地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)在地區(qū)供暖中的應(yīng)用

屈高陽(yáng)

摘? 要： 以三門峽地區(qū)為例，分析了已建成地?zé)崮芄┡?xiàng)目中地?zé)崮艿睦们闆r，研究了地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)在三門峽地區(qū)應(yīng)用的可行性。通過(guò)單級(jí)閃蒸發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的分析和對(duì)比，選擇適合三門峽地區(qū)的地?zé)崮馨l(fā)電方式，分析了地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及提出了對(duì)策。

關(guān)鍵詞： 地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù); 地?zé)崮芄┡? 單級(jí)閃蒸發(fā)電; 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

中圖分類號(hào)： TM 616? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-2153（2019）01-0105-04

0? 引 言

地?zé)崮馨l(fā)電是利用地?zé)崮転閯?dòng)力源的一種新型發(fā)電技術(shù)：先將地?zé)崮苻D(zhuǎn)變成機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)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?zé)岚l(fā)電技術(shù)分為干蒸汽發(fā)電、閃蒸地?zé)岚l(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電[1]。

本文以三門峽地區(qū)為例，分析已建成地?zé)崮芄┡?xiàng)目中地?zé)崮艿睦们闆r，研究地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)在三門峽地區(qū)應(yīng)用的可行性。通過(guò)單級(jí)閃蒸發(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的分析和對(duì)比，選擇適合三門峽地區(qū)的地?zé)崮馨l(fā)電方式，分析了地?zé)崮馨l(fā)電的關(guān)鍵問(wèn)題及對(duì)策。

1? 地?zé)崮芄┡瘮?shù)據(jù)分析

三門峽陜州區(qū)溫塘地?zé)崴男纬墒艿刭|(zhì)構(gòu)造影響，南部徑流區(qū)崤山海拔為1 400 m，巖層裂隙發(fā)育，滲透性好，為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給區(qū)。區(qū)內(nèi)有深達(dá)3 000 m的深大斷裂、破碎和溶蝕程度較高的灰?guī)r形成熱儲(chǔ)水層，地?zé)崴谏嫌窟^(guò)程中經(jīng)過(guò)圍巖的增溫加熱，沿?cái)嗔焉嫌康牡責(zé)崴c淺部孔隙水混合而形成對(duì)流型熱儲(chǔ)層[2]。溫塘地?zé)崴裆?0 m，埋藏較淺。對(duì)熱源井水質(zhì)做全水質(zhì)化驗(yàn)，水質(zhì)達(dá)到優(yōu)質(zhì)礦泉水，碳十四同位素分析，測(cè)定地下水表觀年齡為2萬(wàn)年至3萬(wàn)年，對(duì)比水質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，確定地?zé)崴皇枪欧獯嫠?/p>

已建成運(yùn)行的5個(gè)地?zé)崮芄嵴?，熱源?眼，井深為740～1 520 m，總供熱能力為4萬(wàn)kW。其地?zé)崴畢?shù)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(jié)構(gòu)影響，各小區(qū)地?zé)崴?、水溫和出水量均不同。由?數(shù)據(jù)，可計(jì)算出從地?zé)崴刑崛〉臒崃恐怠?/p>

物質(zhì)吸收或放出的熱量利用公式為

式中：Q為地?zé)崴懦龅臒崃?c為水的比熱容，即每千克水升高或降低1℃時(shí)，所吸收或放出的熱量，通常取4.19（J/kg·℃）;m為地?zé)崴馁|(zhì)量;△t為地?zé)崴疁囟鹊淖兓?。把水的體積流量轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量m，計(jì)算出地?zé)崴畟鳠崃縌，地?zé)崴芰坷们闆r如表2所示。

地?zé)崴鏊孔罡邽?50 000 kg/h，最低為50 000 kg/h，平均為95 000 kg/h，即95 t/h。地?zé)崴畟鳠崃孔罡邽? 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(jīng)過(guò)河南省水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)院的地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，三門峽地區(qū)地?zé)崴Y源豐富，150 m深度，單井出水量可達(dá)85 t/h。因三門峽陜州區(qū)打井深度較深，所以地?zé)崴骄鏊?5 t/h符合地質(zhì)勘探報(bào)告相關(guān)內(nèi)容。

三門峽地區(qū)地?zé)崮芄┡?xiàng)目的正常運(yùn)行，為地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。下面將研究適合三門峽地區(qū)的地?zé)崮馨l(fā)電方式。

2? 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的分析及選擇

2.1? 地?zé)豳Y源的分類

地?zé)豳Y源可分為淺層地?zé)崮?、水熱型地?zé)崮芎透蔁釒r型地?zé)崮苋N類型，如表3所示。由表3可以看出，淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵?00 m范圍內(nèi)具備開發(fā)利用價(jià)值的溫度小于25 ℃的低溫地?zé)豳Y源。水熱型地?zé)豳Y源是指較深的地下水或蒸汽中的地?zé)豳Y源，開發(fā)利用較多。干熱巖又稱增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，或工程型地?zé)嵯到y(tǒng)，指埋深數(shù)千米，溫度大于200 ℃，內(nèi)部?jī)H有少量地?zé)崃黧w或不存在流體的高溫巖體[1]。

2.2? 三門峽地區(qū)的地?zé)崮苜Y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(nèi)基底深大斷裂較發(fā)育，構(gòu)成地殼深處地?zé)崮苌仙耐ǖ?。深部地?zé)崃黧w與上部冷水對(duì)流混合形成地?zé)崴疅崃黧w，在斷裂破碎帶形成地?zé)岙惓2]。三門峽地區(qū)熱盆≥65 W/m2，地?zé)豳Y源較好。地?zé)崴鏊疁囟?6～70 ℃，屬于水熱型低溫地?zé)崮堋?/p>

據(jù)2000年調(diào)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(shù)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(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水，其次為地表水體（河流、水庫(kù)）入滲及農(nóng)田灌溉水入滲等。另外，還有相互側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給。根據(jù)1999年至2000年三門峽市水利局、河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站聯(lián)合調(diào)查，三門峽市多年平均地下水可開采量為6 182.43萬(wàn)m3。

綜上所述，三門峽地區(qū)地?zé)崴Y源豐富，可選擇水熱型地?zé)崮軄?lái)發(fā)電。

2.3? 三門峽地區(qū)地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)選擇

三門峽陜州區(qū)地?zé)崃黧w以液態(tài)水的形式存在，因此不考慮地?zé)嵴魵獍l(fā)電，只考慮地?zé)崴l(fā)電。地?zé)崴l(fā)電有閃蒸地?zé)岚l(fā)電和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電兩種方式，對(duì)這兩種發(fā)電方式進(jìn)行分析對(duì)比。

（1） 單級(jí)閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)計(jì)算

計(jì)算過(guò)程參看參考文獻(xiàn)[3]。單級(jí)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(jīng)閃蒸器轉(zhuǎn)換為的蒸汽溫度。根據(jù)閃蒸器的熱平衡得

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

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

（2） 聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)計(jì)算

計(jì)算過(guò)程參看參考文獻(xiàn)[3]。雙工質(zhì)循環(huán)最佳閃蒸溫度為

經(jīng)計(jì)算得Ne=18 kWh/t，即每噸水每小時(shí)凈發(fā)電量為18 kW。相對(duì)于每噸水的傳熱量2126 kW，熱轉(zhuǎn)化為電的轉(zhuǎn)化率為0.8%。

（3） 兩種發(fā)電形式的對(duì)比

采用閃蒸法發(fā)電，設(shè)備簡(jiǎn)單，但設(shè)備尺寸大，容易腐蝕結(jié)垢，熱效率較低。聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電從地?zé)崴崛〉桨l(fā)電，再到地?zé)崴毓?，整個(gè)過(guò)程都是在全封閉的系統(tǒng)中運(yùn)行，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。地?zé)崴珨?shù)回灌，延長(zhǎng)了地?zé)崽锏氖褂脡勖黐4]。

表4為兩種發(fā)電形式在住宅小區(qū)內(nèi)應(yīng)用對(duì)比。

由表4可以看出，閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大，適用于中低溫地?zé)崴l(fā)電方式。但是當(dāng)?shù)責(zé)崴疁囟鹊颓伊髁看髸r(shí)，為避免設(shè)備體積大，應(yīng)采用聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)[4]。三門峽地區(qū)地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)可優(yōu)先選擇閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，局部地區(qū)地?zé)崴疁氐颓伊髁看髸r(shí)，可采用聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化并成功運(yùn)用。華北油田公司在陜西關(guān)中地區(qū)采用低溫聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的機(jī)組進(jìn)行地?zé)崴l(fā)電。陜西關(guān)中地區(qū)地下1 000 m深水溫度40～45 ℃，2 000 m深水溫度70～75 ℃。機(jī)組參數(shù)：進(jìn)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(fā)電量360 kW，凈發(fā)電功量310 kW。關(guān)中地區(qū)地?zé)岚l(fā)電的成功應(yīng)用對(duì)三門峽地區(qū)的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的應(yīng)用具有參考意義。

2.4? 存在的問(wèn)題及對(duì)策

地?zé)崴泻写罅坑卸镜母g性物質(zhì)，再加上水的溫度、流速、壓力等因素的影響，會(huì)腐蝕管道和設(shè)備，也容易結(jié)垢，地?zé)岚l(fā)電后地?zé)崴苯优湃氲乇憝h(huán)境，會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，地?zé)崴毓?、腐蝕和結(jié)垢這三個(gè)技術(shù)難題阻礙了地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的發(fā)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?zé)崴毓鄦?wèn)題。針對(duì)地?zé)崴g的問(wèn)題，可使用耐腐蝕的管材和設(shè)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(huì)加速腐蝕。解決地?zé)崴Y(jié)垢的問(wèn)題，可用HCl和HF等溶解水垢;在地?zé)崴c機(jī)組的循環(huán)水之間加鈦板換熱器，防止部件腐蝕和結(jié)垢，但成本高;輸送地?zé)崴畷r(shí)維持一定的壓力，避免氣化，防止結(jié)垢;在管道內(nèi)壁涂合適的材料，防止管道內(nèi)壁的結(jié)垢。

3? 結(jié)束語(yǔ)

三門峽地區(qū)地?zé)崴S富，可選用閃蒸地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行地?zé)崮馨l(fā)電。目前三門峽地區(qū)地?zé)崮艿拈_發(fā)利用以淺層為主，隨著已建成地?zé)崮芄┡?xiàng)目的順利運(yùn)行，三門峽地區(qū)利用地?zé)崮馨l(fā)電具有了可行性。由于地?zé)崴哂休^高的碳酸和鈣含量，在今后的開發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)注意地?zé)崴毓唷⒏g和結(jié)垢問(wèn)題。在提倡節(jié)能減排的新形勢(shì)下，地?zé)崮苓@種可再生且資源豐富的能源，必將在能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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