地熱能發電技術在地區供暖中的應用

屈高陽

摘? 要： 以三門峽地區為例，分析了已建成地熱能供暖項目中地熱能的利用情況，研究了地熱能發電技術在三門峽地區應用的可行性。通過單級閃蒸發電和聯合循環發電兩種地熱能發電技術的分析和對比，選擇適合三門峽地區的地熱能發電方式，分析了地熱能發電技術應用中存在的問題及提出了對策。

關鍵詞： 地熱能發電技術; 地熱能供暖; 單級閃蒸發電; 聯合循環發電

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

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

本文以三門峽地區為例，分析已建成地熱能供暖項目中地熱能的利用情況，研究地熱能發電技術在三門峽地區應用的可行性。通過單級閃蒸發電和聯合循環發電兩種地熱能發電技術的分析和對比，選擇適合三門峽地區的地熱能發電方式，分析了地熱能發電的關鍵問題及對策。

1? 地熱能供暖數據分析

三門峽陜州區溫塘地熱水的形成受地質構造影響，南部徑流區崤山海拔為1 400 m，巖層裂隙發育，滲透性好，為地熱水的主要補給區。區內有深達3 000 m的深大斷裂、破碎和溶蝕程度較高的灰巖形成熱儲水層，地熱水在上涌過程中經過圍巖的增溫加熱，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。對熱源井水質做全水質化驗，水質達到優質礦泉水，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。受地型結構影響，各小區地熱水水位、水溫和出水量均不同。由表1數據，可計算出從地熱水中提取的熱量值。

物質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為地熱水的質量;△t為地熱水溫度的變化量。把水的體積流量轉化為質量流量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。經過河南省水文地質勘察設計院的地質勘探報告顯示，三門峽地區地熱水資源豐富，150 m深度，單井出水量可達85 t/h。因三門峽陜州區打井深度較深，所以地熱水平均出水量95 t/h符合地質勘探報告相關內容。

三門峽地區地熱能供暖項目的正常運行，為地熱能發電技術的應用提供了數據支撐。下面將研究適合三門峽地區的地熱能發電方式。

2? 地熱發電技術的分析及選擇

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范圍內具備開發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，開發利用較多。干熱巖又稱增強型地熱系統，或工程型地熱系統，指埋深數千米，溫度大于200 ℃，內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。盆地內基底深大斷裂較發育，構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2000年調查，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）入滲及農田灌溉水入滲等。另外，還有相互側向地下水徑流補給。根據1999年至2000年三門峽市水利局、河南省地質環境監測總站聯合調查，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，三門峽地區地熱水資源豐富，可選擇水熱型地熱能來發電。

2.3? 三門峽地區地熱能發電技術選擇

三門峽陜州區地熱流體以液態水的形式存在，因此不考慮地熱蒸氣發電，只考慮地熱水發電。地熱水發電有閃蒸地熱發電和聯合循環發電兩種方式，對這兩種發電方式進行分析對比。

（1） 單級閃蒸地熱發電系統計算

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為井水經閃蒸器轉換為的蒸汽溫度。根據閃蒸器的熱平衡得

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

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

（2） 聯合循環地熱發電系統計算

計算過程參看參考文獻[3]。雙工質循環最佳閃蒸溫度為

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

（3） 兩種發電形式的對比

采用閃蒸法發電，設備簡單，但設備尺寸大，容易腐蝕結垢，熱效率較低。聯合循環地熱發電從地熱水提取到發電，再到地熱水回灌，整個過程都是在全封閉的系統中運行，對環境無污染。地熱水全數回灌，延長了地熱田的使用壽命[4]。

表4為兩種發電形式在住宅小區內應用對比。

由表4可以看出，閃蒸地熱發電系統的發電量大，適用于中低溫地熱水發電方式。但是當地熱水溫度低且流量大時，為避免設備體積大，應采用聯合循環地熱發電系統[4]。三門峽地區地熱能發電技術可優先選擇閃蒸地熱發電系統，局部地區地熱水溫低且流量大時，可采用聯合循環地熱發電系統。

聯合循環發電設備已經國產化并成功運用。華北油田公司在陜西關中地區采用低溫聯合循環系統的機組進行地熱水發電。陜西關中地區地下1 000 m深水溫度40～45 ℃，2 000 m深水溫度70～75 ℃。機組參數：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。額定發電量360 kW，凈發電功量310 kW。關中地區地熱發電的成功應用對三門峽地區的地熱發電技術的應用具有參考意義。

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，再加上水的溫度、流速、壓力等因素的影響，會腐蝕管道和設備，也容易結垢，地熱發電后地熱水直接排入地表環境，會對地表環境造成嚴重影響。因此，地熱水回灌、腐蝕和結垢這三個技術難題阻礙了地熱發電技術的發展[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。解決地熱水結垢的問題，可用HCl和HF等溶解水垢;在地熱水與機組的循環水之間加鈦板換熱器，防止部件腐蝕和結垢，但成本高;輸送地熱水時維持一定的壓力，避免氣化，防止結垢;在管道內壁涂合適的材料，防止管道內壁的結垢。

3? 結束語

三門峽地區地熱水豐富，可選用閃蒸地熱發電系統和聯合循環地熱發電系統進行地熱能發電。目前三門峽地區地熱能的開發利用以淺層為主，隨著已建成地熱能供暖項目的順利運行，三門峽地區利用地熱能發電具有了可行性。由于地熱水具有較高的碳酸和鈣含量，在今后的開發利用過程中應注意地熱水回灌、腐蝕和結垢問題。在提倡節能減排的新形勢下，地熱能這種可再生且資源豐富的能源，必將在能源結構中發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-雙工質循環聯合地熱發電系統研究[J]. 太陽能學報，2009（3）：316-321.

[4] 高學偉，李楠，康慧. 地熱發電技術的發展現狀[J]. 電力勘測設計，2008（3）：59-62+80.