地热能。地热水提取技术。方案、说明

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地热能是从高温热源中获得的，它具有一些特点。其中之一是冷却液温度明显低于燃料燃烧时的温度。尽管地热能总储量较大，但其热力学品质较低。这些来源与工业热排放和海洋热能有很多共同点。下面简要讨论利用地热能的策略。

机会与需求的结合

地热源总是与发电作为最有价值的产品联系在一起，而利用热能的最佳方式是采用组合模式（发电和供暖）。当然，电力可以输入电力系统，并与其他来源产生的电力一起通过电力系统传输给消费者。同时，值得一提的是，在高达 100°C 的温度下对热量的需求通常甚至比对电力的需求还要高。因此，以热量形式利用地热能同样重要。如果冷却剂的温度超过 300°C，则可能会对发电产生兴趣，而如果冷却剂温度低于 150°C，则不会产生电力。

热量不易在超过 30 公里的距离内传递，因此必须在靠近提取地点的地方使用。在寒冷气候地区，如果人口密度超过每 300 平方公里 1 人（每 2 平方公里超过 100 个宅基地），住宅和工业建筑的供暖就会产生大量的热能需求。因此，容量为1兆瓦的热电厂可以为大约2x100平方公里的住宅区提供服务，每个宅基地的热消耗约为20千瓦。类似的地热系统长期以来一直在冰岛使用，新西兰也有较小程度的使用。其他主要的热能消耗者包括温室（北欧的一个装置高达 20 MW/km）、养鱼场、食品干燥厂和其他技术。

地热能的利用规模由多种因素决定。主要成本是建井的资本成本，其成本随着深度的增加呈指数级增加。由于温度随着深度的增加而增加，而能源产量也随着温度的增加而增加，因此在大多数情况下，最佳井深被限制在5公里左右。因此，发电厂的规模通常选择在100MW以上（高温时为电或热力，低温时仅热力）。

通过重新注入废物和部分冷却的水可以增加从地热井回收的热量总量。这是一种处理废水的便捷方法，废水可能高度矿化（含有高达 25 公斤/立方米的盐），并且是危险的环境污染物。然而，这导致车站成本增加。

热提取技术

最成功实施的项目是直接钻入地热区天然地下储层的井（图1）。这种方法用于间歇泉（加利福尼亚州）和怀拉基（新西兰），这些地方的井内压力很大。类似的方法可用于从高热地区的含水层中提取能量，这些地区的自然压力足以省去抽水系统。

最近的发展重点是从干燥岩石中提取热量，因为它们可以提供比水源更高的生产力。领先的专家小组（美国洛斯阿拉莫斯科学实验室）开发了利用在压力下注入井中的冷水进行水力压裂来破碎岩石的方法（图1）。初步破碎岩石后，通过供水井注入水，在5°C的温度下通过约250公里深度的岩石过滤，温水通过接收井返回地面。两口这样的井可以为千兆瓦发电厂提供能源。

地热能。地热水提取技术
图6.1。超高温区热液站布局（Geysers地热田，加利福尼亚州）：1-天然间歇泉； 2——发电站； 3 - 深井（5公里）； 4——蒸汽-水源（~280℃）； 5 - 地幔; 6 - 热石

电力和热能发电系统。为传统地热源选择热交换器和涡轮机是一项复杂的任务，需要专业知识。 GeoTPP 可能方案的几种选择如图 6.2 所示。 XNUMX.

如果使用低温源发电，则必须使用其他工作流体（例如氟利昂、甲苯）而不是水来驱动涡轮机。新型技术需要更加高效。由于井水中各种化学物质的浓度很高，热交换器可能会出现特殊的困难。目前构建 GeoTPP 的资本成本在 1500 美元到 2500 美元之间。每千瓦装机电量与核电厂和火电厂相当。

在不久的将来和遥远的将来，地热资源的主要消耗无疑将是供热，其次是发电。地热电平衡利用中优先供热。

地热能。地热水提取技术
图6.2。电力生产循环组织的示例。使用一种工作流体进行循环，例如使用水或氟利昂 (a)；使用两种工作流体——水和氟利昂（b）的循环；直接蒸汽循环（s）和双回路循环（d）； I——地热源； II——涡轮循环； III-冷却水

从地下土壤中提取热能的地热技术是提取、加工和输送具有给定质量和市场使用经济效益水平的热载体的一套方法、手段和过程。浅层低温地热能的利用可以被视为一种技术经济现象，或者说是供热系统的一场真正的革命。在不到10年的时间里，美国开发出了多种技术，并建成了数十万套运行供热系统。每年至少有50-80万个新系统投入运行。该技术正在世界其他国家成功实施：瑞典、瑞士、加拿大、奥地利、德国、俄罗斯。 2002年，全球约有450万个此类系统在运行，总容量为2.9吉瓦（吨），平均为-10千瓦（吨）。

地表（浅层）地热系统用于加热和冷却各种类型的住宅建筑（从单栋到多套公寓）、加油站、超市、教堂、教育机构等。

正在考虑的技术的本质是在井和通道中进行热交换的近地表系统（采矿和能源装置），其本质是创建一个地下热交换器，该热交换器具有闭合或开放回路，位于较浅的深度（50 - 300 m），并连接到安装在加热房间内的热泵（图6.3）。同时，在俄罗斯中部地区，可以使用 7 至 15°C 范围内的岩石温度。

这些系统不仅提取存储在岩石或水中的地热能，还提取太阳能。该装置使用的这种或那种能量的具体份额取决于热交换器的深度、该地区的气候和水文地质条件。

俄罗斯在建设和运营此类地热设施方面有着积极的经验。特别是，在雅罗斯拉夫尔地区，一所大型农村学校的供热系统已经建成并已运行第二年，另外三套此类机组正在设计和建造中。

地热能。地热水提取技术
A）

地热能。地热水提取技术
B）
图6.3。具有热交换的地表（浅层）地热系统：a——水平通道； b - 在井中

对世界实践中使用的地热技术的评估表明，它们可用于为广泛的消费者提供热能：从城市微区到单个房屋。以地热循环系统（GCC）为基础，由双深井（长达1,5 - 2,5公里）组成，利用热泵和峰值再加热，获得高温供暖模式（90°C及以上），热功率高达数十兆瓦。 50 - 150 m 井地源热泵技术对应于中低温条件，适用于商业（商店、办公室等）和市政（学校、医院等）应用以及住房和公共服务，功率高达 0,1-0,4 MW。

图上。 6.4 显示了地热水供热方案。

图6.4。提取地热能的供热技术（点击放大）： a) 以 GCC 为基础； b) 基于深热交换器； c) 地源热泵

评价电热泵地热装置节能、经济和环境效果的主要标准是一次能源载体使用系数（PIEC），它由效率的乘积决定。发电量 (CPIe = 0,30 - 0,35) 根据装置整个生命周期内的热泵转换系数 (CHPTC) 的平均值。使用地热源（从土壤到水库卤水）可实现的 SFTC 范围，温度为 5 - 7°C 至 35 - 40°C，3 至 7 个单位及以上。因此，根据来源类型，可获得 1,1 至 2,5 个单位的 KIPI 水平，比传统锅炉高 1,2 至 7,0 倍（图 6.5）。

与传统锅炉厂相比，采用电力 HP 的地热发电厂的效率要高得多，其 KPI 比率越大。因此，可节省能源消耗并减少有害排放：20 - 70%。

今天进口燃料价格和运输成本的上涨预示着堪察加半岛、千岛群岛和俄罗斯北部地区地热能的加速发展。

上图。 6.5 显示了传统锅炉和地热锅炉中一次能源载体的使用系数。

地热能。地热水提取技术
图6.5。常规 (t) 和地热 (d) 锅炉的一次能源利用率 (PIEC)

俄罗斯在研究地热田、进行钻探作业以及运营 GeoPP 方面拥有多年的经验。 30多年来，Pauzhetskaya GeoPP（堪察加半岛南部）一直为红鱼子酱主要生产地集中的Ozernaya村提供最便宜的电力。早在 1967 年，俄罗斯就成为世界上第一个在堪察加半岛帕拉图斯基地热田使用低品位热量（热水 - 95°C）创建二元循环 GeoPP 的国家。

作者：马戈梅多夫 A.M.

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