“双碳”目标背景下我国地热发电现状及技术

张加蓉 高 嵩 朱 桥 吴东梅

（1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司 2.中国能源建设集团有限公司工程研究院）

0 引言

2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上表示，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳的碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取到2060年前实现“碳中和”。该目标一提出，低碳排放成为全社会的首要任务，可再生能源替代传统化石能源成为整个社会的共识。而地热能作为可再生能源之一，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等独到优势，势必将在替代传统化石燃料能源中发挥不可或缺的作用。目前我国在地热能直接利用方面的发展一直处于世界第一的水平，但是，地热发电装机容量却远远落后于其他绝大多数地热资源丰富的国家。2020年11月25日，财政部办公厅发布《关于加快推进可再生能源发电补贴项目清单审核有关工作的通知》，将地热发电项目纳入补贴清单。在此利好政策及“30·60”双碳目标背景下，地热发电必将迎来一轮新的快速发展期，为实现双碳目标作出重要贡献。本文将从我国地热发电现状说起，提出适合我国双碳目标背景下的地热发电发展路线或方向的建议供参考。

1 我国地热发电发展现状

当前世界主流的地热能发电技术是指将地热能转化为机械能再转化为电能的技术，与常规火力发电技术的原理相同。在此基础上逐步衍生出四种主要的地热发电方式：干蒸汽直接发电、蒸汽扩容发电（又称闪蒸发电）、双工质循环发电、全流发电。

由于干蒸汽发电系统适用于高温（＞160℃）地热田的发电，而干蒸汽发电所需的蒸汽温度较高，埋藏深度较深，且干蒸汽地热资源十分有限，开采技术难度较大。受特定的地热资源限制，我国目前尚无干蒸汽直接发电，而其余三种发电方式在我国均有工程实践经验。

我国高温地热资源集中分布于藏滇地热带，高温地热资源发电效率更高，因此目前我国地热发电主要集中在西南地区，其中又以西藏地区为代表。我国先后在西藏羊八井、郎久、那曲和羊易建设商业性地热发电站，截至目前，西藏在役地热电站装机容量为42.18MW。其中，羊八井电站26.18MW，采用蒸汽扩容发电和全流发电，大部分机组已稳定运行超过30年；郎久电站和那曲电站分别采用蒸汽扩容发电和双工质循环发电，现已退役关停；羊易电站于2019年投产1台16MW双工质循环发电机组。近期，在国家利好政策推动下，羊八井电站新旧机组替代工程和羊易电站二期工程也步入了实质性开发阶段，有望打破我国在地热发电产业长期缓慢发展的僵局。除西藏地区外，2020年在山西大同天镇县发现了约160℃的高温水热型资源，并于2021年初成功投产1台300kW和1台280kW模块式双工质地热发电机组。

除高温地热发电外，中低温地热资源也可用于发电。实际上，我国中低温水热型地热资源占比95%以上，其中温度在80℃以上的中温地热资源具备发电潜能。推进中低温地热发电技术也是我国地热资源利用的一个重要方向。我国曾先后在广东丰顺、河北后郝窑、广东邓屋等地建立了多个中低温小型试验地热电站，单机容量在50～300kW之间，现仅剩广东丰顺的300kW机组在间断运行。此外，在全国其他地区还有零星地热发电项目投产：华北油田利用伴生地热水安装一台400kW发电机组；云南瑞丽投产三台400kW集装式地热发电机组；河北献县利用地热水实现280kW地热发电和建筑供暖两级利用。

我国在地热发电装备制造方面，蒸汽扩容发电和全流发电的设备技术成熟度和成本较好，双工质循环发电次之。青岛捷能汽轮机厂依托羊八井电站建设，实现单机容量3MW地热型蒸汽轮机投产业绩，并具备单机6MW地热型蒸汽轮机产能；东方、上海和哈尔滨三大汽轮机厂凭借在火力发电领域工程经验，具备大型地热型蒸汽轮机研发能力；江西华电、浙江开山等公司实现单机1MW以内地热型螺杆膨胀发电机投产业绩；南京天加、北京华晟等公司通过引进国外厂商技术，具备兆瓦级有机朗肯循环发电设备制造能力；上海盛合新能源公司通过专利技术转让，引进国外公司的千瓦级卡琳娜动力循环技术，并已在国内尝试小范围应用。2021年5月，受东方电气集团东方汽轮机有限公司邀请，专家组见证了由东方汽轮机公司自主研制的300kW等级有机朗肯循环试验装置顺利实现满负荷运行，且该公司已完成单机容量最高至20MW有机朗肯循环发电机组的设计方案储备。

2 常用地热发电技术

2.1 地热蒸汽扩容发电技术

地热蒸汽扩容发电技术是使用源自地下的湿蒸汽，并通过闪蒸技术获得进入汽轮机做功的蒸汽。自生产井引出的地热汽水两相流首先进入汽水分离器，分离成饱和蒸汽和饱和热水。饱和蒸汽随后被送入蒸汽轮机中做功发电，汽机乏汽在凝汽器中冷凝，并由热井泵送至冷却塔进行冷却，冷却后的地热水送入凝汽器作为冷却水使用，至此地热流体完成一个热力循环。从汽水分离器分离出的热水通过热回灌管线灌至回灌井内。冷却塔水池排污及多余的地热水则通过冷回灌管线，由回灌泵升压后，灌至回灌井内。流程示意见图1。

图1 地热蒸汽扩容发电流程示意图

我国西藏自治区、云南省和川西地区位于全球性的地中海—喜马拉雅地热带上，150℃以上的高温地热资源丰富，地热蒸汽扩容发电技术可用于这类资源。

2.2 有机工质朗肯循环地热发电技术

双工质循环发电主要分为两个技术流派，有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）发电和卡琳娜循环发电，这两种技术中目前在世界范围内采用较多的是有机朗肯循环发电技术。ORC即是在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动涡轮机做功。低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸汽之后，高温高压有机工质蒸汽推动涡轮机做功，产生能量输出，涡轮机出口的低压蒸汽进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往复循环。流程示意见图2。

图2 ORC地热发电流程示意图

我国地热资源以150℃以下的中、低温地热资源为主，而这个热源温度范围，采用常规的蒸汽汽轮机方案效率太低，而ORC发电技术是利用中、低温地热资源的理想途径。我国很早以前就进行了低温（＜90℃）地热发电的尝试，最低温度达到了67℃，是迄今为止最低的利用地热发电的温度，但因温度太低效率太低，一直没有进一步的发展。而80～150℃的中低温地热资源却是可以实现较好经济性的发电资源，目前我国最大单机容量的地热发电站羊易地热发电站即是采用的该技术。

2.3 地热全流发电技术

在上述两种地热发电技术之外，还有一种可将全部地热流体，不经汽水分离，直接导入膨胀机并参与做功发电的技术，被称作全流发电技术。该技术主要利用螺杆膨胀动力机实现发电，螺杆膨胀动力机是一种容积式发动机，其工作原理是通过阴阳螺杆槽道中热流体的体积膨胀，推动阴阳螺杆向相反方向旋转，实现将热能转换成机械能的做功过程。

与蒸汽轮机比较，螺杆膨胀动力机组装机系统简单，对于进入机组的介质没有太多要求，纯蒸汽，蒸汽／热水混合物，热水均可以作为驱动螺杆机的动力源；允许热源参数较大范围波动并保持平稳运行；螺杆粗大结实、转速低，较汽轮机转子更不易磨损，且由于螺杆的结构特点，在防结垢方面比蒸汽轮机更有优势；但受自身结构特点所限，螺杆膨胀机单机容量难以做得更大，发电效率也较透平机更低。全流发电适合于小容量地热发电，可适用于中高温地热资源，其较理想的应用场景是将集装箱式螺杆膨胀机组，就近布置在地热生产井附近，形成“一井一站”的分布式井口地热电站开发模式。流程示意见图3。

图3 地热全流发电流程示意图

2.4 地热联合发电技术

联合发电技术是指两种及以上发电方式组合在一起的发电方式。从电站热经济性角度分析，联合发电方式比单一发电方式效率更高，使地热资源得到最大化利用，比如蒸汽扩容发电和有机朗肯循环发电技术组合而成的联合发电方式比单一发电方式效率更高：在地热流体的高温利用阶段，首先采用扩容式蒸汽发电系统，此时分离出的地热水温度仍较高，就可采用有机朗肯循环发电系统，最大限度地提高地热发电循环的效率。不过，联合发电要求对两套发电系统进行有机结合，设计方案较复杂，电站投资造价和运维成本也大幅提高。因此全球范围内采用联合发电技术的地热电站不多，我国尚无相关工程建设经验。但待地热发电装机增大，产业规模化，成本降低之后，地热联合发电技术也将具有一定优势。流程示意见图4。

图4 地热联合发电流程示意图

3 干热岩地热发电

干热岩是指埋藏于距地表3～10km深处，内部不存在或仅存在少量流体，温度高于180℃的高温岩体，主要由各种变质岩或结晶岩的类岩体组成。中国大陆埋深3～10km的干热岩型地热基础资源量折合约856万亿吨标准煤，我国干热岩型地热资源开发利用潜力很大。干热岩地热发电也将是今后能源领域重要的战略方向。近10年来，我国在干热岩型地热资源开发方面做了大量的科研和试验工作，2021年6月，由河北省煤田地质局组织实施的唐山市马头营凸起区干热岩开发关键技术研究与示范项目，实现了干热岩试验性发电。这是我国首次实现干热岩试验性发电，为我国今后干热岩开发利用奠定了基础。

开发干热岩的具体工程技术称之为增强型地热系统，原理是采用人工形成地热储层的方法，从低渗透性岩体中采出深层热能的人工地热系统。理论上干蒸汽发电、闪蒸发电或双工质发电技术都可以用于干热岩型地热发电。但就国外已实现的干热岩地热发电工程来看，由于受增强型地热系统技术自身特点限制，产出的地热流体品质较差，往往不能满足直接进入蒸汽轮机做功的要求。因此，目前国际上增强型地热系统发电采用的主要是双工质地热发电技术。由于干热岩温度较高，在适当的区域也可以发展地热联合发电以及地热能发电后的梯级利用等技术，进一步提高对干热岩地热的利用率。

4 双碳目标背景下的地热发电技术路线建议

根据双碳目标时间节点，结合我国地热资源情况，我国的地热发电可以按以下几个技术路线或方向发展：

1）在高温地热资源丰富的地区，如西藏地区，可以继续集中发展地热蒸汽扩容发电，并逐渐向大容量发展。

2）为了充分利用我国中温地热资源的普遍性，可以先发展分布式“一井一站”式小容量（kW～MW级）有机朗肯循环地热发电或全流发电。小容量地热发电要求的热量小，钻井成本低，资本投入更灵活，可以调动更多的社会资金参与其中，从而加快我国地热发电技术的应用与发展，待小型地热发电发展较为成熟后再逐渐向大容量发展。

3）通过MW级及以上ORC技术主要设备国产化示范及后续发展，带动国内装备产业规模化，降低初投资成本，提高地热发电经济性。

4）基于我国目前干热岩地热发电的研发成果，待下阶段干热岩地热发电示范成功后，结合水热型地热发电的发展成果，可以大力发展干热岩地热发电及梯级利用技术，充分发挥地热能的减碳效益。

5 结束语

本文介绍了我国地热发电现状和几种适合我国地热资源情况的地热发电技术，并提出了在双碳目标背景下我国地热发电的几种技术路线或方向的建议。我国地热发电的发展前景好，但也任重而道远，需要政府的支持、资金的投入、人才的培养等。期望我国地热发电在这个新的特殊时期能抓住机遇，在各方共同努力下得以大力发展，为我国的减碳目标作出重要贡献。