(duì)地?zé)崽?/a>進(jìn)行深入研究.可以通過一些指標(biāo)來評(píng)估地?zé)崽锏膶?shí)際情況,比如地?zé)崃黧w的成分、井底壓力和溫度、井口壓力和溫度以及滲透性等,但對(duì)地?zé)崽飪?nèi)部變化和未來預(yù)測,則需要通過熱儲(chǔ)工程技術(shù)建立熱儲(chǔ)模型來進(jìn)行分析.

 

  首先根據(jù)地熱儲(chǔ)存條件、地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/熱源.html" >熱源分析、熱傳遞機(jī)理和地熱流體運(yùn)移等方面建立數(shù)學(xué)概念模型;然后根據(jù)地質(zhì)勘探和測量、試驗(yàn)井的測量和物探結(jié)果來修正概念模型,獲得熱儲(chǔ)系統(tǒng)模型,并根據(jù)此模型預(yù)測深部熱儲(chǔ)溫度場、壓力場和化學(xué)場在地?zé)衢_發(fā)條件下的變化趨勢(shì),評(píng)估地?zé)崽餄摿?確定生產(chǎn)井和回灌井的數(shù)量和位置以及回灌對(duì)熱田的影響.生產(chǎn)井和回灌井建成后,要根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正熱儲(chǔ)模型,建立地?zé)崽锕芾砟Ｐ?并以此作為今后擴(kuò)建和優(yōu)化開發(fā)的基礎(chǔ).

 

  3.1.2 地?zé)峋?/a>技術(shù)目前,地?zé)峋@探是勘探和開發(fā)地?zé)豳Y源的唯一手段,但在地?zé)崮馨l(fā)電工程項(xiàng)目中,地?zé)嵘a(chǎn)井的鉆井平均成功率僅為70%~80%.鉆井成功率不高的原因與地質(zhì)勘探以及地?zé)峋こ?/a>技術(shù)有關(guān).地?zé)峋こ?/a>技術(shù)主要包括鉆井和成井2部分.

 

  鉆井是地?zé)衢_發(fā)的基礎(chǔ),它涉及到確定鉆孔結(jié)構(gòu)、選擇鉆進(jìn)參數(shù)、設(shè)計(jì)鉆柱級(jí)配方式、選擇鉆頭類型、配置鉆井液以及事故預(yù)防和處理等技術(shù).鉆井工程中的每個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)均會(huì)對(duì)鉆井質(zhì)量、鉆井效率和成本產(chǎn)生重大影響.

 

  成井是地?zé)衢_發(fā)的關(guān)鍵,它決定著地?zé)衢_發(fā)的質(zhì)量.成井技術(shù)包括地球物理測井、通井、井管的選擇和安裝、沖孔換漿、填礫、固井以及洗井等內(nèi)容.成井技術(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件、井深、鉆井結(jié)構(gòu)和井管結(jié)構(gòu)等進(jìn)行工藝選擇,是1套地?zé)衢_發(fā)的綜合技術(shù)[5].

 

  3.2 地?zé)崮馨l(fā)電3.2.1 地熱流體采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常有多口生產(chǎn)井,因此需要把各生產(chǎn)井連接起來,然后把分離后的蒸汽輸送到汽輪機(jī).在生產(chǎn)井與汽輪發(fā)電機(jī)組之間的這個(gè)龐大部分被稱為地?zé)崃黧w采集系統(tǒng),主要涉及到井口裝置選型、管網(wǎng)設(shè)計(jì)、汽水分離器設(shè)計(jì)、消聲器設(shè)計(jì)以及自動(dòng)疏水器配置等內(nèi)容.

 

  一般,地?zé)峋?/a>和地?zé)犭娬径枷嗑噍^遠(yuǎn),從生產(chǎn)井流出的地?zé)崃黧w大多是低參數(shù)兩相流,生產(chǎn)井的井口參數(shù)可能會(huì)有較大差異,這些均是地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要考慮的重要因素.

  選擇地?zé)犭娬镜念愋头浅Ｖ匾?它會(huì)影響地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)的選擇、地?zé)嵩O(shè)備的選型、回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)等.地?zé)犭娬镜脑O(shè)計(jì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括井口溫度和壓力、井口流量、蒸汽和熱水質(zhì)量比、生產(chǎn)井特性曲線、不凝結(jié)氣體含量和化學(xué)分析等.除了選擇單獨(dú)的熱力系統(tǒng)之外,也可以考慮聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng),即在高溫循環(huán)時(shí)采用一次閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng),而在低溫循環(huán)時(shí)則采用雙工質(zhì)熱力系統(tǒng).

 

  #1162#     動(dòng) 力 工 程    第29卷 表1 世界地?zé)犭娬镜念愋头植糡ab.1 Distribution of geothermal power stationtype in the world電站類型裝機(jī)容量/MW百分比/%干蒸汽2 545 28一次閃蒸3 295 37二次閃蒸2 293 26雙工質(zhì)(含聯(lián)合循環(huán)) 682 8其他119 1地?zé)犭娬具x型建立在地?zé)崽锞唧w情況的基礎(chǔ)之上,根據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和通過設(shè)計(jì)地?zé)崃黧w采集系統(tǒng),計(jì)算出汽輪機(jī)進(jìn)口壓力和功率,在最大功率附近確定汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力的范圍.在這個(gè)壓力范圍內(nèi),選擇不同的進(jìn)汽參數(shù)進(jìn)行方案設(shè)計(jì),包括優(yōu)化設(shè)計(jì)地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)、初步設(shè)計(jì)地?zé)犭娬緹崃ο到y(tǒng)和回灌系統(tǒng)以及選擇相應(yīng)的設(shè)備等內(nèi)容,然后對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較,最后得到最優(yōu)方案.

 

  3.2.3 地?zé)岚l(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)前3種蒸汽熱力系統(tǒng)涉及汽輪機(jī)、井口閥門、汽水分離器、閃蒸器、凝汽器、抽汽器、冷卻塔和泵等設(shè)備;雙工質(zhì)系統(tǒng)包括有機(jī)氣體透平、井口閥門、熱交換器、空冷凝汽器和泵等設(shè)備.所有設(shè)備的功能與常規(guī)電站設(shè)備幾乎相同,但地?zé)崃黧w都含有腐蝕性和易結(jié)垢的化學(xué)成分,因此在設(shè)計(jì)制造地?zé)岚l(fā)電設(shè)備時(shí)必須考慮到這一特點(diǎn),以保證地?zé)犭娬驹O(shè)備的可靠性.表2給出了地?zé)岚l(fā)電設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢特性.

 

  表2 地?zé)岚l(fā)電設(shè)備的腐蝕與結(jié)垢Tab.2 Corrosion and fouling in geothermal powergeneration equipment干蒸汽一次閃蒸二次閃蒸雙工質(zhì)汽輪機(jī)腐蝕,結(jié)垢腐蝕,結(jié)垢腐蝕,結(jié)垢井口閥門結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕汽水分離器結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕)閃蒸器)結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕)凝汽器腐蝕腐蝕腐蝕抽汽器腐蝕腐蝕腐蝕)冷卻塔腐蝕腐蝕腐蝕)循環(huán)泵結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕結(jié)垢,腐蝕換熱器) ) )結(jié)垢,腐蝕3.2.4 回灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)從地下帶出來的化學(xué)成分大部分存在于分離后的熱水中,因此地?zé)崴?/a>在開發(fā)利用后一定要回灌地下.回灌也是國際公認(rèn)的維持地?zé)崽锇l(fā)電能力的最有效手段.在設(shè)計(jì)回灌系統(tǒng)時(shí),除了在熱儲(chǔ)中要考慮井的位置、回灌水流向等以外,還需要重視管道內(nèi)可能的熱水汽化和回灌水溫度控制等問題,以避免造成管道破裂和嚴(yán)重結(jié)垢.

 

  4 我國地?zé)崮?a href="http://kaichele.cn/t/發(fā)電技術(shù).html" >發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向一個(gè)典型的地?zé)犭娬卷?xiàng)目的成本為:勘探占5%,評(píng)估占1%,許可證占1%,地?zé)峋?/a>占23%,地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)占7%,電站占57%,輸配電占4%.其中,電站和地?zé)峋?/a>部分的成本占到了總成本的80%,所以這2方面的工程技術(shù)是發(fā)展的重點(diǎn).

 

  我國是世界上利用地?zé)岵膳?/a>的大國,多年來在熱儲(chǔ)工程和地?zé)峋矫嫒〉昧碎L足發(fā)展.我國各地幾乎都有地?zé)峋?地?zé)峋淖畲笊疃纫堰_(dá)到4 000 m.

 

  但是,多年來我國地?zé)崮馨l(fā)電卻基本上處于停滯狀態(tài).雖然羊八井地?zé)?/a>電站在地?zé)崃黧w采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、閃蒸蒸汽熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電站運(yùn)行和管理等方面積累了一定經(jīng)驗(yàn),但羊八井地?zé)?/a>電站設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)嚴(yán)重老化,一些重要設(shè)備如汽水分離器和過濾器等還沒有投入應(yīng)用,非常缺乏先進(jìn)的地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)和成套設(shè)備的集成技術(shù).相比較而言,地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造和集成技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于地?zé)崮馨l(fā)電的其他技術(shù).

  我國完全具備盡快發(fā)展地?zé)岚l(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)和集成技術(shù)的條件和基礎(chǔ).地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/電站發(fā)電.html" >電站發(fā)電設(shè)備與常規(guī)電站發(fā)電設(shè)備基本類似,比如地?zé)崞啓C(jī)與火電機(jī)組低壓缸的濕蒸汽部分相似.但必須清醒地認(rèn)識(shí)到:應(yīng)當(dāng)牢牢抓住地?zé)崮?a href="http://kaichele.cn/t/發(fā)電技術(shù).html" >發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn),如腐蝕、結(jié)垢等方面進(jìn)行深入的研究,才能開發(fā)出適用于地?zé)崮馨l(fā)電的高性能設(shè)備.對(duì)于雙工質(zhì)系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備,則需要有更多的投入.

 

  5 結(jié) 論發(fā)展中國家有著豐富的地?zé)?a href="http://kaichele.cn/t/資源.html" >資源和廣闊的市場.但作為發(fā)展中國家的中國,根據(jù)目前地?zé)崮馨l(fā)電的工程技術(shù)現(xiàn)狀,中國企業(yè)走出去開發(fā)相關(guān)項(xiàng)目的主要風(fēng)險(xiǎn)集中在地?zé)岚l(fā)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造和集成技術(shù).中國企業(yè)應(yīng)計(jì)劃在2~3年的時(shí)間里進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,大力研究地?zé)岚l(fā)電的工程技術(shù),重點(diǎn)放在深入研究適合地?zé)岚l(fā)電的成套設(shè)備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和集成技術(shù).

 

  積極發(fā)展地?zé)崮馨l(fā)電的工程技術(shù)有利于電站工程項(xiàng)目的多元化,有助于帶動(dòng)我國綠色能源的工程(4 結(jié) 論。

 

  (1) 10個(gè)含有缺陷的不銹鋼節(jié)流孔板均通過了ASME第?卷標(biāo)準(zhǔn)5核電廠部件在役檢查規(guī)則6、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624)20045在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定6、標(biāo)準(zhǔn)BS 7910)19995金屬結(jié)構(gòu)中缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法導(dǎo)則6的安全評(píng)定.

 

  (2)秦山第三核電有限公司的應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)及停堆冷卻系統(tǒng)中的不銹鋼節(jié)流孔板在40年的設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)是安全的.

 

  (3) 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定結(jié)果基本一致,但3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在缺陷規(guī)則化、評(píng)定工況和應(yīng)力的確定方法、缺陷疲勞擴(kuò)展方程性能系數(shù)、缺陷應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算公式以及缺陷安全性評(píng)定方式等方面均有所差異.