热力发电原理图解(新能源发电方式：地热发电-地大热能)

Posted 2023-06-02

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热力发电原理图解(新能源发电方式：地热发电-地大热能)

地热能来源于地球内部铀、钍和钾等天然放射性同位素衰变产生的大量热量，这些热量通过火山喷发、温泉、地下水等载体传递到地表。每年由地球内部输送至地表的热能相当于280亿吨标准煤，由于其具有储量大、分布广以及清洁环保和稳定可靠等诸多优点而得到了广泛利用，目前全球有超过88个国家和地区利用地热能进行发电和供暖。2020年，我国首次提出要在2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”，要实现该目标，清洁能源是不可忽视的一部分。

我国水热型地热资源折合标准煤1.25万亿吨，年可开采资源量折合18.65亿吨标准煤，按热传递方式可分为对流型水热系统、传导型水热系统以及传导-对流复合水热系统，按温度可分为高温地热（150℃）、中低温地热（<150℃）。水热型中低温地热资源主要分布在我国华北平原、松辽盆地、四川盆地、胶东半岛、辽东半岛等地区，年可开采量折合标准煤18.5亿吨，主要用于供暖、旅游、工业干燥等；高温水热型地热能主要分布在我国藏南、滇西、川西等西南地区，年可开采量折合标准煤0.18亿吨，主要用于发电和工业利用。

干热岩是指地表深处3～10km处不含水或含水少的高温岩体，主要是各种孔隙度低且裂隙渗透性能差的变质岩或结晶岩，因此需要人工压裂形成地热储层才能进行开采和利用，温度范围150℃～650℃。我国埋深不超过10000 m的干热岩基础资源量可折合856万亿吨标准煤，主要分布在西藏、云南、广东、福建等地区。

新能源发电方式：地热发电-地大热能

地热发电系统

闪蒸发电系统

闪蒸发电系统又称减压扩容发电系统，通过利用不同压力下水的沸点不同的原理将低压下地热水由液态转变为气态。其工作过程如图2(a）所示，从地热井开采出具有一定压力的汽水混合物通过管道输送至闪蒸器进行降压扩容，经扩容后的水通过管道回灌至地下，扩容后的蒸气经过除湿器除湿后经管道送入汽轮机做功，汽轮机排出的乏气经过冷凝器冷凝后输送至回灌井回灌至地下。根据地热水通过闪蒸器的次数不同可将其分为单级闪蒸系统和二级闪蒸系统。其中二级闪蒸系统是基于单级闪蒸系统的改进，其工作原理如图2(b）所示，通过将扩容后的水再次送入闪蒸器进行二次闪蒸扩容，扩容产生的蒸汽送入汽轮机低压端继续做功发电。

新能源发电方式：地热发电-地大热能

闪蒸发电系统是地热发电最常用的发电系统，该发电系统在正常运行时，分离出的卤水包含有一些高浓度溶解性矿物质，若是与地表或地下水混合会产生较为严重的水污染，二级闪蒸发电站废弃卤水浓度一般比单级闪蒸电站更高。为防止水污染需要将废水进行回灌，回灌能够有效恢复储层中的流体，也能维持储层的压力。单级闪蒸发电系统结构简单，便于制造，但是转换效率低；二级闪蒸发电系统设备复杂，但转换效率在相同热源条件下相比单级闪蒸可以提高20%～30%，使用单级还是二级闪蒸发电系统取决于地热资源特性、地热电站经济性和设备损耗性等因素。

干蒸汽发电系统

干蒸汽发电系统是指从地下开采出来的地热流体以干蒸汽为主的发电系统。其工作原理如图3所示，首先将地热井抽出的干蒸汽通过净化分离器过滤掉直径较大的固体颗粒，然后送入汽轮机进行做功发电，最后由汽轮机排出的乏汽经过冷凝器、冷却塔回灌至地下，其所用设备与常规火力发电厂相同。该发电系统主要针对参数较高的干蒸汽地热田，具有安全可靠，对环境影响小等优点，一般适用于高温地热能。比较图2和图3可以看出，干蒸汽发电系统与闪蒸发电系统非常相似，不同之处在于干蒸汽发电系统使用净化分离器代替了闪蒸器，发电过程仅使用蒸汽，不产生任何含矿物质的卤水，因此对环境造成的影响低于闪蒸发电系统。目前，全球共有63座干蒸汽地热发电站，主要集中在美国、意大利和日本等国家，装机容量约占全球地热总装机容量的22%。

新能源发电方式：地热发电-地大热能

双工质发电系统

双工质循环发电系统采用低沸点有机工质作为循环工质，地热水不直接参与热力循环循环中，按照循环工质的不同又可分为有机朗肯循环系统（organic Rankine cycle,ORC）和Kalina发电系统。ORC发电系统是采用低沸点有机工质，如卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCS)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)、有机氧化物和环状有机化合物等。工作原理如图4所示，低沸点有机工质通过换热器与地热流体进行热量交换完成预热和蒸发，再通过汽轮机做功发电，最后通过冷凝器冷凝后经工质泵回到换热器完成循环。低沸点有机工质多数属于易燃易爆品，对设备密封性要求更高。

Kalina循环采用氨水混合物作为循环工质，在较低温度下会蒸发出氨气使得循环溶液中氨水混合物组分产生改变，导致沸点温度变化。氨水混合物在蒸发器中与地热水进行热量交换，产生气液混合物后进入分离器气液分离，分离出的饱和氨蒸气送入汽轮机膨胀做功，驱动发电机发电；分离出来的氨水送入回热器回收热量。汽轮机排出的乏气送入冷凝器凝结成氨水，在通过工质泵送入蒸发器进行再次循环。

双工质发电系统在地热发电中应用广泛，具有设备紧凑、汽轮机尺寸小、运营成本低等优点。当地热储层温度较低时使用闪蒸发电系统投入大、效率低，双工质发电系统不仅可以利用85℃～170℃的地热流体，而且在循环过程中，由于地热流体与电力生产设备之间没有直接接触，所以可以有效防止发电设备腐蚀结垢。该发电系统能够利用中低温地热资源的低品位能源，推动汽轮机做功发电，合理利用中低温地热资源。

新能源发电方式：地热发电-地大热能

增强型地热系统

增强型地热系统（Enhanced Geothermal Systems,EGS）指通过水力压裂等技术手段在岩石中建造裂隙，形成岩石与流体的换热空间，完成人工地热储层的建造，一般应用于干热岩地热资源。EGS发电过程是通过注水井将冷水加压建造人工热储，冷水渗透岩层裂缝与高温岩体接触吸收热量，再由生产井将热水或水蒸气提取至地面，通过换热器完成换热。我国干热岩资源丰富，但目前仅停留在勘探开发阶段。

2015年5月，中国地质调查局组织在福建漳州实施了我国首个干热岩科学钻井，这标志着我国国家级干热岩实践正式拉开序幕。2017年，河北煤田地质局水文地质队实施了干热岩预查项目，钻井井深4000 m，温度为110℃。随后，我国在青海共和盆地3705米深处成功钻获236℃高温干热岩，有望在2035年成功建设一到两个干热岩示范工程，实现干热岩发电。2021年6月河北省唐山市马头营凸起区干热岩开发关键技术研究与示范项目实现了干热岩试验性发电，这是我国首次实现干热岩试验性发电。

近年来，我国地热能利用方式主要以直接利用为主，随着地热发电关键技术不断突破，地热开发利用逐渐向地热发电方向延伸。地热发电就是将地下热能提取出来转换成可供使用的电能，在发电过程中几乎零排放，相比火力发电、水力发电更具有竞争力。结合我国地热资源分布来看，分布在地中海-喜马拉雅山地热带上的四川、云南、西藏等地是高温地热资源主要分布地区，具有非常大的发电潜力；随着中低温地热发电在技术手段和设备研发取得突破，利用中低热地热资源发电持续增长；我国干热岩资源丰富，利用干热岩发电目前还在研发阶段，与西方国家相比发展缓慢。中低温地热发电以及增强型地热发电系统关键技术突破，将加快地热资源的开发利用，为构建我国清洁低碳、安全高效的现代能源体系作出贡献。