概述
地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。目前开发的地热资源主要是蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。
地热蒸汽发电有一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。二次蒸汽法有两种含义，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。第二种含义是，将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。
地热水中的水，按常规发电方法是不能直接送入汽轮机去做功的，必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。目前对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电，有两种方法：一是减压扩容法。利用抽真空装置，使进入扩容器的地下热水减压汽化，产生低于当地大气压力的扩容蒸汽然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功，这种系统称“闪蒸系统”。低压蒸汽的比容很大，因而使气轮机的单机容量受到很大的限制。但运行过程中比较安全。另一种是利用低沸点物质，如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质，地下热水通过换热器加热，使低沸点物质迅速气化，利用所产生气体进入发电机做功，做功后的工质从汽轮机排入凝汽器，并在其中经冷却系统降温，又重新凝结成液态工质后再循环使用。这种方法称“中间工质法”，这种系统称“双流系统”或“双工质发电系统”。这种发电方式安全性较差，如果发电系统的封闭稍有泄漏，工质逸出后很容易发生事故。
20世纪90年代中期，以色列奥玛特（Ormat）公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统，该机组已经在世界一些国家安装运行，效果很好。
联合循环地热发电系统的最大优点是，可以适用于大于150℃的高温地热流体（包括热卤水）发电，经过一次发电后的流体，在并不低于120℃的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，这就是充分利用了地热流体的热能，既提高发电的效率，又能将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大地节约了资源。
地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能。地热发电的过程，就是把地下热能首先转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的过程。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
目前,绝大多数的地热发电项目是通过钻井抽取地下的地热流体作为高温热源进行发电,经过发电后的地热流体再灌回地下. 一般,从井口流出的地热流体存在3 种状态:干蒸汽、以蒸汽为主或者以水为主的汽水混合物以及热水. 根据地热流体的性质,有4 种热力系统可供选择:干蒸汽热力系统(图1(a) ) 、一次闪蒸蒸汽热力系统(图1 (b) ) 、二次闪蒸蒸汽热力系统(图1 (c) ) 和双工质热力系统(图1 (d) ) .
技术原理
1. 热储工程技术
地热电站规模大小主要与地热田的发电潜力有关. 在开发阶段,既要保证有足够的地热流体使机组启动满发,又要避免过度开采造成机组出力不足,因此需要对地热田进行深入研究. 可以通过一些指标来评估地热田的实际情况,比如地热流体的成分、井底压力和温度、井口压力和温度以及渗透性等,但对地热田内部变化和未来预测,则需要通过热储工程技术建立热储模型来进行分析.首先根据地热储存条件、地热热源分析、热传递机理和地热流体运移等方面建立数学概念模型;然后根据地质勘探和测量、试验井的测量和物探结果来修正概念模型,获得热储系统模型,并根据此模型预测深部热储温度场、压力场和化学场在地热开发条件下的变化趋势,评估地热田潜力,确定生产井和回灌井的数量和位置以及回灌对热田的影响. 生产井和回灌井建成后,要根据试验数据进一步修正热储模型,建立地热田管理模型,并以此作为今后扩建和优化开发的基础.
2. 地热流体采集系统的设计
通常有多口生产井,因此需要把各生产井连接起来,然后把分离后的蒸汽输送到汽轮机. 在生产井与汽轮发电机组之间的这个庞大部分被称为地热流体采集系统,主要涉及到井口装置选型、管网设计、汽水分离器设计、消声器设计以及自动疏水器配置等内容.
一般,地热井和地热电站都相距较远,从生产井流出的地热流体大多是低参数两相流,生产井的井口参数可能会有较大差异,这些均是地热流体采集系统设计所需要考虑的重要因素.
3. 地热电站的选型技术
前面已经提到,世界地热电站主要有4 种类型.据统计,世界地热电站总装机容量的90 %都是蒸汽系统,其余10 %基本上是双工质系统.选择地热电站的类型非常重要,它会影响地热流体采集系统的设计、汽轮机进汽参数的选择、地热设备的选型、回灌系统设计以及辅助系统设计等. 地热电站的设计基准数据包括井口温度和压力、井口流量、蒸汽和热水质量比、生产井特性曲线、不凝结气体含量和化学分析等. 除了选择单独的热力系统之外,也可以考虑联合循环系统,即在高温循环时采用一次闪蒸蒸汽热力系统,而在低温循环时则采用双工质热力系统.
4. 地热电站的类型
按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
（1）蒸汽型地热发电 蒸汽型地热发电是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。
（2）热水型地热发电 热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统：
a、闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注人地层。
b、双循环系统。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注人地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。
国内发展和应用现状
由于中国地热资源大多以低温为主,仅在西藏、云南和台湾存在中、高温地热资源. 上世纪70 年代,为解决西藏缺电问题,国家投资开发浅层中、低温地热资源,相继建成羊八井、郎久和那曲3 座地热电站,总装机容量为28. 18 MW. 西藏羊八井地热电站建有7 台3 MW 二级扩容循环机组,1 台3. 18 MW进口机组和1 台1 MW 单级扩容循环机组[4 ] . 郎久地热电站和那曲地热电站已关闭. 随着国家在西藏地热资源方面的投资减少,目前尚未有新的地热电站兴建. 在上世纪90 年代,开展了回灌工程,有效地稳定了地热发电量. 羊八井地热电站为当地经济发展做出了巨大贡献. 在2008 年,西藏羊八井地热电站利用1 口高温地热井进行了增容发电.我国台湾省建有2 座地热试验电站,目前也已关闭. 云南腾冲的热海地热田温度高达260 ℃以上,但至今尚未开发利用.。
国外发展和应用现状
美国是世界上地热发电规模最大的国家,总装机容量达到2 687 MW. 美国最大的地热电站是Geysers 电站, 利用干蒸汽发电, 现有装机容量1 421 MW. 2008 年8 月,美国地热协会声称美国地热发电将新增装机容量4 000 MW.
意大利早在1904 年就利用干地热蒸汽进行了发电试验,是世界上最早进行地热发电的国家,目前总装机容量已达810 MW. 2007 年,意大利政府批准新增100 MW 地热发电机组.
新西兰是最早利用中、低温地热资源进行发电的国家,目前总装机容量为472 MW. Wairakei 地热电厂运行已超过50 年, 运行地热机组容量已达147 MW.
菲律宾拥有丰富的地热资源,目前的总装机容量为1 971 MW ,计划在2010～2014 年间新增装机容量800 MW.
印度尼西亚地热资源极其丰富,地热能发电潜力居世界第一. 目前,印度尼西亚地热发电总装机容量达到992 MW. 在签署了京都议定书后,印度尼西亚政府计划在2009～2018 年新建总装机容量为6 867 MW的地热发电机组,以此来缓解国内严重的缺电问题.
供应商信息
安平县龙马五金丝网制品有限公司
天津市华源高压管材销售有限公司
沈阳乐金智佳暖通工程有限公司沈阳电地热公司
经典案例
1977 年在西藏羊八井建立第一个高温地热发电机组,装机容量为1MW ,到1994 年总装机容量为25. 18MW ,电力全部供给拉萨市,占拉萨市总需电量的40 %。1996 年在羊八井打出高温高产地热井, 可建1 个10MW 发电机组。最近拟在云南腾冲热海地热田建1 个10MW 的地热电站,前期工作正在进行中。
参考文献
[1]周支柱.地热能发电的工程技术[J].动力工程，2009，（12）：1160—1163,1174.
[2]王贵玲，张发旺，刘志明. 国内外地热能开发利用现状及前景分析[J]. 地球学报，2000，21（2）：134—139.
[3]雷群，王红岩，魏伟. 油气田地热开发前景潜力分析[J]. 天然气工业，2008，28（12）：127—129.
[4]周洁我国浅层地热能开发利用浅析[A]. 2008年山西省可再生能源开发利用研讨会论文集［C］.太原：中国可再生能源学会,中国能源研究会,中国沼气协会,山西省能源研究会，2008.108¬—112.
