地热发电技术及其关键影响因素

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1、3华北油田公司电力分公司综合运维大队 河北任丘 062550

2、华北油田公司第五采油厂应急抢险站 河北任丘 052360

摘要：为了促进我国地热发电大规模开发，本文收集了我国地热资源的数据，总结了地热资源的特点以及我国地热能开发的相关指导原则和现状，总结了几种典型的地热发电技术，研究和总结了影响地热发电关键因素，从而实现地热发电利用。

关键词：地热发电；发电技术；有机朗肯循环

随着碳中和目标的设定，化石能源的消费比例预计将大幅下降，可再生能源的份额也将大幅增加。地热能是一种清洁、可再生、低碳的能源，具有持续稳定、对气象季节影响小、利用率高、储存量大、使用成本低等优点，具有广阔的应用前景，将在未来的电力系统中发挥重要作用。中国地热资源丰富，占世界地热储量的7.9%。有效利用地热资源对于减少化石能源消耗和实现碳中和至关重要。

一、地热资源及其分类

地热资源是在现有的技术、经济和地质条件下，从地壳中科学合理地开发出的岩石和地热流体的热能。地热是一种长期地质作用形成的矿产资源，集热能、矿物原料和水于一体。地热资源可分为以下几个类型。

1.地热蒸汽资源。它是一个受高温蒸汽控制的地下热液系统，地质条件不同，储量小。地表深度通常约为1.5 km。

2.地热热水型资源。它是一个地下热流体对流系统，主要由水产生。它是由地热区的水形成的，从储热岩中获取能量，包括热水和湿蒸汽。这些资源分布广泛，储量丰富，是重要的研究课题。

3.地热地压型资源。为2km/3km深度，它以高压水的形式存在，并溶解大量碳氢化合物。在开发过程中，可以同时产生加压、热能和化学能。

4.地热干热岩资源。在地壳深处，岩石的温度很高，可以积聚大量热能。干热岩地热资源主要指地表以下约10公里处的干燥无水热岩石。这些资源非常可观，将成为未来的主要发展方向。

5.地热岩浆型资源。它是一种巨大的能量，存在于深部地层中，处于完全熔融或半熔融状态。

二、典型地热发电技术

1.水蒸气朗肯循环。也称为干蒸汽发电，其流程如图1所示。

图1简单水蒸气朗肯循环示意

地热井中的高温蒸汽首先通过颗粒过滤器经过，然后进入汽轮机膨胀驱动发电机；膨胀的蒸汽通过冷凝器冷凝成液体，然后倒入地下完成循环。水蒸气朗肯循环技术成熟，系统简单，低成本投资，但对地热田的需求很高。这仅适用于干蒸汽含量高的地热能，不适用于低容量情景，也适用于窄范围情景。

2.闪蒸循环。又称扩容式发电，主要是通过闪蒸器或扩容器，使地热流体在两相压力迅速降低到饱和蒸汽以下对应的温度，并在短时间内将其转化为蒸汽。此过程通常称为扩容。然后蒸汽进入汽轮机膨胀，驱动发电机发电；由冷凝器和冷却器冷却，然后注回地面。快速循环具有简单、可靠、成本低、维护方便等优点，其缺点是体积大、易结垢、易腐蚀、闪蒸能耗高、发电回收效率低。它只适用于干岩的蒸汽和耐热地热能，不适用于热型地热。

3.有机朗肯循环。是一种在低沸点有机液体上运行的地热发电技术。它具有简单、灵活、稳定和可靠、使用寿命长、对热源温度要求低、安装容量范围广（从1 kW到10 MW）等优点。地热流体通过蒸发器将热量传递给有机液体，并将其注入地下；有机液体吸收热量，在高压下将其转化为蒸汽，然后将其注入膨胀机以驱动发电机。膨胀后，废气进入冷凝器，在工作泵加压后转化为冷却液，进入蒸发器继续吸收热量并完成循环。基于朗肯循环原理，利用有机流体沸点特性，在低温蒸汽压力（甚至高于临界压力）下获得ORC系统，在中低温下产生地热发电。

4.卡林那循环。。是一种以氨为工质的地热发电技术。地热流体通过蒸发器将热量传递给氨溶液。高温溶液进入分离器，分为氨和贫氨溶液。富含氨的蒸汽进入膨胀机，驱动发电机。贫氨溶液在工质出口加热溶液泵；膨胀氨蒸汽与耗尽的氨溶液混合，然后在电容器中冷凝，然后由工作泵重新加压以完成循环。Kalina循环采用可变吸热和散热。使用热源和冷却液可以很好地调节温度。理论发电效果较高，但由于氨溶液的特殊性、系统复杂性和控制困难，组件和系统的密封要求高。

5.全流发电系统。是一种地热发电技术，将地热井的所有流体（蒸汽、水、不凝气体等）直接输送至全流膨胀机进行膨胀。其流量与蒸汽朗肯循环相似，但省略了过滤装置，使用全流量膨胀机代替蒸汽轮机。从理论上讲，全流量发电系统可以将地热流体直接扩展到放电状态，使发电系统更加高效和简单。然而，全流量膨胀机必须使用耐腐蚀、耐磨材料，并具有实现两相膨胀的能力，因此工艺设计非常困难。全流发电系统主要应用于高温蒸汽地热和干岩地热，而非热液地热。与蒸汽朗肯循环相比，全流量发电系统可以应用于干旱程度较低的蒸汽地热。就相对闪变周期而言，全电流发电系统避免了闪变过程中的能量损失。全功率发电系统的概念提出较早，但其研究和应用相对滞后。近年来，只有实用的地热发电厂。例如，ORC系统通常与闪电周期一起使用。雷电后的液态地热流体可作为ORC系统的热源流体，以实现更高的发电效率。

三、关键影响因素

1.地热温度。地热温度越高，发电就越容易。地热流体在每一流体中的能量越高，其效率越高。以R1234ze(E)为例，研究了温度对系统净功率和净发电效率的影响，优化了ORC系统蒸发压力和水轮机进口温度。计算模型和系统限制当热水温度从80上升到150℃时，单位地热净耗水量从5.2增加到50.9 kW，并逐渐增加。系统的净效率将从7.8提高到11.5%，但增长将放缓。在不同的运行条件和不同的循环模式下，系统的净功耗不同，但质量改善趋势大致相同。

2.地热流量。流量越大，地热发电规模越大，单位系统投资成本越小，经济效益越高。随着热水流量的增加，ORC系统将大大减少。在150℃时，地热流量从5增加到20 kg/s，在DPP系统中，地热流量从14.6年增加到8.2年。该系统热效率的显著提高，从发电和利用的角度增加了地热能的开发潜力，大流量地热资源的开发具有重要意义。

3.气候环境。当地的气候条件，包括环境温度和丰富的水资源，也是地热开发的重要因素。环境温度影响电力系统冷源温度，环境温度越低，冷热源温差越大，发电效率越高。水资源的丰富程度不仅决定了地热能的适宜性，也决定了地热发电机组冷却方式的选择。水资源丰富的地区可以使用水冷，但空气冷却只能在水资源不足的地区使用。冷却水可达到较低的冷凝温度，有利于提高能效和经济效益。风冷具有良好的节水性能，适用于冬季极低的温度。它应用广泛，但冷凝温度高，降低了生产效率和经济效益。

4.地质条件。地质条件包括地形地貌、成藏深度、复杂地质构造、孔隙、地热水等主要介绍了地层平面、湿度高、地质稳定性好、完井密度高、对再生场敏感性高。高温地热能主要分布在西南山区，是制约我国地热能发展的主要障碍之一。

我国地热资源丰富，分布广泛，地热能稳定、清洁、低碳，大规模开发有助于实现碳中和目标。本文阐述了地热资源的特点、相关指导原则以及我国地热能的发展现状。

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