地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及其關(guān)鍵影響因素綜述

李 健，武江元，楊 震，段遠(yuǎn)源，俞自濤

（1.清華大學(xué)能源與動力工程系，北京 100084； 2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027； 3.浙江大學(xué)熱工與動力系統(tǒng)研究所，浙江 杭州 310027）

隨著碳中和目標(biāo)的提出，化石能源的消費占比注定會大幅下降，而可再生能源的消費占比將顯著提升。地?zé)崾且环N清潔、低碳的可再生能源，具有連續(xù)穩(wěn)定、受天氣季節(jié)影響小、利用系數(shù)高、存儲量大及利用成本低等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，會在未來能源體系中占據(jù)重要地位[1-2]。我國的地?zé)豳Y源十分豐富，占全球總儲量的7.9%[3]，且分布廣泛。高效利用地?zé)豳Y源對于降低我國的化石能源消耗、落實碳中和目標(biāo)具有重要意義。

地?zé)岬睦梅绞娇芍饕譃橹苯訜崂茫ü帷⒅评浜透稍锏龋┖桶l(fā)電。直接熱利用的研究、應(yīng)用較為完善，但存在能量遠(yuǎn)距離傳輸困難、需求有限（地域、季節(jié)約束）等問題；而地?zé)岚l(fā)電，不僅可提升能量品位，而且電能便于傳輸、用途廣、需求大，應(yīng)用前景更好，是當(dāng)前國際能源領(lǐng)域的關(guān)注熱點。

為促進(jìn)我國地?zé)岚l(fā)電的大規(guī)模發(fā)展，本文收集、整理了我國的地?zé)豳Y源數(shù)據(jù)，總結(jié)了我國地?zé)豳Y源的特點和地?zé)岚l(fā)電的相關(guān)政策及發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了5種典型的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，探究并總結(jié)了影響地?zé)岚l(fā)電利用的關(guān)鍵因素，可為我國的地?zé)岚l(fā)電利用提供參考。

1 中國地?zé)豳Y源概述

根據(jù)熱儲溫度，地?zé)豳Y源可分為低溫地?zé)幔ǖ陀?0 ℃）、中溫地?zé)幔?0～150 ℃）和高溫地?zé)幔ǜ哂?50 ℃）。我國的地?zé)豳Y源是以150 ℃以下的中低溫地?zé)釣橹鳎邷氐責(zé)嶂饕挥谖鞑?、臺灣、云南等地區(qū)[4]。根據(jù)存儲形式，地?zé)豳Y源又可分為蒸汽型、水熱型、地壓型、干熱巖型和巖漿型。其中，蒸汽型、水熱型和干熱巖型地?zé)崾悄壳袄玫闹饕獙ο骩5]。

蒸汽型地?zé)岬闹饕攸c是直接排放蒸汽，一般可搭配水蒸氣朗肯循環(huán)或閃蒸循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，利用較為容易，但在我國的儲量較為稀少。水熱型地?zé)嶂饕欧艈蜗嗟臒崴瑑α控S富，我國已探明的水熱型地?zé)豳Y源量達(dá)1.25萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤[6]，主要分布在四川盆地、華北平原等15個沉積盆地（平原）及藏南-川西-滇西、東南沿海等隆起山地區(qū)域[6]。一般來說，沉積盆地（平原）的地?zé)豳Y源儲量更大、開采條件更好，但熱儲溫度相對較低。中國主要沉積盆地（平原）的水熱型地?zé)豳Y源見表1，中國隆起山地區(qū)域的水熱型地?zé)豳Y源見表2。

表1 中國主要沉積盆地（平原）的水熱型地?zé)豳Y源 Tab.1 Hydrothermal geothermal resources in main sedimentary basins (plains) in China

表2 中國隆起山地區(qū)域的水熱型地?zé)豳Y源 Tab.2 Hydrothermal geothermal resources in the upland region of China

干熱巖型地?zé)岱褐笡]有水或蒸汽的熱巖體，在3種地?zé)豳Y源中儲量最大，我國陸地3～10 km深度的干熱巖型地?zé)豳Y源量約860萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中可開采量為17.2萬億t標(biāo)準(zhǔn)煤[6]。但干熱巖型地?zé)嵋话阈枰ㄟ^灌注水等流體從干熱巖中取熱，使其變成高溫?zé)崴蛘羝?，再抽回地面利用，開采成本高，利用難度大。

我國的淺層地?zé)豳Y源分布更為廣泛，每年的可開采量超過7億t標(biāo)準(zhǔn)煤[7]。適合大規(guī)模開采的地區(qū)主要位于中東部的平原、盆地等水資源相對豐富的區(qū)域，包括河北、河南、北京、天津等13個?。ㄊ校?；考慮到施工難度和成本，在西部缺水的省份及部分氣候寒冷的省份不適宜大規(guī)模開采淺層地?zé)醄6]。此外，地?zé)崽镞€會與油氣田伴生存在，一些油氣資源豐富的地區(qū)也存在著豐富的地?zé)豳Y源。中國油區(qū)的地?zé)豳Y源量超過849億t標(biāo)準(zhǔn)煤[8]。油田地區(qū)廢棄的采油井可作為地?zé)峋褂?，大幅降低了地?zé)岬拈_采成本，具有非常好的開發(fā)前景[9]。

2 地?zé)岚l(fā)電相關(guān)政策及發(fā)展現(xiàn)狀

我國對于地?zé)崂靡恢狈浅Ｖ匾?，頒布了一系列的相關(guān)政策和法規(guī)給予大力支持。2006年，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出了地?zé)崮艿拈_發(fā)利用技術(shù)。2013年，國家能源局下發(fā)了《促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見》，要求對地?zé)岚l(fā)電項目給予電價補貼。2017年，《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出了“到2020年，地?zé)岚l(fā)電裝機容量約530 MW”的發(fā)展目標(biāo)，并倡導(dǎo)“在西藏、川西等高溫地?zé)豳Y源區(qū)建設(shè)高溫地?zé)岚l(fā)電工程；在華北、江蘇、福建、廣東等地區(qū)建設(shè)若干中低溫地?zé)岚l(fā)電 工程”。2021年，國家能源局出臺了《關(guān)于促進(jìn)地 熱能開發(fā)利用的若干意見（征求意見稿）》，提出到2025年各地基本建立地?zé)崮荛_發(fā)利用管理體系。

在地方政府層面，各省、市也都陸續(xù)出臺了相關(guān)的政策、法規(guī)，以支持、鼓勵地?zé)豳Y源的開發(fā)利用。以西藏自治區(qū)為例：2008年的《“十一五”時期國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃綱要》提出了要大力發(fā)展地?zé)岬瓤稍偕茉矗?018年印發(fā)了《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》，明確提出了要有序推進(jìn)地?zé)崮芾茫煌?，又先后發(fā)布了《“十三五”節(jié)能減排規(guī)劃暨實施方案》和《“十三五”時期應(yīng)對氣候變化規(guī)劃》。前者提出了要加強地?zé)崮艿惹鍧嵖稍偕茉雌詹椋◤?fù)查），推進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用；后者提出了“到2020年，力爭地?zé)崮馨l(fā)電裝機規(guī)模達(dá)到5萬kW以上”的發(fā)展目標(biāo)。此外，大型國有企業(yè)也不斷出臺相關(guān)的協(xié)議和指導(dǎo)意見以促進(jìn)地?zé)崂玫目焖侔l(fā)展。中石化于2013年發(fā)布了《關(guān)于中國石油化工集團(tuán)公司地?zé)岙a(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出“到2030年，實現(xiàn)新增地?zé)岚l(fā)電裝機容量 1 700 MW以上”的發(fā)展目標(biāo)。中石油也于2021年提出了要加大地?zé)豳Y源綜合利用。

得益于“節(jié)能減排”基本國策的驅(qū)動和相關(guān)政策、法規(guī)的大力支持，我國地?zé)崂冒l(fā)展非常迅猛，近些年在供暖、制冷、干燥、養(yǎng)殖、旅游等地?zé)崮苤苯永妙I(lǐng)域應(yīng)用較多[10]。截止到2019年底，我國地?zé)崮苤苯永玫难b機容量為40.6 GW，位居世界 第一，開發(fā)對象主要是水熱型地?zé)醄11]。但我國在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域的發(fā)展相對緩慢，主要的地?zé)犭娬疽姳?。

表3 中國的地?zé)犭娬?Tab.3 Geothermal power stations in China

我國在上世紀(jì)就建設(shè)了廣東豐順、江西溫湯、西藏羊八井等一批地?zé)犭娬荆坏壳?，除西藏羊八井地?zé)犭娬镜牟糠謾C組仍在運行外，其余地?zé)犭娬揪淹＿\。21世紀(jì)初，我國又新建了西藏羊易、華北油田等地?zé)犭娬荆b機容量普遍相對較小。雖然《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》中提出了“到2020年新增地?zé)岚l(fā)電裝機容量500 MW，累計達(dá)到530 MW”的發(fā)展目標(biāo)；但到2019年底，我國實際投產(chǎn)的地?zé)岚l(fā)電裝機容量只有49 MW，與規(guī)劃提出的發(fā)展目標(biāo)存在巨大差距[7]。目前，全球地?zé)岚l(fā) 電的裝機總量達(dá)16.0 GW，中國所占的份額比例極小[11]。我國地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展明顯落后于國外。

3 典型地?zé)岚l(fā)電技術(shù)

典型的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)包括水蒸氣朗肯循環(huán)、閃蒸循環(huán)、有機朗肯循環(huán)、卡林那循環(huán)和全流發(fā)電系統(tǒng)。其中，有機朗肯循環(huán)和卡林那循環(huán)并非直接利用地?zé)崃黧w進(jìn)行發(fā)電，而是采用中間介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電，又被稱為雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

3.1 水蒸氣朗肯循環(huán)

水蒸氣朗肯循環(huán)（steam Rankine cycle）也稱干蒸氣發(fā)電系統(tǒng)，其流程如圖1所示。

圖1 簡單水蒸氣朗肯循環(huán)示意 Fig.1 Schematic diagram of simple steam Rankine cycle

地?zé)峋械母邷卣羝冉?jīng)過濾裝置祛除固體顆粒，再通入汽輪機進(jìn)行膨脹，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；膨脹后的乏汽一般先經(jīng)凝汽器冷凝為液體，再注回地下，完成循環(huán)。水蒸氣朗肯循環(huán)技術(shù)成熟、系統(tǒng)簡單、投資成本低；但對地?zé)崽锏囊蟾?，僅適用于高干度的蒸汽型地?zé)?，不適合小容量場景，適用場景窄。

世界上第一座地?zé)犭娬尽獯罄鸏ardereloo地?zé)犭娬?，采用的就是水蒸氣朗肯循環(huán)技術(shù)，地?zé)岬恼羝麥囟雀哌_(dá)140～220 ℃。美國Geysers地?zé)犭娬静捎玫囊彩撬魵饫士涎h(huán)技術(shù)，該地?zé)崽锏膬诱羝麥囟瘸^280 ℃。中國的高溫蒸汽型地?zé)崽飿O少，西藏羊八井-羊易盆地和云南騰沖具有高溫蒸汽資源，但受制于地質(zhì)環(huán)境，鉆井難度大，成井率低，開發(fā)落后于國外。

3.2 閃蒸循環(huán)

閃蒸循環(huán)（flash cycle）又稱擴(kuò)容式發(fā)電循環(huán)，主要是采用閃蒸器或擴(kuò)容器將兩相地?zé)崃黧w的壓力快速降低到其溫度對應(yīng)的飽和蒸氣壓以下，使其在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為蒸汽，此過程一般稱為閃蒸過程或擴(kuò)容過程；之后，再將蒸汽通入汽輪機進(jìn)行膨脹，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；膨脹后的乏汽和閃蒸器分離出來的液體經(jīng)凝汽器和冷卻器冷卻后再重新注回地下。典型的單級閃蒸循環(huán)如圖2所示。閃蒸循環(huán)的優(yōu)點在于簡單可靠、投資成本低、便于維護(hù)；缺點在于汽輪機尺寸大，易結(jié)垢、易腐蝕，閃蒸過程的能量損失多，循環(huán)的發(fā)電效率低，僅適用于蒸汽型地?zé)岷蜏囟容^高的干熱巖型地?zé)?，對水熱型地?zé)岵⒉贿m用。我國的第一座地?zé)犭娬尽獜V東豐順地?zé)犭娬竞秃匣覝⑸綎|招遠(yuǎn)、西藏羊八井等地?zé)犭娬疽约靶挛魈mWairakei地?zé)犭娬?、美國Hudson Ranch地?zé)犭娬揪捎昧碎W蒸循環(huán)技術(shù)。為進(jìn)一步提高閃蒸循環(huán)的發(fā)電效率，學(xué)者們還提出了雙級閃蒸甚至是多級閃蒸循環(huán)，但多級閃蒸循環(huán)所需的地?zé)釡囟雀遊12-13]。

圖2 單級閃蒸循環(huán)示意 Fig.2 Schematic diagram of single-stage flash cycle

3.3 有機朗肯循環(huán)

有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle, ORC）是以低沸點有機流體為工質(zhì)的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，具有簡單靈活、穩(wěn)定可靠、運行壽命長、對熱源溫度要求低、適用裝機容量范圍寬（1 kW～10 MW）等優(yōu)點，在地?zé)崮荛_發(fā)特別是中低溫水熱型地?zé)崮荛_發(fā)中具有非常好的應(yīng)用前景。簡單ORC系統(tǒng)如圖3所示。地?zé)崃黧w通過蒸發(fā)器將熱量傳遞給有機流體，然后回注到地下；有機流體吸收熱量后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏赫魵?，進(jìn)入膨脹機膨脹，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；膨脹后的乏氣進(jìn)入冷凝器被冷卻為液體，再經(jīng)工質(zhì)泵加壓進(jìn)入蒸發(fā)器繼續(xù)吸熱，完成循環(huán)。ORC系統(tǒng)基于朗肯循環(huán)原理，利用有機流體沸點低的特點，在較低溫度下產(chǎn)生較高的蒸氣壓力（甚至超過臨界壓力），推動膨脹機對外做功，實現(xiàn)中低溫地?zé)岚l(fā)電。

圖3 簡單ORC系統(tǒng)示意 Fig.3 Schematic diagram of simple ORC system

ORC技術(shù)已在地?zé)崮荛_發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，成功的應(yīng)用案例包括國內(nèi)的西藏那曲、江西溫湯、華北油田、河北獻(xiàn)縣等地?zé)犭娬荆约懊绹鳤medee、Heber地?zé)犭娬?、奧地利Altheim地?zé)犭娬?、日本Otake地?zé)犭娬竞偷聡鳱eustadt-Glewe熱電聯(lián)供電站。為提高ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率，可改進(jìn)循環(huán)形式，包括采用跨臨界循環(huán)、雙壓蒸發(fā)循環(huán)、添加回?zé)崞?、再熱器、噴射器等[14-15]；也可以優(yōu)選工質(zhì)或采用變溫相變的非共沸混合物[16-17]。

3.4 卡林那循環(huán)

卡林那循環(huán)（Kalina cycle）是以氨水為工質(zhì)的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。典型卡林那循環(huán)示意如圖4所示。

圖4 典型卡林那循環(huán)示意 Fig.4 Schematic diagram of typical Kalina cycle

地?zé)崃黧w通過蒸發(fā)器將熱量傳遞給氨水溶液，高溫溶液進(jìn)入分離器分離為富氨蒸氣和貧氨溶液，富氨蒸氣進(jìn)入膨脹機膨脹，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，而貧氨溶液預(yù)熱工質(zhì)泵出口的氨水溶液；膨脹后的富氨蒸氣與貧氨溶液先混合，再依次通過冷凝器冷凝、工質(zhì)泵加壓，完成循環(huán)。卡林那循環(huán)具有變溫的吸熱和放熱過程，可與冷熱源流體實現(xiàn)較好的溫度匹配效果，理論發(fā)電效率較高；但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，調(diào)控難度大，而且由于氨水溶液的特殊性，對部件材料和系統(tǒng)的密封性有較高要求。與ORC技術(shù)類似，卡林那循環(huán)也主要應(yīng)用于中低溫水熱型的地?zé)岚l(fā)電，但商業(yè)化應(yīng)用相對較少，目前主要應(yīng)用于冰島Husavik地?zé)犭娬?、印度尼西亞WayangWindu地?zé)犭娬竞偷聡鳸nderhaching地?zé)犭娬尽?/p>

3.5 全流發(fā)電系統(tǒng)

全流發(fā)電系統(tǒng)是一種直接將地?zé)峋械娜苛黧w（蒸汽、水、不凝性氣體等）直接通入全流膨脹器進(jìn)行膨脹的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，其流程與水蒸氣朗肯循環(huán)相似，但省去了過濾裝置，同時采用全流膨脹器代替了汽輪機。理論上，全流發(fā)電系統(tǒng)可以將地?zé)崃黧w直接膨脹到廢棄狀態(tài)，發(fā)電效率更高，且系統(tǒng)簡單；但全流膨脹器需要選用耐腐蝕、耐磨蝕的材料，且要具有可實現(xiàn)兩相膨脹的能力，加工設(shè)計難度大。全流發(fā)電系統(tǒng)主要適用于蒸汽型地?zé)岷蜏囟容^高的干熱巖型地?zé)?，對水熱型地?zé)岵⒉贿m用。相對水蒸氣朗肯循環(huán)，全流發(fā)電系統(tǒng)可應(yīng)用于干度更低的蒸汽型地?zé)?；而相對閃蒸循環(huán)，全流發(fā)電系統(tǒng)避免了閃蒸過程的能量損失。全流發(fā)電系統(tǒng)的概念提出相對較早，但研究應(yīng)用一直相對落后，近些年才有實際應(yīng)用的地?zé)犭娬荆ㄎ鞑匮虬司?、羊易地?zé)犭娬竞驮颇先瘥惖責(zé)犭娬尽?/p>

此外，不同的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)既可單獨應(yīng)用，又可聯(lián)合應(yīng)用。例如，ORC系統(tǒng)常與閃蒸循環(huán)聯(lián)合使用，閃蒸后的液相地?zé)崃黧w可作為ORC系統(tǒng)的熱源流體，從而獲得更高的發(fā)電效率[18]。

4 關(guān)鍵影響因素

影響地?zé)岚l(fā)電的關(guān)鍵因素包括地?zé)岬臏囟取⒘髁?、載體類型和水質(zhì)條件，以及當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境、地質(zhì)條件和政策因素等。因素不同，適用的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)以及地?zé)犭娬镜淖罴言O(shè)計、發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)收益等均會改變。

4.1 地?zé)釡囟?/h3>

地?zé)釡囟仍礁?，越容易實現(xiàn)發(fā)電，且單位流量地?zé)崃黧w的發(fā)電量更多，發(fā)電效率更高，發(fā)電收益也一般更好。以采用R1234ze(E)的簡單ORC系統(tǒng)為例，地?zé)釡囟葘ο到y(tǒng)凈發(fā)電量和凈發(fā)電效率的影響如圖5所示。

分別以單位流量地?zé)崴膬舭l(fā)電量最多和系統(tǒng)凈發(fā)電效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，對ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和透平入口溫度進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)的計算模型、邊界條件、優(yōu)化參數(shù)的選取范圍、優(yōu)化方法和模型驗證等可參考文獻(xiàn)[19]。由圖5可見：地?zé)崴臏囟扔?0 ℃升高到150 ℃，單位流量地?zé)崴膬舭l(fā)電量將由 5.2 kW增加到50.9 kW，且增加量逐漸增大；而系統(tǒng)的凈發(fā)電效率也會由7.8%提高到11.5%，但增速放緩。采用不同的工質(zhì)和循環(huán)形式，單位流量地?zé)崴膬舭l(fā)電量與系統(tǒng)凈發(fā)電效率的定量數(shù)值會存在一定差別，但定性的增長趨勢基本相同。

圖5 地?zé)釡囟葘舭l(fā)電量和凈發(fā)電效率的影響 Fig.5 Influences of geothermal temperature on the net power and net generating efficiency

地?zé)釡囟葘RC系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性能的影響如圖6所示，其ORC系統(tǒng)與圖5相同，但圖6是以系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期（DPP）最小為優(yōu)化目標(biāo)。ORC系統(tǒng)采用逆流管殼式換熱器、向心式透平和離心式工質(zhì)泵作為核心部件，換熱管的直徑為10/12 mm，材料是碳鋼。換熱器的布置方式、參數(shù)設(shè)置、流動換 熱模型及部件的購買成本模型可參考文獻(xiàn)[20]。DPP的定義式為：

圖6 地?zé)釡囟群土髁繉RC系統(tǒng)動態(tài)投資回收期（DPP）的影響 Fig.6 Influences of geothermal temperature and flow rate on the dynamic payback period (DPP) of ORC system

式中：i表示折現(xiàn)率，5%；Csys表示系統(tǒng)的總投資成本，取為換熱器、透平和工質(zhì)泵總購買成本的1.18倍（考慮了附屬設(shè)備成本和施工安裝成本）；Wel表示凈發(fā)電功率；τ表示年運行時間，8 000 h；Pel表示上網(wǎng)電價，0.15美元/kWh；fk表示系統(tǒng)的運行維護(hù)成本系數(shù)，1.5%；rate表示稅率，25%。

由圖6可見，隨地?zé)釡囟壬撸琌RC系統(tǒng)的DPP將顯著減小。對于流量為10 kg/s的地?zé)崴?dāng)?shù)責(zé)釡囟扔?10 ℃升高到150 ℃時，ORC系統(tǒng)的DPP由62.3年降低至10.8年；而當(dāng)熱源溫度低于110 ℃時，ORC系統(tǒng)的售電收入低于每年的運行維護(hù)成本，項目將一直處于虧損狀態(tài)，不具有經(jīng)濟(jì)可行性。地?zé)犭娬镜倪\行壽命較長，一般為20～30年，若地?zé)犭娬镜腄PP低于20年，意味著具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性和投資價值。

4.2 地?zé)崃髁?/h3>

地?zé)崃黧w的流量越多，地?zé)犭娬镜囊?guī)模越大，越有利于降低系統(tǒng)的單位投資成本，提升經(jīng)濟(jì)收益。以圖6為例，隨地?zé)崴牧髁吭龆啵琌RC系統(tǒng)的DPP將明顯降低；對于溫度為150 ℃的地?zé)?，隨地?zé)崴髁坑? kg/s增加到20 kg/s，ORC系統(tǒng)的DPP將由14.6年縮短到8.2年。系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性能的大幅提升增大了地?zé)岚l(fā)電的開發(fā)潛力。因此，從發(fā)電利用角度，流量大的地?zé)豳Y源具有更大的開發(fā)價值。

4.3 載體類型

地?zé)崃黧w的載體類型即干蒸汽、汽液混合物和熱水，對發(fā)電技術(shù)選取有顯著影響。干蒸汽和干度較高的汽液混合物可直接采用水蒸氣朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電，干度較低的汽液混合物一般需要選取閃蒸循環(huán)或全流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，而當(dāng)?shù)責(zé)崃黧w為熱水時，一般只能采用雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。地?zé)崃黧w的載體類型不同，其釋熱特性、換熱性能和單位流量的發(fā)電量等均會因此迥異，導(dǎo)致地?zé)犭娬镜淖罴言O(shè)計與熱經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生明顯差別。另外，當(dāng)熱源流體的溫度、壓力與質(zhì)量流量相同時，地?zé)崃黧w的干度越高，則其攜帶的熱量越多，這是因為蒸汽冷凝會釋放大量的熱；且高干度蒸汽可與更低成本的水蒸氣朗肯循環(huán)或閃蒸循環(huán)聯(lián)用，有利于降低發(fā)電成本，從而獲得更好的經(jīng)濟(jì)收益。

4.4 水質(zhì)條件

地?zé)崃黧w一般富含硅酸鹽鈣、硫酸鈣、碳酸鈣和溶解氧等物質(zhì)，存在結(jié)垢和腐蝕的可能性[21]。若地?zé)崃黧w的礦化度較高，某些固體物質(zhì)超過其飽和度時就會發(fā)生結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)Q熱器和汽輪機的性能急劇惡化，甚至是威脅地?zé)犭娬镜陌踩\行。為避免結(jié)垢，地?zé)崃黧w的回注溫度一般要不低于70 ℃[22]，這意味著單位流量地?zé)崴陌l(fā)電量會顯著減少，發(fā)電效率降低而發(fā)電成本升高。劉強[22]的研究結(jié)果表明，若地?zé)崴淖畹突刈囟扔?0 ℃提高到80 ℃，ORC系統(tǒng)的發(fā)電量將分別減少10%以上（入口溫度120 ℃情景）和20%以上（入口溫度100 ℃情景），系統(tǒng)的熱力性能嚴(yán)重惡化。Walraven[23]、Sun[24]等人指出地?zé)崴淖畹突刈囟炔煌?，ORC系統(tǒng)的最佳工質(zhì)和最佳設(shè)計參數(shù)不同，系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案隨之改變。

另一方面，若SO42-、Cl-、CO2、溶解氧等物質(zhì)濃度較高，地?zé)崃黧w會加速腐蝕金屬，因此換熱器、汽輪機、管道及閥門等設(shè)備需要選取不銹鋼等抗腐蝕性較強的金屬作為材料。但不銹鋼等抗腐蝕性強的金屬不僅成本高而且換熱性能一般較差，意味著部件成本會大幅增加，從而影響地?zé)岚l(fā)電的經(jīng)濟(jì)收益。Li等人[20]的研究表明，相對無腐蝕性的地?zé)崃黧w，腐蝕性強的地?zé)崃黧w需要采用不銹鋼作為ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)器材料，導(dǎo)致系統(tǒng)的單位投資成本（SIC）相對提高了8.1%～11.7%，經(jīng)濟(jì)性能明顯惡化。因此，對于礦化度較高或腐蝕性較強的地?zé)崃黧w，地?zé)岚l(fā)電的經(jīng)濟(jì)收益會變差，開發(fā)價值減弱。

4.5 氣候環(huán)境

當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境包括環(huán)境氣溫、水資源豐沛程度等，也是影響地?zé)衢_發(fā)的重要因素。環(huán)境氣溫影響發(fā)電系統(tǒng)的冷源溫度，環(huán)境氣溫越低，冷熱源的溫差越大，發(fā)電效率會越高。水資源豐沛程度不僅直接決定了是否適合進(jìn)行地?zé)衢_采，還決定了地?zé)犭娬镜睦鋮s方式選取。水資源豐沛地區(qū)可選用水冷方式，而水資源缺乏地區(qū)一般只能選用空冷方式。水冷方式可以實現(xiàn)更低的冷凝溫度，有利于增大發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)收益；而空冷方式更加節(jié)水且適用于冬季極低氣溫的情景，適用性強，但其冷凝溫度更高，會降低發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)收益。Usman等人[25]探究了環(huán)境氣溫與冷卻方式對ORC系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性能的影響，對于采用R245fa的簡單ORC系統(tǒng)：當(dāng)熱源溫度為130 ℃時，相對采用空冷方式，采用水冷方式可使系統(tǒng)的年均發(fā)電量增加19.2%，平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）相對降低12.1%；而地理位置不同帶來的環(huán)境氣溫差異會導(dǎo)致ORC系統(tǒng)的年均發(fā)電量相差45.9%，平準(zhǔn)化度電成本相差31.6%。

4.6 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件涵蓋地?zé)崽锏牡匦?、地貌、埋藏深度、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、孔隙率和儲水量等要素，對地?zé)峋目睖y、施工、運行維護(hù)和地?zé)崴刈⒂酗@著影響。埋藏淺、水量大、地質(zhì)穩(wěn)定、成井率高、回注容易的地?zé)崽锔荜P(guān)注。我國的高溫地?zé)嶂饕挥谖髂系壬矫}地區(qū)，開采難度大，是我國地?zé)岚l(fā)電開發(fā)的關(guān)鍵阻礙之一。我國的中低溫地?zé)嶂饕挥诔练e盆地和隆起山地（斷裂帶）。隆起山地的地?zé)釡囟雀叩髁啃?，開發(fā)難度大；而盆地的地?zé)豳Y源埋藏較淺、儲量大、分布廣，開發(fā)潛力一般更大[6]。

4.7 政策因素

當(dāng)?shù)氐恼咭蛩匕ǖ責(zé)岚l(fā)電的上網(wǎng)電價、投資補貼、政策支持等，也會對地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展產(chǎn)生顯著影響。地?zé)岚l(fā)電穩(wěn)定可靠，有利于大規(guī)模并網(wǎng)和獲得政策支持。提高地?zé)岚l(fā)電的上網(wǎng)電價，加大投資補貼力度，是政府層面促進(jìn)地?zé)岚l(fā)電發(fā)展的重要手段。但目前國內(nèi)在地?zé)岚l(fā)電方面還主要處于政策層面的鼓勵、支持，缺少定量化的上網(wǎng)電價標(biāo)準(zhǔn)和投資補貼標(biāo)準(zhǔn)，未能給地?zé)岚l(fā)電發(fā)展提供強有力支持。

5 結(jié) 論

中國的地?zé)豳Y源儲量豐富、分布廣泛，地?zé)岚l(fā)電穩(wěn)定可靠、清潔低碳，其大規(guī)模發(fā)展有利于促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。本文總結(jié)了中國地?zé)豳Y源的特點和地?zé)岚l(fā)電的相關(guān)政策及發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了5種典型的地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，分析、歸納了影響地?zé)岚l(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1）從發(fā)電技術(shù)角度，水蒸氣朗肯循環(huán)、閃蒸循環(huán)和全流發(fā)電系統(tǒng)主要適用于溫度較高的蒸汽型地?zé)?，而有機朗肯循環(huán)和卡林那循環(huán)更適用于中低溫水熱型地?zé)幔昏b于我國的地?zé)豳Y源是以中低溫地?zé)釣橹?，有機朗肯循環(huán)和卡林那循環(huán)在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域會有更大的發(fā)展空間。地?zé)岬臏囟仍礁?、流量越大、干度越高、水質(zhì)條件越好，當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境氣溫越低、成井率越高，地?zé)岚l(fā)電的開發(fā)潛力越大；豐沛的水資源及高的上網(wǎng)電價和投資補貼也有利于地?zé)岚l(fā)電行業(yè)的發(fā)展壯大。

2）地?zé)岚l(fā)電的未來發(fā)展，不僅需要在政策層面制定上網(wǎng)電價和投資補貼的定量化支持標(biāo)準(zhǔn)，還需要在技術(shù)層面探索適用更低地?zé)釡囟惹腋痈咝?、低成本的發(fā)電技術(shù)，以助力中低溫地?zé)岬拇笠?guī)模發(fā)電利用。此外，厘清地?zé)岚l(fā)電在未來能源體系中的定位，優(yōu)化設(shè)計地?zé)狎?qū)動的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)和地?zé)?、太陽能等多能源?lián)合驅(qū)動的綜合能源系統(tǒng)，對于地?zé)岚l(fā)電的未來發(fā)展也十分重要。