地热能发电技术在地区供暖中的应用

屈高阳

摘  要： 以三门峡地区为例，分析了已建成地热能供暖项目中地热能的利用情况，研究了地热能发电技术在三门峡地区应用的可行性。通过单级闪蒸发电和联合循环发电两种地热能发电技术的分析和对比，选择适合三门峡地区的地热能发电方式，分析了地热能发电技术应用中存在的问题及提出了对策。

关键词： 地热能发电技术; 地热能供暖; 单级闪蒸发电; 联合循环发电

中图分类号： TM 616          文献标志码： A          文章编号： 1671-2153（2019）01-0105-04

0  引 言

地热能发电是利用地热能为动力源的一种新型发电技术：先将地热能转变成机械能，机械能再转变成电能。按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，可将地热发电技术分为干蒸汽发电、闪蒸地热发电和联合循环发电[1]。

本文以三门峡地区为例，分析已建成地热能供暖项目中地热能的利用情况，研究地热能发电技术在三门峡地区应用的可行性。通过单级闪蒸发电和联合循环发电两种地热能发电技术的分析和对比，选择适合三门峡地区的地热能发电方式，分析了地热能发电的关键问题及对策。

1  地热能供暖数据分析

三门峡陕州区温塘地热水的形成受地质构造影响，南部径流区崤山海拔为1 400 m，岩层裂隙发育，渗透性好，为地热水的主要补给区。区内有深达3 000 m的深大断裂、破碎和溶蚀程度较高的灰岩形成热储水层，地热水在上涌过程中经过围岩的增温加热，沿断裂上涌的地热水与浅部孔隙水混合而形成对流型热储层[2]。温塘地热水埋深20 m，埋藏较浅。对热源井水质做全水质化验，水质达到优质矿泉水，碳十四同位素分析，测定地下水表观年龄为2万年至3万年，对比水质化验报告，确定地热水不是古封存水。

已建成运行的5个地热能供热站，热源井9眼，井深为740～1 520 m，总供热能力为4万kW。其地热水参数如表1所示。

表1中，出水量为供暖需求用水量，并非最大出水量。受地型结构影响，各小区地热水水位、水温和出水量均不同。由表1数据，可计算出从地热水中提取的热量值。

物质吸收或放出的热量利用公式为

式中：Q为地热水放出的热量;c为水的比热容，即每千克水升高或降低1℃时，所吸收或放出的热量，通常取4.19（J/kg·℃）;m为地热水的质量;△t为地热水温度的变化量。把水的体积流量转化为质量流量m，计算出地热水传热量Q，地热水能量利用情况如表2所示。

地热水出水量最高为150 000 kg/h，最低为50 000 kg/h，平均为95 000 kg/h，即95 t/h。地热水传热量最高为3 637 J/kg，最低为1 396 J/kg，平均传热量为2 126 J/kg，即2 126 kJ/t。經过河南省水文地质勘察设计院的地质勘探报告显示，三门峡地区地热水资源丰富，150 m深度，单井出水量可达85 t/h。因三门峡陕州区打井深度较深，所以地热水平均出水量95 t/h符合地质勘探报告相关内容。

三门峡地区地热能供暖项目的正常运行，为地热能发电技术的应用提供了数据支撑。下面将研究适合三门峡地区的地热能发电方式。

2  地热发电技术的分析及选择

2.1  地热资源的分类

地热资源可分为浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能三种类型，如表3所示。由表3可以看出，浅层地热能是指地表以下200 m范围内具备开发利用价值的温度小于25 ℃的低温地热资源。水热型地热资源是指较深的地下水或蒸汽中的地热资源，开发利用较多。干热岩又称增强型地热系统，或工程型地热系统，指埋深数千米，温度大于200 ℃，内部仅有少量地热流体或不存在流体的高温岩体[1]。

2.2  三门峡地区的地热能资源

三门峡盆地位于汾渭地堑盆地东南缘、小秦岭背斜东段北翼。盆地内基底深大断裂较发育，构成地壳深处地热能上升的通道。深部地热流体与上部冷水对流混合形成地热水热流体，在断裂破碎带形成地热异常[2]。三门峡地区热盆≥65 W/m2，地热资源较好。地热水出水温度46～70 ℃，属于水热型低温地热能。

据2000年调查，三门峡市多年平均地表水径流量为16.181 亿m3，多年平均径流深为157.9 mm，径流系数0.23，水量较为充足。三门峡市人均占有地表水资源量754.01 m3，亩均占有量669.05 m3，占全省人均占有量的173.2%、亩均占有量的228.9%。三门峡市地下水补给来源主要是大气降水，其次为地表水体（河流、水库）入渗及农田灌溉水入渗等。另外，还有相互侧向地下水径流补给。根据1999年至2000年三门峡市水利局、河南省地质环境监测总站联合调查，三门峡市多年平均地下水可开采量为6 182.43万m3。

综上所述，三门峡地区地热水资源丰富，可选择水热型地热能来发电。

2.3  三门峡地区地热能发电技术选择

三门峡陕州区地热流体以液态水的形式存在，因此不考虑地热蒸气发电，只考虑地热水发电。地热水发电有闪蒸地热发电和联合循环发电两种方式，对这两种发电方式进行分析对比。

（1） 单级闪蒸地热发电系统计算

计算过程参看参考文献[3]。单级闪蒸最佳闪蒸温度为

式中：t1为最佳闪蒸温度;Th为井水水温;Tc为井水经闪蒸器转换为的蒸汽温度。根据闪蒸器的热平衡得

式中：qm1为单位质量井水经闪蒸器转换为蒸汽的热量;qm为单位质量井水的热量;hh为井水的焓值;h1′为井水经闪蒸器后转换为饱和水的焓值;h1″为井水经闪蒸器后转换为饱和水蒸汽的焓值。每吨水净发电量为

式中：h2=h3+Tc（s1′-s3）;X=Pc/P;Pnet=P-Pc=P（1-X）。计算时设X=0.25，ηoiηmηg=0.76×0.98×0.97=0.722，井水出水量m1=95 t/h。经计算得Ne=46 kWh/t，即每吨水每小时净发电量为46 kW。相对于每吨水的传热量2 126 kW，热转化为电的转化率为2.1%。

（2） 联合循环地热发电系统计算

计算过程参看参考文献[3]。双工质循环最佳闪蒸温度为

经计算得Ne=18 kWh/t，即每吨水每小时净发电量为18 kW。相对于每吨水的传热量2126 kW，热转化为电的转化率为0.8%。

（3） 两种发电形式的对比

采用闪蒸法发电，设备简单，但设备尺寸大，容易腐蚀结垢，热效率较低。联合循环地热发电从地热水提取到发电，再到地热水回灌，整个过程都是在全封闭的系统中运行，对环境无污染。地热水全数回灌，延长了地热田的使用寿命[4]。

表4为两种发电形式在住宅小区内应用对比。

由表4可以看出，闪蒸地热发电系统的发电量大，适用于中低温地热水发电方式。但是当地热水温度低且流量大时，为避免设备体积大，应采用联合循环地热发电系统[4]。三门峡地区地热能发电技术可优先选择闪蒸地热发电系统，局部地区地热水温低且流量大时，可采用联合循环地热发电系统。

联合循环发电设备已经国产化并成功运用。华北油田公司在陕西关中地区采用低温联合循环系统的机组进行地热水发电。陕西关中地区地下1 000 m深水温度40～45 ℃，2 000 m深水温度70～75 ℃。机组参数：进汽压力0.52 MPa，温度82 ℃，排汽压力0.17 MPa，温度42 ℃，蒸汽流量106 t/h。额定发电量360 kW，净发电功量310 kW。关中地区地热发电的成功应用对三门峡地区的地热发电技术的应用具有参考意义。

2.4  存在的问题及對策

地热水中含有大量有毒的腐蚀性物质，再加上水的温度、流速、压力等因素的影响，会腐蚀管道和设备，也容易结垢，地热发电后地热水直接排入地表环境，会对地表环境造成严重影响。因此，地热水回灌、腐蚀和结垢这三个技术难题阻碍了地热发电技术的发展[4]。

在解决方法上，采用重力回灌，压力回灌和真空回灌等方式，可解决地热水回灌问题。针对地热水腐蚀的问题，可使用耐腐蚀的管材和设备，成本较高;也可在金属表面涂防腐涂料，但涂层一旦划破，会加速腐蚀。解决地热水结垢的问题，可用HCl和HF等溶解水垢;在地热水与机组的循环水之间加钛板换热器，防止部件腐蚀和结垢，但成本高;输送地热水时维持一定的压力，避免气化，防止结垢;在管道内壁涂合适的材料，防止管道内壁的结垢。

3  结束语

三门峡地区地热水丰富，可选用闪蒸地热发电系统和联合循环地热发电系统进行地热能发电。目前三门峡地区地热能的开发利用以浅层为主，随着已建成地热能供暖项目的顺利运行，三门峡地区利用地热能发电具有了可行性。由于地热水具有较高的碳酸和钙含量，在今后的开发利用过程中应注意地热水回灌、腐蚀和结垢问题。在提倡节能减排的新形势下，地热能这种可再生且资源丰富的能源，必将在能源结构中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1] 周总瑛，刘世良，刘金侠. 中国地热资源特点与发展对策[J]. 自然资源学报，2015（7）：1210-1220.

[2] 张古彬，王现国，罗新杰. 三门峡盆地地下热水形成条件分析及保护研究[J]. 人民黄河，2011（7）：81-82+86.

[3] 吴治坚，龚宇烈，马伟斌，等. 闪蒸-双工质循环联合地热发电系统研究[J]. 太阳能学报，2009（3）：316-321.

[4] 高学伟，李楠，康慧. 地热发电技术的发展现状[J]. 电力勘测设计，2008（3）：59-62+80.