地热能发电技术简介

1.背压式汽轮机发电系统

最简单的地热蒸汽发电,是采用背压式汽轮机发电系统,如图7.3所示。其工作原理是：首先把饱和或过热蒸汽从蒸汽井中引出,再加以净化,经过分离器分离出所含的固体杂质,然后就可把纯净蒸汽送入汽轮机做功,由汽轮机驱动发电机发电。蒸汽做功后可直接排入大气,也可用于工业生产中的加热过程。这种系统,大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合,或者综合利用排汽于生产和生活场合。

图7.3　背压式地热发电系统示意图

2.闪蒸系统地热发电

此种系统的发电方式不论地热资源是湿蒸汽田还是热水层,都是直接利用地下热水所产生的蒸汽来推动汽轮机做功的。在101.325k Pa下,水在100℃沸腾。如果气压降低,水的沸点也相应地降低。50.663k Pa时,水的沸点降到81℃；20.265k Pa时,水的沸点为60℃；而在3.04k Pa时,水在24℃就沸腾。

根据水的沸点和压力之间的这种关系,就可以把100℃以下的地下热水送入一个密闭的容器中抽气降压,使温度不太高的地下热水因气压降低而沸腾,变成蒸汽。由于热水降压蒸发的速度很快,是一种闪急蒸发过程,同时热水蒸发产生蒸汽时它的体积要迅速扩大,所以这个容器就称为闪蒸器或扩容器。用这种方法来产生蒸汽的发电系统,称为闪蒸法地热发电系统,或者称为扩容法地热发电系统。它又可以分为单级闪蒸法发电系统、两级闪蒸法发电系统和全流法发电系统等。

两级闪蒸法发电系统,可比单级闪蒸法发电系统增加发电能力15%～20%；全流法发电系统,可比单级闪蒸法和两级闪蒸法发电系统的单位净输出功率分别提高60%和30%左右。采用闪蒸法的地热电站,基本上是沿用火力发电厂的技术,即将地下热水送入减压设备扩容器中,产生低压水蒸气,再进入汽轮机做功。在热水温度低于100℃时,全热力系统处于负压状态。这种电站设备简单,易于制造,可以采用混合式热交换器；缺点是设备尺寸大,容易腐蚀结垢,热效率较低。由于系统直接以地下水蒸气为工质,因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。(www.xing528.com)

3.凝汽式汽轮机发电系统

为提高地热电站的机组出力和发电效率,通常采用凝汽式汽轮机发电系统,如图7.4所示。在该系统中,由于蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力,因而能做更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器,并在其中被循环水泵泵入冷却水冷却后凝结成水。在凝汽器中,为保持很低的冷凝压力,即真空状态,因此设有两台射汽抽气器来抽气,把由地热蒸汽带来的各种不凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。

图7.4　凝汽式地热发电系统示意图

4.双工质地热发电

双工质地热发电是20世纪60年代以来在国际上兴起的一种地热发电新技术。这种发电方式不是直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机做功,而是通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质,使之变为蒸汽,然后以此蒸汽去推动汽轮机并带动发电机发电。在这种发电系统中,采用两种流体：一种是采用地热流体做热源；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质来完成将地下热水的热能转变为机械能。

常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷等。在常压下,水的沸点为100℃,而低沸点的工质在常压下的沸点要比水的沸点低得多。例如,氯乙烷在常压下的沸点12.4℃,正丁烷为-0.5℃,异丁烷为-11.7℃。这些低沸点工质的沸点与压力之间存在着严格的对应关系。例如,异丁烷在425.565k Pa时沸点为32℃,在91.925k Pa时为60.9℃；氯乙烷在101.25k Pa时为12.4℃,162.12k Pa时为25℃,354.638k Pa时为50℃,445.83k Pa时为60℃。根据低沸点工质的这种特点,就可以用100℃以下的地下热水加热低沸点工质,使它产生具有较高压力的蒸汽来推动汽轮机做功。这些蒸汽在冷凝器中凝结后,用泵把低沸点工质重新送回热交换器,以循环使用。这种发电方法的优点是：利用低温度热能的热效率较高,设备紧凑,汽轮机的尺寸小,易于适应化学成分比较复杂的地下热水。缺点是：不像扩容法那样可以方便地使用混合式蒸发器和冷凝器；大部分低沸点工质传热性都比水差,采用此方式需有相当大的金属换热面积；低沸点工质价格较高,有些低沸点工质还有易燃、易爆、有毒、不稳定、对金属有腐蚀等特性。此种系统又可分为单级双工质地热发电系统、两级双工质地热发电系统和闪蒸与双工质两级串联发电系统等。

单级双工质发电系统发电后的热排水还有很高的温度,可达50～60℃。两级双工质地热发电系统,是利用排水中的热量再次发电的系统。采用两级利用方案,各级蒸发器中的蒸发压力要综合考虑,选择最佳数值。如果这些数值选择合理,那么在地下热水的水量和温度一定的情况下,一般可提高发电量20%左右。这一系统的优点是能更充分地利用地下热水的热量,降低电的热水消耗率；缺点是增加了设备的投资和运行的复杂性。