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国内外地热发电技术发展现状及趋势

时间:2017-04-19  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  地热资源是一种可再生的清洁能源,储量大、分布广,具有清洁环保、用途广泛、稳定性好、可循环利用等特点,与风能、太阳能等相比,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,是一种现实并具有竞争力的新能源。

 

  2017年2月,国家发展和改革委员会编制的《地热能开发利用“十三五”规划》已经正式印发。根据规划内容,“十三五”期间地热能开发将拉动总计2600亿元投资。在此过程中,将探索建立地热能开发的特许经营权招标制度和PPP模式,并且将放开城镇供热市场准入限制,引导地热能开发企业进入城镇供热市场。“十三五”期间,新增地热发电装机容量500兆瓦,到2020年,地热发电装机容量约530兆瓦。

 

  在加快调整能源结构、强化雾霾治理、积极应对气候变化挑战的大格局中,基于地热资源的地位及其利用价值,相关产业将成为重要投资增长点。

 

  全球地热资源分布情况

 

  地球内部蕴藏着难以想象的巨大能量。根据估算,仅地壳最外层10公里范围内,就拥有1254亿焦热量,相当于全世界现产煤炭总发热量的2000倍。如果计算地热能的总量,则相当于煤炭总储量的1.7亿倍。有人估计,地热资源要比水力发电的潜力大100倍。可供利用的地热能即使按1%计算,仅地下3公里以内可开发的热能,就相当于2.9万亿吨煤的能量!

 

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  就全球来说,地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于30℃的地热异常区,主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞,衰亡-消减带部位。环球性的地热带主要有下列4个:

 

  (1)环太平洋地热带:世界许多著名的地热田,如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福;墨西哥的塞罗、 普列托;新西兰的怀腊开;中国的台湾马槽;日本的松川、大岳等均在这一带。

 

  (2)地中海-喜马拉雅地热带:世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。

 

  (3)大西洋中脊地热带:冰岛的克拉弗拉 、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。

 

  (4)红海-亚丁湾-东非裂谷地热带:包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。

 

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  冰岛就是富地热资源的国家。它地处北极圈附近,尽管气候寒冷,但地下却蕴藏着巨大的热能。冰岛的岩流几乎占全球岩流的三分之一,近几个世纪里,平均每五年有一次火山爆发,有形成地热的得天独厚的条件。据统计,冰岛拥有温泉、热泉、蒸汽泉、间歇泉等达1500多个。

 

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  美国也蕴藏着丰富的地热资源,据地质调查表明,美国高温地热发电潜力相当于755——7297亿吨标准煤,或600——4750亿桶石油;可以直接利用的中、低温热能则相当于1606——9139亿吨标准煤。此外,日本、新西兰、意大利、前苏联、印度、菲律宾、法国、匈牙利、墨西哥、肯尼亚等许多国家都蕴藏着地热资源。

 

  我国的地热资源也比较丰富。目前已发现的地热露头有2700多处(包括天然和人工露头),还有大量地热埋藏在地下尚待发现。

 

  除西藏外,云南和台湾省属高温地热区;福建、广东等沿海省份属中、低温地热带;内地一些盆地蕴有低温地热田。

 

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中国常规地热资源分布

 

  地热发电技术发展

 

  地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似,也是根据能量转换原理,首先把地热能转换为机械能,再把机械能转换为电能。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能,然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。

 

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  地热发电技术经过近百年的发展,种类多种多样,主要包括干蒸汽发电、扩容式蒸汽发电、双工质循环发电和卡琳娜循环发电等。

 

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  1、中-低温地热能

 

  目前开发的地热发电项目以普通型干蒸汽方式与闪蒸方式为主。最近10年利用中-低温地热能的双工质方式发电发展较快。对于具体的地热资源,需要从地热温度、地热总储量、地热水品质等方面,结合发电效率、运行维护、设备投资、环境保护等因素综合考虑,进而确定适合该地热资源的具体的发电技术路线。

 

  中低温 (t<130℃) 地热资源在目前已探明的地热资源中占有较大的比例,其中温度在90℃ 左右的地热资源约占这类资源总量的90%。针对这一类型的地热资源,双工质循环发电技术是较为适用的。双循环发电又称为有机郎肯循环(ORC,Organic Rankine Cycle),ORC发电技术能够利用的余热种类繁多,加之在效率、流程精简程度、运维成本等方面的优势,使得这项技术成为低品位热能回收利用的一个发展趋势。

 

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  在中低温地热资源的开发利用过程中,双工质循环和卡琳娜循环技术具有广阔的发展前景。

 

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A schematic diagram showing the basic concept of a low-temperature geothermal binary ORC system for electrical power generation.

 

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国外ORC发电机组产品信息

 

  卡琳娜循环是区别于常规朗肯循环的一种新的热力循环,采用氨和水的混合物作为工质,这种混合工质的沸点是变化的,随着氨与水比例的变化而变化。当热源参数发生变化时,只需要调整氨和水的比例即可达到最佳的循环效果。工质的升温曲线更接近于热源的降温曲线,尽可能地降低传热温差,减少传热过程中系统的熵增,提高循环效率。由于卡琳娜循环的这个显著的特点,使它在中低温地热发电领域得到了广泛的应用。目前的工业化应用表明,卡琳娜循环发电技术的循环效率比朗肯循环的效率高20%~50%。但是由于其采用液态氨作为循环工质,对系统的密封性有较高的要求,同时工质储存和使用过程中对环境将造成一定的影响,在电站建设过程中要注意加强环评工作。

 

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  我国从美国引进的卡琳娜(Kalina)动力循环技术是盛合公司能够在太阳能光热发电、地热发电、水泥余热发电、浮法玻璃、钢铁行业、火电厂提高循环效率、焦炭行业和铁合金炉的余热发电及余热利用领域取得突破性进展的主要手段。这项技术能使目前在常规火力发电和余热发电系统中使用的朗肯循环效率大幅提高。这种采用氨水作为循环工质的技术脱胎于常规的朗肯循环,具有很大的特殊性。

 

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  2、中深层地热资源和干热岩资源的开发

 

  另外,在浅层地热能得到大规模开发后,中深层地热资源和干热岩资源将成为地热发电技术新的资源。 在地热发电技术下一步的发展过程中,应注重中深层地热资源和干热岩资源的开发。

 

  旨在开发和利用地底深层3~10 km、以干热岩(hot dry rock,HDR)热能为主的增强型地热系统(enhanced geothermal systems,EGS)正在兴起,增强型地热发电技术,通过将水回灌到地下水,创造出新的地热资源,可以获得更高温度的地热资源,可以达到175~225℃。一般采用双循环发电,以维持地热水的压力,降低回灌的能耗。

 

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  美国的 Fenton EGS、法国的 SoultzEGS、英国的 Rosemanowes EGS、日本的 Hijiori EGS、澳大利亚的 Cooper EGS等经过40年的野外试验研究,已经在钻井探测、水力压裂、人造热储和采热循环等方面获得了技术成就。在干热岩领域,中国前期投入较小,主要资助开展学术交流、探索研究,并未形成国家层面的干热岩技术研发基地和装备条件。

 

  3、地热发电技术发展趋势

 

  然而,新型的联合循环发电技术是地热发电技术的发展方向。单一的蒸汽朗肯循环发电技术循环效率较低,仅为20% 以下;尾水排放温度较高,一般在 100℃ 以上,地热能利用不够充分。 双工质循环和卡琳娜循环发电技术系统较为复杂,涉及到两套工质系统,但循环效率高,尾水排放温度可以降至 60℃ 以下。在未来的地热发电技术中,可以采用联合循环的方式。在地热水的高温阶段,采用扩容式蒸汽发电系统,利用地热能的高温部分;在地热水温度不能满足扩容发电方式运行条件时,采用双工质循环或卡琳娜循环技术,充分利用地热能的低温部分,最大限度地提高地热发电循环的效率。土耳其 Kizildere地热电站在采用扩容系统的基础上,联合使用双工质循环技术进行试验机组的研究, 最大功率达到18.238kW,循环效率达到38.58%,联合循环发电系统性能稳定。

 

  还可以将地热发电与太阳能热利用相结合。在双工质循环或卡琳娜循环中,在低温地热水的热交换阶段引入太阳能热利用方式,克服地热水温度较低、能源品位较差的弱点,提高循环效率。目前,这种技术已经在美国、智利等国家开展了实验室研究。

 

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  全球地热发电装机容量

 

  近年来世界地热发电发展迅速,全球地热发电装机容量从2000年的8594MW,增加到2016年6月的13200MW。亚太地区与北美地区地热发电装机容量居主导地位,分别为4.8GW和3.9GW。美洲地热发电市场以美国、墨西哥和尼加拉瓜为主。亚太地区的地热发电市场主要有印尼、日本、菲律宾和新西兰。美国拥有全球最多的地热资源,估计地热储量约为31000MW,地热能开发规模最大,地热发电居世界第一。北欧冰岛是全球地热开发的楷模,约1/3的电力来自地热发电,地热在一次能源中占54%。菲律宾是发达的地热发电国家,地热发电量仅次于美国,约占国内总发电量的20%。印尼的活火山数和地热潜能居世界第二位。印尼地热发电装机容量居世界第三。目前地热发电量占印尼全国总用量的3%,印尼的地热储量约为29000MW,占全球总量的40%。肯尼亚地热发电开发以惊人的速度向前推进,2016年装机容量超过600MW,肯尼亚的地热发电量占总用电量的49%。

 

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图表:2014-2016年重点国家地热发电装机容量(单位:MW)

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  资料来源:高端装备发展研究中心

 

  中国地热资源多为低温地热,主要分布在西藏、四川、华北、松辽和苏北。有利于发电的高温地热资源,主要分布在滇、藏、川西和台湾。据估计,喜马拉雅山地带高温地热有255处 5800MW。迄今运行的地热电站有 5处共 27.78MW,中国尚有大量高低温地热,尤其是西部地热亟待开发地热发电信息。

 

  我国地热发电发展现状及趋势

 

  目前,中国地热能虽是可再生能源中的小弟,在国内,中国石化走在了中国石油、中国海油的前面,新星石油公司作为中国石化新能源发展的一个平台, 经过 10 余年的不懈探索和实践,已经取得了一定成效,成为国内地热行业的领军企业。在中低温余热发电技术方面,江西华电电力的螺杆膨胀动力发电机的技术比较成熟,既可用于工业余热废热回收发电,也可用于新能源发电。但地热发电遇到的其他技术问题还很多,有时甚至是基础性的,热源探查技术落后,钻探技术还不成熟,成井工艺方面也有待提高,有时需要打很多废井才能找到热源,增加生产成本,严重影响热能的充分利用和热源的使用寿命。综合技术也十分缺乏,缺少懂地面技术又懂地下勘探的企业。

 

  国家对地热发电产业的支持仍不足,我国的地热发电还没有引起政府的足够重视,未来规划也不够清晰。政府的引领和推动将是地热发电产业发展的关键。地热发电在国外大放异彩与政府的扶持密不可分,多国政府都在支持地热能发展方面做出了努力。目前,我国对于地热发电产业的扶持力度还远远不够,并且存在政府部门重复管理、评价信息缺失、资源利用浪费、不合理开发等问题。

 

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  根据《地热能开发利用“十三五”规划》内容,“十三五”期间地热能开发将拉动总计2600亿元投资。在此过程中,将探索建立地热能开发的特许经营权招标制度和PPP模式,并且将放开城镇供热市场准入限制,引导地热能开发企业进入城镇供热市场。开展干热岩开发试验工作,建设干热岩示范项目。大力推广浅层地热能利用加强地热资源评价技术、高效换热技术、中高温热泵技术等关键技术研发,建设一批中低温发电和干热岩发电项目。根据规划,到“十三五”时期末期,将形成较为完善的地热能开发利用管理体系和政策体系,并且完善地热能开发利用市场机制,探索建立地热能开发的特许经营权招标制度和政府和社会资本合作(PPP模式)。

 

  在“十三五”期间,希望中国的地热发电技术更上一层楼。在政策方面,给予大力的支持;在政府管理方面,尽快协调各方管理;在技术上我国应该协调多方力量,让中国地热发电产业蓬勃发展起来。

 

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