地?zé)崮芗芭c其他新能源聯(lián)合發(fā)電綜述

李克勛，宗明珠，魏高升

地?zé)崮芗芭c其他新能源聯(lián)合發(fā)電綜述

李克勛1，宗明珠1，魏高升2

（1．南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津市 津南區(qū) 300350；2．電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，北京市 昌平區(qū) 102206）

我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，且分布范圍廣。隨著能源短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題的出現(xiàn)，地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的清潔能源受到人們的廣泛關(guān)注，并將其用于發(fā)電領(lǐng)域，以降低污染物的排放、減緩煤炭等化石燃料引發(fā)的溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。介紹了地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)、地?zé)崴l(fā)電技術(shù)、干熱巖發(fā)電技術(shù)、巖漿發(fā)電技術(shù)等地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的工作原理，并在適用范圍、發(fā)電效率、發(fā)電成本、優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)其進(jìn)行比較。同時(shí)，闡述了地?zé)崤c太陽(yáng)能、生物質(zhì)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)；分析了地?zé)岚l(fā)電技術(shù)中存在的問(wèn)題，以期為地?zé)崮茉谖覈?guó)乃至世界范圍的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

地?zé)崮馨l(fā)電；太陽(yáng)能；生物質(zhì)能；聯(lián)合發(fā)電

0 引言

自工業(yè)革命以來(lái)，人們大力發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)利用化石燃料(煤、石油、天然氣)，能源消耗急劇增加，伴隨著能源短缺、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題[1-2]。積極探索、開(kāi)發(fā)、利用新能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能和地?zé)崮艿?，提高可再生能源利用比重，已成為世界各國(guó)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

地?zé)崮芤蚓哂袩嵝矢?、穩(wěn)定性好、用地少、生態(tài)效應(yīng)小[3]等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)重視。同時(shí)相對(duì)于風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源，地?zé)崮苁俏ㄒ徊皇芴鞖?、季?jié)變化影響的可再生能源，自1812年意大利首次利用后，在發(fā)電領(lǐng)域一直發(fā)揮著重要作用。盡管地?zé)崮茉诘乩砩戏植疾痪?，但在很多?guó)家地?zé)崮軡摿薮?，?jù)地?zé)釁f(xié)會(huì)估計(jì)，到2021年全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)1840萬(wàn)kW左右[4]。我國(guó)地?zé)豳Y源較為豐富，水熱型地?zé)豳Y源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤12500億t，干熱巖遠(yuǎn)景資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬(wàn)億t。目前我國(guó)地?zé)豳Y源每年利用量折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.21億t，其中水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)采率僅為0.2%，淺層地?zé)崮荛_(kāi)采率僅為2.3%，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用具有良好前景[5]。本文對(duì)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為地?zé)崮茉谖覈?guó)乃至世界范圍的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 地?zé)岚l(fā)電

1.1 地?zé)岚l(fā)電主要方式

地?zé)崮苁怯傻V物的放射性衰變產(chǎn)生并儲(chǔ)存在地球上的熱能，以蒸汽、熱水、地壓、干熱巖和熔巖5種形式存在，其中主要利用形式為蒸汽和熱水，干熱巖的開(kāi)發(fā)利用也在不斷發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中，除用于直接供熱、溫泉旅游以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)外，地?zé)崮茉诎l(fā)電領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。地?zé)岚l(fā)電技術(shù)是指將地?zé)崮芰黧w的熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能的技術(shù)[6]。該技術(shù)既能滿足電力供應(yīng)的需求，又可減少化石燃料的燃燒，降低碳排放，減緩全球變暖趨勢(shì)。據(jù)中國(guó)能源網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截止到2018年9月底，全球地?zé)岚l(fā)電總裝機(jī)容量為14369 MW。其中美國(guó)位居第一，裝機(jī)容量為3 591 MW，占全球總?cè)萘康?4.9%，印度尼西亞、菲律賓居于第二、三位，各國(guó)具體裝機(jī)容量情況如圖1所示。目前，根據(jù)地?zé)崂眯问讲煌?，可將地?zé)岚l(fā)電分為地?zé)嵴羝l(fā)電、地?zé)崴l(fā)電、干熱巖發(fā)電和巖漿發(fā)電4種主要方式。

圖1 全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量情況

1.2 地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)

地?zé)嵴羝l(fā)電利用蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)做功而發(fā)電，一般利用分離器將蒸汽從汽水混合物中分離后引入汽輪機(jī)，如圖2所示，根據(jù)實(shí)地條件也可直接利用地下干飽和蒸汽。地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)較為成熟，流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。在2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，世界上干蒸汽的地?zé)嵫b機(jī)容量為2863MW[7]，對(duì)于高溫干蒸汽地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)，如意大利，地?zé)嵴羝?干蒸汽)發(fā)電技術(shù)在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)[8]。

圖2 地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)示意圖

1.3 地?zé)崴l(fā)電技術(shù)

地?zé)崮馨凑諟囟炔煌煞譃楦邷責(zé)嵩?高于150℃)、中溫?zé)嵩?90~150℃)和低溫?zé)嵩?低于90℃)[9]，其中地?zé)崴鄬儆谥械蜏責(zé)嵩?，以液體形式存在，無(wú)法直接進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電，需借助某些技術(shù)轉(zhuǎn)換為蒸汽才能發(fā)電。根據(jù)采用的轉(zhuǎn)換方法不同，可將地?zé)崴l(fā)電分為減壓擴(kuò)容法和中間工質(zhì)法。

1）減壓擴(kuò)容法。

利用不同壓力下水的沸點(diǎn)不同原理，通過(guò)降低壓強(qiáng)使地?zé)崴诿荛]容器汽化為蒸汽。因其體積增加，故稱為“減壓擴(kuò)容法”，同時(shí)此過(guò)程在瞬間實(shí)現(xiàn)地?zé)崴梢簯B(tài)到氣態(tài)的轉(zhuǎn)變，又稱為“閃蒸法”，其工作原理如圖3(a)所示。與意大利不同，同屬歐洲國(guó)家的冰島地?zé)豳Y源可定義為高溫濕熱蒸汽資源，其地?zé)岚l(fā)電幾乎全部采用減壓擴(kuò)容(閃蒸) 發(fā)電技術(shù)[8]。在實(shí)際工藝中，地?zé)崴ㄟ^(guò)“擴(kuò)容器”(或稱“閃蒸器”)次數(shù)略有不同，可分為單級(jí)擴(kuò)容、雙級(jí)擴(kuò)容和多級(jí)擴(kuò)容法。截至2014年，全球單級(jí)擴(kuò)容裝機(jī)容量為5 079MW，雙級(jí)擴(kuò)容裝機(jī)容量為2 544MW[7]，由于多級(jí)擴(kuò)容工藝較為復(fù)雜，目前尚未采用。單級(jí)擴(kuò)容法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，但地?zé)崴D(zhuǎn)換效率低，出口水溫高；雙級(jí)擴(kuò)容法工藝流程以及設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，但系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率大大提高，在相同冷熱源的條件下，熱效率可提高20%~30%[9]。

2）中間工質(zhì)法。

借助低沸點(diǎn)(低于水的沸點(diǎn))有機(jī)物(如丁烷、氟利昂等)作為中間工質(zhì)，與地?zé)崴l(fā)生熱交換作用而汽化，進(jìn)而進(jìn)入發(fā)電機(jī)做功，后經(jīng)冷卻系統(tǒng)降溫為液態(tài)，再次作為中間介質(zhì)循環(huán)進(jìn)入發(fā)電系統(tǒng)，稱為“有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC) ”，其工作原理如圖3(b)所示。該工藝中地?zé)崴粗苯舆M(jìn)入發(fā)電系統(tǒng)，而是由另外一種低沸點(diǎn)流體(中間工質(zhì))取代，因此又稱為“雙流體地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)”。目前，該地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為1 790MW，但機(jī)組總數(shù)最多，達(dá)286個(gè)[10]。與減壓擴(kuò)容法相似，也可分為單級(jí)、雙級(jí)和多級(jí)中間工質(zhì)法。其中，單級(jí)中間工質(zhì)法與雙級(jí)中間工質(zhì)法相比，設(shè)備及流程簡(jiǎn)單，投資成本相對(duì)較低，但同樣存在熱效率不高的弊端(比雙級(jí)低20%左右)[11]。另外，無(wú)論單級(jí)中間工質(zhì)法還是雙級(jí)中間工質(zhì)法，除需定期補(bǔ)充中間工質(zhì)外，還存在介質(zhì)易燃易爆、管道泄露、威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等安全隱患，因此在實(shí)際中應(yīng)用較少。

圖3 地?zé)崴l(fā)電技術(shù)示意圖

近年來(lái)，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)因設(shè)備簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[12]，被廣泛用于中低溫地?zé)崮芟螂娔艿霓D(zhuǎn)化過(guò)程，并成為研究熱點(diǎn)。其中，工作流體的選擇以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化是ORC系統(tǒng)的關(guān)鍵。在地?zé)崴疄?00~150℃、回灌溫度不低于70℃的條件下，以丁烷(R600)、異丁烷(R600a)、戊烷(R601)、異戊烷(R601a)和己烷5種烴類化合物為工質(zhì)流體，發(fā)現(xiàn)ORC凈輸出功率隨入口溫度的升高先增大后減小，隨冷凝溫度的降低而增加，但冷凝溫度的降低使泵的消耗功率增大，同時(shí)確定R600a對(duì)應(yīng)最高凈輸出功率和最小渦輪尺寸系數(shù)[13]。對(duì)于ORC系統(tǒng)，采用純工質(zhì)會(huì)限制系統(tǒng)性能的提高，而混合工質(zhì)可實(shí)現(xiàn)工質(zhì)與熱源的良好匹配[14]。劉強(qiáng)等[15]選擇非共沸混合物(異丁烷/異戊烷) (R600a/R601a)作為研究工質(zhì)，探究了不同摩爾分?jǐn)?shù)的混合物對(duì)凈功率(輸出功率與消耗功率之差)、蒸發(fā)器和冷凝器的單位功率輸出面積、渦輪尺寸和渦輪成本的影響，確定最佳R600a的摩爾分?jǐn)?shù)為0.7~0.9。文獻(xiàn)[16]還提出蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差(pinch point temperature difference，PPTD)是影響蒸發(fā)器熱工性能和經(jīng)濟(jì)性能的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而影響ORC系統(tǒng)的效率和投資成本，分析了最佳夾點(diǎn)溫度范圍以及對(duì)應(yīng)的單位功率輸出傳熱面積、平均發(fā)電成本(levelized cost of electricity，LCOE)和動(dòng)態(tài)投資回收期(payback period，PBP)。這些研究使得有機(jī)朗肯系統(tǒng)得以不斷優(yōu)化。

與此同時(shí)，將CO2等氣體用于工質(zhì)流成為地?zé)岚l(fā)電的又一研究熱點(diǎn)。周康等[17]研究的“深巖玫瑰”地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)巧妙結(jié)合超臨界CO2的跨臨界循環(huán)和有機(jī)工質(zhì)的朗肯循環(huán)，超臨界CO2為高壓系統(tǒng)，絕熱升壓時(shí)溫度上升，降壓時(shí)溫度下降，該過(guò)程中其焓值保持不變，利用超臨界CO2的熱力學(xué)屬性，以達(dá)到提高地?zé)岚l(fā)電效率的目的。另外，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的新型地?zé)岚l(fā)電站是將CO2代替部分水工質(zhì)，因CO2萃取熱量比水更有效，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，該種新型同心環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電容量高達(dá)500MW，是美國(guó)平均地?zé)岚l(fā)電容量(38MW)的10倍以上[18]。

1.4 干熱巖發(fā)電技術(shù)

熱巖是存在于地球深處的高溫巖體，因地表缺乏降水或本身透水性差，導(dǎo)致99%的熱巖周圍無(wú)水或蒸汽[19]，被稱作“干熱巖”，其很難實(shí)現(xiàn)直接利用。但地?zé)崮艽蟛糠謨?chǔ)存在巖石中，且不受限于地理位置，因此開(kāi)發(fā)利用干熱巖能量具有很好的發(fā)展前景與商業(yè)價(jià)值，對(duì)解決能源短缺問(wèn)題至關(guān)重要。美國(guó)是最早開(kāi)發(fā)干熱巖的國(guó)家[20]，國(guó)際上對(duì)干熱巖的研究已有40余年，很多國(guó)家開(kāi)展了熱巖勘查開(kāi)發(fā)工作，并進(jìn)行試驗(yàn)性發(fā)電。目前，干熱巖發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)12.2MW，包括法國(guó)蘇爾茨、德國(guó)蘭道和印希姆、澳大利亞夏賓奴及美國(guó)沙漠峰，裝機(jī)容量分別為1.5、3.0、5.0、1.0和1.7MW[21]。

干熱巖發(fā)電技術(shù)又稱“增強(qiáng)型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)(enhanced geothermal systems，EGS) ”，該技術(shù)原理如圖4所示，一端借助壓力泵將冷水注入4~6km的深處，此處巖體溫度可達(dá)200℃，另一端通過(guò)管道加壓將經(jīng)過(guò)加熱的冷水提至地面，帶動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)換[22]。發(fā)電后的“廢水”可再次注入地下深處，作為介質(zhì)循環(huán)利用。在此發(fā)電過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)最大程度的采熱是關(guān)鍵。通常采用高壓水力破碎、化學(xué)爆炸破碎、地下核能爆炸破碎等對(duì)干熱巖進(jìn)行人工激發(fā)，使之形成人工熱儲(chǔ)水庫(kù)，便于進(jìn)行熱交換。其中高壓水力法最為常見(jiàn)，其原理分為2種：若巖體無(wú)裂縫，高溫巖石受注入水的冷縮作用而形成裂縫；若巖體本身有裂縫，注入水可使原有裂隙變寬或錯(cuò)位，增強(qiáng)裂隙間的透水性。

圖4 干熱巖發(fā)電技術(shù)示意圖

汪集旸等[23]基于現(xiàn)有地?zé)釡y(cè)量數(shù)據(jù)及相關(guān)熱力學(xué)物理性質(zhì)參數(shù)，對(duì)我國(guó)大陸干熱巖資源進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，中國(guó)大陸3~10km深處的干熱巖資源總計(jì)2.09′107EJ，相當(dāng)于7.15′106億t標(biāo)準(zhǔn)煤；若僅按2%的比例計(jì)算可開(kāi)采量，也可達(dá)到我國(guó)大陸2010年資源消耗總量的4 400倍。巨大的干熱巖資源量使其在地?zé)豳Y源構(gòu)成中占主導(dǎo)地位，為今后的地?zé)衢_(kāi)發(fā)指明方向，若能實(shí)現(xiàn)干熱巖的規(guī)?；茫貙⒔鉀Q我國(guó)資源利用與環(huán)境保護(hù)的一大難題。從資源地域分布來(lái)看，青藏高原南部資源量占總量的主要部分(20.5%)，另外華北、東南沿海、東北、云南西部均有分布[23]，具體分布情況如圖5所示。從資源深度分布來(lái)看，干熱巖資源量隨深度增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)[24]，如圖6所示，但開(kāi)采難度也大大增加，這對(duì)今后的開(kāi)發(fā)技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)。

圖5 中國(guó)大陸主要干熱巖分布情況

圖6 中國(guó)大陸干熱巖資源深度(3~10km)分布圖

全球有2 000萬(wàn)~3 000萬(wàn)口油井被廢棄[25]，雖不能進(jìn)行油氣開(kāi)采，但井溫較高，很多學(xué)者提出將其改造為地?zé)峋糜诘責(zé)岚l(fā)電[26-28]。其原理與干熱巖發(fā)電技術(shù)相似，構(gòu)造簡(jiǎn)單，將井底封死，環(huán)狀部分作為注入井，中間部分作為采出井，利用流體與巖石之間的熱交換進(jìn)行發(fā)電，既實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，又可避免鉆探成本高等問(wèn)題。在已有的大慶油田調(diào)查資料中，關(guān)停探井共2 486口，其中地層溫度在90℃以上的共366口，有些甚至達(dá)130℃[29]，具有一定開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。由于廢棄油井獲得的地?zé)崮苁侵?、低質(zhì)的來(lái)源，因此多將有機(jī)流體作為廢棄油井地?zé)岚l(fā)電的工作流體[30]。Davis等[31]以異丁烷為工作流體，對(duì)廢棄井地?zé)岚l(fā)電進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)獲取最大地?zé)崮苤饕Q于井底溫度和注入壓力。Ebrahimi等[28]利用有機(jī)朗肯循環(huán)對(duì)低溫廢棄氣井進(jìn)行發(fā)電優(yōu)化研究，確定R125為合適的工作流體。在實(shí)際應(yīng)用中，如何根據(jù)環(huán)境條件選擇合適的工作流體和確定合適的工程參數(shù)，是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵。

1.5 巖漿發(fā)電技術(shù)

巖漿是指產(chǎn)生于上地幔和地殼深處，含揮發(fā)分的高溫黏稠熔融物，其主要成分為硅酸鹽，一般溫度在900~1 200℃之間，最高可達(dá)1 400℃，具有巨大的熱量能源。據(jù)估算，僅美國(guó)就有5萬(wàn)多個(gè)巖漿活動(dòng)處，所具有的能量相當(dāng)于250億~2 500億桶石油燃燒產(chǎn)生的熱能，比美國(guó)所有礦物燃料的蘊(yùn)藏量還多[32]。巖漿的高溫特性使其在發(fā)電領(lǐng)域具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但對(duì)其的實(shí)際利用只停留在理論研究。巖漿發(fā)電目前僅限于將井鉆到巖漿層，直接獲取熱能[33]，其中鉆井技術(shù)就是需要面臨的一大障礙，如何真正、有效地鉆到地下幾千米的巖漿層有待進(jìn)一步的科學(xué)研究與實(shí)踐。

1.6 聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)

除上述單獨(dú)的發(fā)電技術(shù)外，隨著科學(xué)研究的進(jìn)步與工藝流程的優(yōu)化，為最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)崮艿睦?，多采?種及以上技術(shù)相結(jié)合的方法。自20世紀(jì)90年代中期起，各國(guó)開(kāi)始將地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)與地?zé)崴l(fā)電技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)主要針對(duì)高溫(大于150℃)熱源流體，地?zé)嵴羝冉?jīng)過(guò)汽輪機(jī)進(jìn)行一次發(fā)電，出口流體在溫度不低于120℃的情況下，進(jìn)入中間工質(zhì)系統(tǒng)將熱量傳遞給低沸點(diǎn)流體，進(jìn)行二次發(fā)電，如圖7所示，聯(lián)合發(fā)電既提高了發(fā)電效率，又實(shí)現(xiàn)了排放尾水的二次利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

圖7 聯(lián)合循環(huán)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)示意圖

1.7 不同地?zé)岚l(fā)電技術(shù)特性比較

地?zé)嵴羝l(fā)電、地?zé)崴l(fā)電以及干熱巖發(fā)電技術(shù)在適用范圍、發(fā)電效率、裝機(jī)容量等方面存在一定差異，如表1[19,22,34]所示。

表1 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)對(duì)比分析

作為一種較新型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，干熱巖發(fā)電技術(shù)由于開(kāi)采難度較大，且技術(shù)不成熟，目前裝機(jī)容量還很小。若能從根本上解決干熱巖熱能利用問(wèn)題，必將在地?zé)釕?yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。而常規(guī)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)中，地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)和減壓擴(kuò)容發(fā)電技術(shù)裝機(jī)容量較大，在電廠造價(jià)[35]、環(huán)境影響方面優(yōu)于中間工質(zhì)技術(shù)，但發(fā)電效率相對(duì)偏低。中間工質(zhì)法因低沸點(diǎn)工質(zhì)的應(yīng)用，發(fā)電成本增大，且存在一定環(huán)境隱患。另外地?zé)嵴羝l(fā)電因所需溫度高、埋藏較深，導(dǎo)致開(kāi)采難度提高。

2 新興聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，能源結(jié)構(gòu)不斷改善，太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉磧?yōu)勢(shì)突出，比重增大，成為開(kāi)發(fā)利用的研究熱點(diǎn)。根據(jù)其形態(tài)和品位的特點(diǎn)，有效實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)的發(fā)電方式，是提高能源利用率的有效途徑[36]。

2.1 地?zé)崤c太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電

地?zé)岚l(fā)電雖具備可再生、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)，例如在澳大利亞等炎熱和干旱的氣候條件下，日變化的溫度對(duì)風(fēng)冷冷凝器的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致地?zé)岚l(fā)電廠功率輸出波動(dòng)大和熱效率的下降[37]。為提高地?zé)崮苓@種低品位熱能的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益，近幾十年研究者嘗試將地?zé)崮馨l(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合，并在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州法倫鎮(zhèn)建成世界首座太陽(yáng)能地?zé)峄旌想姀S，其裝機(jī)容量為26 MW，可滿足千戶家庭的供電需求[38]。

地?zé)崤c太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)主要分為兩大類：以地?zé)岚l(fā)電為主和以太陽(yáng)能發(fā)電為主。前者是在原有的地?zé)崴l(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)太陽(yáng)能集熱器，對(duì)流體進(jìn)行加熱。目前以基于蒸汽發(fā)電的地?zé)岚l(fā)電為主的系統(tǒng)，依據(jù)太陽(yáng)能集熱器位置的不同，可分為圖8(a)—(d)所示的4種情況：1）地?zé)崴冉?jīng)集熱器加熱，后進(jìn)入地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，該流程可提高進(jìn)入汽輪機(jī)的地?zé)崴疁囟?，并增加蒸汽含量?）地?zé)崴冉?jīng)過(guò)分離器，蒸汽直接進(jìn)行發(fā)電，而分離出的熱水經(jīng)集熱器加熱后也可進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電；3）除對(duì)分離出的熱水進(jìn)行加熱外，一些系統(tǒng)采取太陽(yáng)能集熱器加熱蒸汽的方式，使飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)飽和，從而提高發(fā)電量。4）為實(shí)現(xiàn)地?zé)崴难h(huán)利用，集熱器還可置于汽輪機(jī)組之后，冷卻的蒸汽經(jīng)加熱后與新地?zé)崴煌鹘?jīng)汽輪機(jī)組實(shí)現(xiàn)發(fā)電[39]。對(duì)于以太陽(yáng)能發(fā)電為主的系統(tǒng)，因地?zé)崴疁囟冗h(yuǎn)低于太陽(yáng)能集熱器可達(dá)溫度，僅起到加熱進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器工質(zhì)的作用，因此地?zé)崮茴A(yù)熱器較為固定，該發(fā)電系統(tǒng)類型 簡(jiǎn)單。

除上述直接將利用蒸汽發(fā)電的地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合外，研究人員現(xiàn)多模擬有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，利用地?zé)崮芘c太陽(yáng)能雙重的熱量，并最終將其轉(zhuǎn)換為電能。在周剛等[40]設(shè)計(jì)的不受地理位置限制的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，白天載熱流體經(jīng)地?zé)崮芗訜岷筮M(jìn)入槽式太陽(yáng)能集熱器，對(duì)其進(jìn)行二次加熱，多余能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能器，并最終進(jìn)入ORC系統(tǒng)將熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)，帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電組實(shí)現(xiàn)發(fā)電；在夜間載熱流體則受地?zé)崮芎蛢?chǔ)能器的雙重加熱，大致流程如圖8(e)所示。該系統(tǒng)使2種清潔能源很好地融合，既實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，又提高發(fā)電效率，是未來(lái)能源利用發(fā)展的有利方向。此外，超臨界CO2循環(huán)在地?zé)崤c太陽(yáng)能混合系統(tǒng)中也發(fā)揮著重要作用，有效地耦合較低溫度的地?zé)岷洼^高溫度的太陽(yáng)能熱，系統(tǒng)熱效率得以提高，?效率也比單獨(dú)的太陽(yáng)能熱的循環(huán)系統(tǒng)提高了5%~10%[36]。

2.2 地?zé)崤c生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電

生物質(zhì)能儲(chǔ)量豐富，是世界第四大一次能源，僅次于煤、石油、天然氣三大化石燃料[41]，并且與地?zé)崮?、太?yáng)能同屬可再生能源。自20世紀(jì)60年代，我國(guó)先后對(duì)生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)、沼氣發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)進(jìn)行探索并應(yīng)用于實(shí)際發(fā)電工程，踐行國(guó)家五年計(jì)劃中“將生物質(zhì)能利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目”的重要指示[42]。但由于生物質(zhì)存在熱值小、效率低等問(wèn)題，使其不適合大規(guī)模發(fā)電。

生物質(zhì)能雖熱量少，但溫度高的優(yōu)勢(shì)不容忽視。趙波等[43]提出將生物質(zhì)燃?xì)?生物質(zhì)能的一種形式)與熱量大、溫度相對(duì)較低的中低溫地?zé)崮芟嘟Y(jié)合，用于聯(lián)合發(fā)電，具有良好的經(jīng)濟(jì)可行性，并大大提高發(fā)電功率[39]。圖9為該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，生物質(zhì)原料(如秸稈等)經(jīng)酸化水解、厭氧發(fā)酵后生成生物質(zhì)燃?xì)?，進(jìn)入燃?xì)忮仩t燃燒，對(duì)已經(jīng)受到地?zé)崴訜岬牡头悬c(diǎn)工質(zhì)進(jìn)行二次加熱，使之由飽和蒸汽轉(zhuǎn)為過(guò)熱蒸汽，隨后進(jìn)入發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱能–機(jī)械能–電能的轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路經(jīng)熱力循環(huán)性能分析和發(fā)電成本評(píng)估，結(jié)果表明發(fā)電功率可達(dá)單一地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的4.1倍，發(fā)電成本可隨生物質(zhì)能利用分?jǐn)?shù)的提高而大幅度降低。

圖9 地?zé)崤c生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電技術(shù)示意圖

在實(shí)際應(yīng)用中，全球首座地?zé)崮芘c生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電廠Cornia 2地?zé)岚l(fā)電廠已于2015年建成投產(chǎn)，該廠位于意大利托斯卡納區(qū)，由意大利國(guó)家電力公司Enel旗下的綠色電力公司(EGP)投資建成。該聯(lián)合發(fā)電廠可充分利用當(dāng)?shù)氐纳稚镔|(zhì)能，將地?zé)崮墚a(chǎn)生的蒸汽加熱至200℃以上，使發(fā)電廠發(fā)電能力提高3倍，并為本國(guó)能源網(wǎng)增加超過(guò)3 000萬(wàn)kW×h的低碳電力，減緩溫室效應(yīng)。

3 存在問(wèn)題

地?zé)岚l(fā)電在實(shí)際應(yīng)用中受到腐蝕、結(jié)垢、回灌等問(wèn)題的限制，另外在前期也存在地?zé)豳Y源勘查困難等問(wèn)題，不利于地?zé)崮茉诎l(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展。

3.1 腐蝕與結(jié)垢

腐蝕和結(jié)垢是地?zé)崮芾眠^(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題。因地?zé)崴泻喾N離子，礦化程度高，尤其是氯離子，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)腐蝕管道、深井泵、換熱器等裝置與設(shè)備[44]，其中西藏羊八井地?zé)犭姀S的16Mn鋼板每年被腐蝕掉13mm厚[45]，需投入大量資金對(duì)其進(jìn)行維修以保證正常發(fā)電?，F(xiàn)多采用涂防腐層、選擇防腐材質(zhì)、充氮注硫等方法減輕腐蝕現(xiàn)象[44]。結(jié)垢是地?zé)崴眠^(guò)程中的另一大難題，該難題也與地?zé)崴某煞钟嘘P(guān)。在地?zé)釒r附近高溫高壓的環(huán)境下，地?zé)崴扇芙舛喾N可溶性礦物質(zhì)，但在提至地面的過(guò)程中，隨著周圍溫度、壓力的變化，可溶性礦物質(zhì)逐漸析出并附著于管道等設(shè)備表面，形成垢層，降低地?zé)崴牧鲃?dòng)性與傳熱器的傳熱效率。目前，常見(jiàn)的防垢技術(shù)包括添加化學(xué)阻垢劑、電磁場(chǎng)等物理除垢、涂層防垢等。

3.2 回灌

為使地?zé)崴徽?，避免地面塌陷的發(fā)生，保證地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用，同時(shí)避免地?zé)崴杏泻Τ煞謱?duì)環(huán)境的污染，地?zé)崴幕毓嗍鞘直匾摹５珜?shí)際回灌過(guò)程中技術(shù)要求復(fù)雜，回灌井的位置不當(dāng)以及過(guò)量回灌都會(huì)引發(fā)熱儲(chǔ)的冷卻[46]，如何有效、簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)地?zé)崴幕毓噙€有待研究和探索。

3.3 資源勘查

地?zé)豳Y源勘查是實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源有效開(kāi)發(fā)利用的前提，而我國(guó)目前的地?zé)峥辈榧夹g(shù)僅處于初級(jí)水平，且很多西部地區(qū)甚至未進(jìn)行過(guò)地?zé)峥辈楣ぷ?，主要原因是?guó)家缺乏有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，勘查專業(yè)研究未取得較好進(jìn)展等[47]。但隨著《地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》和相關(guān)政策的出臺(tái)，地?zé)豳Y源受到廣泛關(guān)注并成為熱點(diǎn)，地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)利用將迎來(lái)黃金發(fā)展期[48]。

4 結(jié)論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題逐漸突出，地?zé)崮茏鳛榭稍偕那鍧嵞茉矗艿礁鲊?guó)研究者的廣泛重視，并將其用于發(fā)電領(lǐng)域?，F(xiàn)已存在地?zé)嵴羝l(fā)電技術(shù)、地?zé)崴l(fā)電技術(shù)、干熱巖發(fā)電技術(shù)等單一地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，及地?zé)崮芘c太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等新能源的聯(lián)合發(fā)電技術(shù)，并在實(shí)際工程中得以應(yīng)用，大大緩解能源短缺、溫室效應(yīng)等資源與環(huán)境問(wèn)題。但地?zé)岚l(fā)電本身存在難回灌、易結(jié)垢腐蝕的問(wèn)題，從而阻礙地?zé)岚l(fā)電的廣泛應(yīng)用。燃煤發(fā)電在未來(lái)30年仍將占有較高比重，如何有效解決地?zé)岚l(fā)電存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是未來(lái)研究的方向。

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Overview of Geothermal Power Generation and Joint Power Generation With Other New Energy Sources

LI Kexun1, ZONG Mingzhu1, WEI Gaosheng2

(1. College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Jinnan District, Tianjin 300350, China; 2. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Education (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China)

Geothermal resources are abundant and widely distributed in China. With the emergence of energy shortage and environmental deterioration, geothermal energy, as a renewable and clean energy source, has been widely focused and used in power generation to reduce the emission of pollutants, mitigate the greenhouse effect caused by fossil fuels such as coal and realize the optimization of energy structure. This paper introduced the working principle of geothermal steam power generation technology, geothermal hydropower generation technology, dry heat rock power generation technology and magma power generation technology, and compared them in terms of scope of application, power generation efficiency, power generation cost, advantages and disadvantages, etc. In addition, joint power generation technology with solar power and biomass power was suggested, the problems of geothermal power generation were points out, in order to provide a theoretical basis for the practical application of geothermal energy in China and even in the world.

geothermal power generation; solar energy; biomass energy; joint power generation

10.12096/j.2096-4528.pgt.19013

TM61

2019-01-25。

李克勛(1975)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)、電化學(xué)與新能源技術(shù)、節(jié)水技術(shù)及管理等，likx@nankai.edu.cn；

李克勛

宗明珠(1995)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)應(yīng)用，本文通訊作者，zmzfighting1024@163.com。

宗明珠

(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))