低溫地熱

低溫地熱是指低於150℃的貯存在地球內部的可再生熱能。其利用方式主要分為低溫地熱發電和直接利用，可以直接用於採暖、工農業加溫、水產養殖及醫療和洗浴等。截止1990年底，世界地熱資源開發利用於發電的總裝機容量為588萬千瓦，地熱水的低溫直接利用約相當於1137萬千瓦，我國地熱資源以低溫熱水型地熱田為主。詳細介紹了低溫地熱的適用範圍、低溫地熱發電、低溫地熱直接利用、低溫地熱的社會、經濟及環境效益以及低溫地熱利用的特點。

基本介紹

• 中文名：低溫地熱
• 外文名：Low temperature geothermal
• 利用方式：發電、直接利用
• 類型：清潔能源、可再生能源
• 領域：能源
• 學科：熱力學

基本介紹

取暖是寒冷地區僅次於吃的人們第二需要;熱水供應是南方、北方一年四季生活都需要的、是正在逐年增長需求的公用事業,它們都是能耗大戶。我國傳統取暖和生活熱水依靠燃煤小爐子、現在發展的區域鍋爐房和熱電站集中供熱,困難也很多。燃煤污染大氣,燃煤把高溫位化學能用於只需低溫位的取暖,損失很大。我國許多地區有較豐富的90℃以下的低溫地熱資源,用於供熱,是用得其所;只要利用得當即可持續發展,仍能使生態環境完整性得到良好的保護。

十年來我國低溫地熱供熱已積累了許多適用經驗,供熱需求與住房緊緊相連,供熱是公共產品,近年需求正急劇增加,北方許多地區面臨要解決的供熱難題,這種消費需求有較強的培育性與可測性。開發低溫地熱起決定作用的是市場,按照價格規律,著力培養市場,地熱供熱可形成獨立的產業,先供給城鎮居民採暖、生活熱水,相繼發展空調、烘乾、溫室、養殖等綜合利用企業,開發地熱有可能成為鄉鎮地區的帶頭產業。結合我國當前鄉鎮經濟蓬勃發展形勢,地熱區域供熱具有時間超前性與長效性;國內可提供軟硬體配套的全部技術設備,有推廣的條件和價值。實踐證明地熱開發只要處理得當可以獲得高的經濟效益、社會效益;投資前景好,因供熱是生活必需的,市場穩定可靠;技術又不太複雜,運行管理比較簡便易學;在地熱供熱基礎上,還有可能開展多項產業部門複合的綜合利用投資項目,因此全國許多地區在經濟發展的適當階段都有投資地熱開發的良好機會。

適用範圍

平均地溫梯度:每加深100米溫度升高大於2.5℃、允許鑽地熱井的地區。

需要和可能培育起集中供應生活熱水市場的城鎮住宅、工業區。

可能投資興建生產過程用大量60—90℃低溫位熱水企業的地區,如農產品的低溫烘乾、工業生產過程用熱水漂洗等。

冬季需要採暖的地區。

100-120°C適用於低溫地熱發電。

根據地熱井成井後的井口狀況,設計選定允許井管伸縮同時密封隔氧的井口裝置,防止井口管段被腐蝕,必要時設井口氮氣隔氧保護;設定井口電機變頻調速系統。

根據供暖規模和當地技術經濟條件,確定合理的採暖利用溫降,向用戶提供供暖參數,協助用戶設計好終端散熱系統。

根據地熱水質,選定直接或間接供暖,用間接供暖系統,要安排換熱器材質和流程通道。

按當地條件和供熱發展規模,選定調峰方式,確定調峰容量。

根據地熱水質狀況和用水負荷選定曝氣、除鐵水處理、儲水罐和供水用設備。

發電功能

介紹

我國地熱資源以低溫熱水型地熱田為主，除少數中高溫熱水資源(井口水溫140-160°C)用於發電外，其餘主要作建築採暖、供應生活熱水、保健療養和種植養殖等直接利用。但由於大量的資源所處位置附近缺乏更多的熱需求，又缺乏具有良好經濟性的發電利用技術，而不能得到開發利用。構想若能經濟地對低溫地熱能資源作發電利用，無疑將極大地促進數量龐大的資源的開發利用，大幅減小發電用化石燃料消耗及相應的溫室氣體、大氣污染物的排放，為可持續發展提供重要能源支持，帶來巨大的社會效益與經濟效益。開展低溫地熱發電技術研究，通過技術改進提高低溫地熱資源發電利用的經濟性，具有重要意義，也特別符合以低溫熱水型資源為主的我國的能源戰略需求。

低溫地熱發電在經濟上可行。根據美國能源部(DOE)公布的數據，在北達科他州 Bowman County 建立的低溫地熱電站（地熱資源溫度 98°C），採用 ORC系統，其每千瓦的造價為 3000 美元，成本的投資回收期為 7.2 年。而根據美國加利福尼亞州能源委員會及公用事業管制委員會和投資銀行 Lazard 有限公司的有關報告，美國新建超臨界燃煤電廠的每千瓦造價約 19000 元、常規水電造價約 17000 元、天然氣聯合循環發電造價約 7000 元、核電造價約 34000 元。顯然，相對於已有的發電系統，低溫地熱 ORC 發電系統具有競爭力，且可用於發電的地熱資源經濟性溫度有進一步降低的潛力，開展該方向的研究將帶來實際的經濟效益。 美國能源部(DOE)於 2009 年率先提出了低溫地熱發電研究計畫，投資建立了多個低溫地熱電站。DOE 期望通過上述研究，掌握進一步降低低溫地熱發電經濟性的方法，並提出提高系統經濟性的改進措施，並預期在 2020 年前，將地熱發電的發電成本(LEC)降低至 6美分/kWh（美國2010年的工業和居民電價每千瓦時為0.0678美元和0.116美元）。

低溫發電技術的研究任務是，在不同循環方式下，尋求最優的工質、循環參數、及系統硬體匹配，並基於各自循環系統最優性能的對比評價結果，確定技術經濟性最優的低溫發電循環方式，同時給出循環方式下的最優工質、循環參數和循環性能。

地熱發電屬於間接地利用地熱資源的一種方式,其發電方式有2種。

擴容式發電

這種方式首先是將來自於地熱井的汽水混合物導入汽水分離器,使蒸汽與水分開,這樣分離出的蒸汽稱為一次蒸汽,將其導入汽輪機的高壓級;分離後的水則進入擴容器,由於壓力減低,部分熱水變為二次蒸汽,被導入汽輪機的低壓
級。一次蒸汽與二次蒸汽共同推動汽輪機作功,帶動發電機發電。

我國西藏羊八井發電廠還投入了多台二級擴容機組發電系統。擴容式發電系統簡單,故障率低,但一般只適宜於
壓力較大、溫度較高的地熱資源。

雙循環式發電

在這種發電系統中,地熱水與發電的工質不直接接觸,而是通過一個熱交換器將能量傳遞給低沸點工質,由低沸點工質推動汽輪機作功,帶動發電機發電。這種發電系統比較複雜,但它適用於溫度較低、不宜採用擴容式發電的地熱資源。從理論上講,採取這種方式,溫度只有幾十度的熱水也能發電,但是地熱水的溫度越低,其發電的經濟性越差。我國西藏那曲地熱發電站採用的就是這種發電方式

直接利用

低溫地熱直接利用（geothermal direct use）是指不需進行熱、電能量轉換的地熱利用，即地熱非電利用。地熱資源除發電利用外，更為大量的地熱資源直接用於加熱、冷卻和各種形式的工農業利用以及醫療、旅遊等方面。在世界範圍內地熱資源直接利用的能量已遠遠超過世界地熱資源的發電量。而且，前者的增長速度比後者快得多，這是因為地熱直接利用的基建投資費用相對較低，利用率較電力轉換率高，回收較快。此外，可供直接利用的具有商業開發價值的中低溫地熱資源儲量豐富，分布廣泛，用戶多，市場廣闊，可根據不同水溫利用於不同目的。

地熱直接利用要求的熱水溫度相對較低，中低溫地熱資源都可以加以利用，如供暖、溫室種植、水產品養殖、乾燥、製冷、游泳、洗浴、灌溉、治療以及溶雪等。為了提高地熱能的利用率，最好的利用方式是梯級綜合利用。中低溫地熱資源的直接利用雖然不及地熱發電有眾多的優勢，但是中低溫地熱資源分布十分廣泛，數量很大，直接利用所能提供的能量和所起的作用不比地熱發電差，發展前景廣闊。 目前地熱能直接利用的技術性、可靠性、經濟性、環境的可接受性己被世界各地的實際利用所證實。與地熱能發電利用相比較，直接利用存在多方面的益處，如：
(1) 直接利用的熱效率為 50%~70%，而發電利用的熱效率僅 5%~20%；
(2) 直接利用的投資小且周期短；

(3) 無論高溫或低溫地熱資源均可進行直接利用。

效益

社會經濟效益

開發低溫地熱用於供暖解決民眾的迫切需要;全年供應生活用熱水可提高生活水平;有機會利用地熱溫泉水開發理療旅遊產業都有良好的社會效益。

熱水或供暖接近滿負荷使熱和水都發揮作用時,經濟效益會很高,反之則會降低;如結合旅遊第三產業可以有更高的回報。實踐證明不用過多地擔心初投資過高,起決定作用是要有用戶市場負荷係數高,而不是地熱井深投資。

環境效益

用低溫地熱替代燃煤,使低溫位能源用得其所,減少高位熱能損失;同時能減少城鎮地區大氣污染。地熱開發時要逐步摸索了解當地地熱田特性,逐步擴大深入,要考慮保護好原有溫泉區的自然歷史人文景觀,要觀察是否會影響地面沉降,用後的排放不能污染環境及適時採取回灌措施等。

利用特點

我國利用溫泉洗浴有久遠歷史,而把地熱水用到現代供暖系統、溫室種植、養殖等,只有20年左右。人的認識受客觀條件限制,只能逐步深人。剛開始有地熱井後,把熱水直接引人用熱系統,節省了燃料,由熱負荷小、熱水量大,用戶使用滿意。通常是用戶負荷逐年加大、井水位下降,幾年後供水量顯得不足,水量分配不穩定;同時出現腐蝕、結垢等問題,維修和運行困難。進入供暖季,工作人員很緊張,有的甚至難以維持。也有的地方,發現廠地熱,就投資建立了地熱溫室、養殖場,使用後才發現,排放地熱廢水會污染環境,地熱仍無法利用,初投資成為損失。但也有的地方經營是成功的,經濟效益和社會效益都很好。

因此,必須慎重地、賣事求是地做可行性研究和技術經濟比較。

資源的差別

(1)井深不同。淺的只有幾十米,深的可能要超過3000米,井的深淺對初投資影響很大。目前每米進尺費用大約需要500到1200元人民幣。

(2)水溫不同。

(3)水量不同。有的是自流井,資源保護的好,不過量抽水,有可能長期保持自流,也維護了自然景觀;有的每年水位下降不多,有的由於布井過密,抽水過多,降深每年可達2~4米。

(4)水質不同。地熱水如直接利用大都對普通鋼材有腐蝕作用,有的還會結垢。如果間接用熱,要增加能耐蝕的熱設備,這種設備很貴,要增加初投資,同時要損失換熱溫差。

環境差別

(1)低溫地熱含熱量不多,保溫輸送管道價格很高,所以不值得長途輸送,只能就地利用。

(2)低溫地熱本身價值不高,用後,如要求回灌至原地層,回灌井的投資可能是地熱熱值收益無法補償的。如果用後直接排放,必須慎重考慮對土壤、地面景觀、地下水等環境的影響。天津某單位投資利用一口1500米深的探采結合地熱井,做溫室供暖的熱源。溫室面積約5000平方米,建了地熱井泵房、設定了不鏽鋼換熱器、室外管網、溫室內低溫散熱設備。使用幾年,廢水排放始終無法解決,最後只得放棄,損失慘重。山東萊州市由於抽地下水,水位下降15米,在側向海水壓力下,形成海水侵染,侵染面積達506平方公里,糧食大幅度減產,影響了人民生活。在沿海地區大規模開發地熱水,要警惕類似情況發生。

(3)當地的能源供應與價格狀況。如本地區煤很多、價格低或水電充足,地熱利用較難發展。

(4)改善大氣狀況的迫切性。在大氣污染嚴重地區,開發地熱替代部分傳統能源是很有利的。

利用條件差別

(1)市場情況。廣義地說地熱資源也是環境的一部分,環境與資源是生產力因素之一,但還不等同於生產力。它要經過轉化,轉化要有一定條件,因此不能單看環境與資源條件優劣,還要看轉化能力和當地生產力、經濟發展水平。環境和資源處於生產力諸因素中較低層次,合理開發資源和保護環境,需要有一定的經濟實力和科學技術做後盾,還要有發展經濟的市場條件。溫室和養殖的產品要有銷售市場和價格的競爭力。如有的地方曾用地熱養殖大
量越冬魚苗,到春季沒有市場,損失很大。又如有的地熱溫室蔬菜售價,比南方運來的價高,沒有競爭力,仍要失敗。

(2)地熱水是水攜帶熱量,利用時僅只用熱,或同時用熱又用水,效益差別很大。應當注意,我國的水資源是非常緊缺的,全國300多個大城市有180多個缺水,40多個嚴重缺水。華北地區全面缺水已深深陷入水資源危機的困境。因此開發了地熱水,如果用熱後不能回灌,應考慮用水措施及水質情況。

(3)地熱供暖一口井的效益與地區氣象條件和使用對象有關,供暖期長的寒冷地區地熱利用效益就高,反之效益就低;又如醫院通常比普通建築供暖期長,生活熱水用的多,效
益就更高些。

(4)地熱利用溫降差別。地熱被使用後,排放水溫越低,利用溫降大,收益就越多。在滿足供熱量要求下,排放水溫是不能任意降低的,它受散熱設備散熱能力的制約。如果終端散熱設備已定不能變更,為要多得地熱能,降低排放水溫,必須減少供入地熱水量,這時可能散熱設備的供熱量太小,不能滿足要求。反之,為了擴大地熱利用溫降,就必須增加終端散熱設備,技術上是否允許改裝?是否有足夠的空間?經濟是否合算?用增加散熱設備面積的方法,換取地熱能,有一個合理的限度,這限度是因地而異的,搞的好,利國利民,搞的不好,就浪費了資金。