油区中低温地热发电技术经济分析

2020-08-20 04:34刘亮德陈情来

石油工程建设 2020年4期

陈宇，刘亮德，陈情来

中国石油工程建设有限公司，北京100120

地热能开发利用“十三五”规划指出[1]：2020年我国地热年利用量达到7×107t标准煤，减排二氧化碳1.7×108t；地热能供暖年利用量4×107t标准煤。新增地热能供暖（制冷）面积1.1×109m2，重点在京、津、冀、鲁、豫、陕、晋等地区开展地热供暖，在长江流域等地区开展浅层地热能供暖（制冷）；新增地热发电装机容量500 MW（其中中低温地热发电装机容量100MW）。

目前我国地热发电主要以中高温发电为主，随着地热供暖技术的不断发展和成熟，中低温地热发电及增强型地热发电系统关键技术的突破，地热能开发利用将由地热供暖逐步向地热发电高端业务延伸。在未来，我国地热发电产业将实施“三步走”发展战略，即：近期以中高温地热发电为主，以中低温地热发电为辅；逐步发展到中高温、中低温地热发电并重；远期以干热岩发电为主，在全国范围内推广地热能发电[2-3]。

1 油区地热资源利用

油区内地热资源丰富，沉积盆地不仅富集油气资源，也蕴藏丰富的中低温地热资源。2013年，中国石油开展了油区地热资源初步调查，仅大庆油田、辽河油田、华北油田三家油田的地热资源总量就达1.093 4×1022J，占全国油区地热资源总量的44%。初步测算，中石油探区主要盆地地热资源量约占全国地热资源总量的70%。油田地热资源开发可以利用废弃井开展中低温地热发电和综合利用，是油田盘活资产、节能减排的现实选择[4]。未来发展转型应将地热发电与风力、光伏开发利用等结合，实现热电联供微电网。目前国内不少油田在这一领域已有成功实践和应用案例[5]。

油区地热资源以中低温为主，北方采暖季地热用于供暖的效益大大高于发电，本文以利用非采暖季闲置的地热资源为思路，基于目前油区企业自有电网设施使地热发电便于上网的有利条件，通过对中低温地热发电效率、经济性等方面的比较，测算不同工艺的地热电站投资，进行经济性评价。

2 地热发电工程参数设定及技术方案

地热发电技术经济评价与地热水温、气象条件、运行时间及发电工艺等参数有关，选取环渤海油区作为研究对象，采用单级闪蒸、双工质、两相流3种不同的发电工艺的技术方案，比较不同技术方案的经济性。

2.1 地热发电工程参数设定

本文研究的地热发电工程参数如下：

（1）发电装机容量1MW、地热水温度105℃、不凝气体含量＜0.01%（占地热流体质量比）。

（2）气象参数见表1。

表1 气象参数

（3）运行方式。冬季与供暖系统错峰运行，当供暖负荷率低于60%时启动发电机组。其他季节除地热井维护和发电机组故障时间外连续运行。

（4）运行小时数。地热发电利用非采暖季及采暖季供暖负荷低的闲置地热资源。根据环渤海地区统计数据，采暖期120 d中，供暖负荷率低于60%的时间约为600 h；夏季92 d中，扣除地热井采水设施检修时间10 d，可运行时间1 968 h；春秋季153 d，可运行时间3 672 h；按发电机组本身可用率97%计算，全年运行时间见表2。

表2 全年发电运行时间

2.2 地热发电工艺

（1）单级闪蒸地热发电工艺（见图1）：从地热井输出的具有一定压力的汽水混合物进入闪蒸器，压力下降，一部分地热水变为蒸汽，蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮机推动发电机进行发电。

图1 单级闪蒸地热发电工艺流程

（2）双工质地热发电工艺（见图2）：利用有机工质的低沸点特性，在低温热源条件下获得较高的蒸汽压力，推动膨胀机做功发电。

（3）两相流地热发电工艺（见图3）：地热水通过两相流发生器后直接进入螺杆膨胀机，闪蒸膨胀推动膨胀机做功发电。

3 方案比选

图2 双工质地热发电工艺流程

图3 两相流地热发电工艺流程

在拟定的边界条件下，计算3种地热发电工艺的热力性能、电站投资、运行成本及发电量，最后比较其经济性。

3.1 热力性能对比

在地热水105℃情况下，两相流工艺发电尾水温度为80℃左右，为最高；发电尾水温度最低的是双工质工艺，在70℃左右。吨水净发电量（夏季）、自耗电率（夏季）随地热水温度升高的变化情况分别如图4、图5所示。双工质发电工艺的吨水净发电量在3种工艺中最高，3种工艺的自耗电率都随地热水温度升高而降低，单级闪蒸工艺降低最为明显。两相流发电工艺中由于全流螺杆机冷端冷却负荷大，凝结水泵、冷却塔、真空泵等辅机耗电量大，自耗电率最高。

由于单级闪蒸工艺和两相流工艺从地热水中获得冷却塔补水，回灌率未达100%。两相流工艺冷端冷却负荷最大、冷却塔蒸发损失水量最大，回灌率达89.5%。单级闪蒸工艺由于闪蒸压力高，回灌率达到96.8%。