地热能开发与利用综述文档格式.docx

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150C-200C可用于蒸汽发电、制冷、工业干燥和工业热加工；

100C-150C可用于双循环发电、工业干燥、脱水加工和回收盐类；

50C-100C可用于工业干燥、供暖和家庭用热水；

20C-50C则主要用于沐浴、水产养殖和土壤加温等方面[2]。

地热的开发利用对于技术和装备要求是较高的，尤其在地热发电方面更是如此。

投资大、周期长、风险高意味着国家必须通过国家规划、技术引进、项目示范、政策优惠等方式推动地热资源的开发利用。

许多国家为了提高地热能的利用率，采用梯级开发和综合利用的方法，如热电联产、冷热电三联产和先供暖后养殖等，即用高品位的能源做功发电，低品位的能源供热，尽可能把部分冷源损失变成有价值的热。

1世界地热资源开发利用现状

已估计地壳中可用的总热量约为540×

1025J[3]。

考古学证据表明，人类首次使用地热资源发生在一万多年前并以烹饪、洗涤和治疗为目的。

正是在第二十世纪，地热能源首次大规模地用于空间加热、工业和发电。

地热资源同其他矿产资源一样，也有数量和品味的问题。

大部分地热资源以水热型为主，可直接进行开发利用，适合于发电、供热、洗浴、医疗、温室、干燥、养殖等。

利用中低温地热发电的主要问题是受热源温度影响发电效率较低，通常需要采用一些特殊技术，如双工质发电技术等。

2015年世界地热大会统计：

开展地热资源利用的国家已经达到82个。

在地热发电方面，装机容量已达到12635MWe，在地热直接利用方面，装机容量已达到70885MWt，较2010年增长46.2%[4]。

我国的地热资源利用也是以直接利用为主，且利用量连续多年位居全球之首。

1.1浅层地热能的利用

地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，由于热流的作用，从地球表面到地壳底部形成了比较稳定的温度梯度，从地表以下平均每下降100m，温度就会升高3C左右。

从地表以下几十米到几百米的范围内，形成了相对稳定的恒温层，故浅层地热能是一种“温差能”。

它所含有的热能温度接近常温，品味很低但始终高于大气环境，需要借助于热泵将其品味提升后加以利用。

按照热泵利用低温热源的不同，可以分为两大类，一是温度较低的自然热源，如空气、水（地下水、地表水、江、河、湖水等）；

二是温度较高的生活和工业余热，如废气、废水（包括油田污水等）。

其中，地源热泵系统重视地下水、土壤及地表水等环境中蕴藏的能量，以这些成本低廉、数量巨大的可再生自然资源作为低温热源，也可以发挥出显著的能源效应。

地源热泵系统把低位能转化为高位能向建筑物供暖，同时蓄集冷量以备夏用，即实现了热量的再分配，其综合效率系数COP一般可以达到4.0左右。

举例来说，就是输入1份电能可以获得4份热能。

如果蒸发器或冷凝器的有效换热面积不足或与压缩机不匹配、热泵机组的设计不合理或制造质量不合格等，都会导致COP大幅下降。

当COP低于3.0时，整个系统就不节能了，因为获得电能也要消耗3份的一次能源（如煤炭），整体上并没有多获得能量。

但从经济的角度与传统的空调或锅炉相比，还要看煤炭和电价的差异情况。

从CO2排放量的角度来说，该系统大大减少了建筑物对空间采暖和制冷的环境影响。

地源热泵在地热直接利用领域中应用最为广泛，其名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中,1946年美国开始研究并在俄勒冈州建立起第一个地源热泵系统且运行成功。

20世纪50年代欧洲出现了利用地源热泵的第一次高潮，80年代中期到90年代中期美国、加拿大建成的冷暖联供的数十个地源热泵大多都是采用的是U形竖埋管换热器，且集中在中、深层。

目前对于地源热泵系统的研究与应用基本集中在系统中地下埋管换热器的传热研究分析[5]、系统的设计方法、安装技术以及运行工况测试等方面。

1.1.1地下水源热泵[6]

地下水源热泵利用地下水温不易受环境影响、常年稳定的特性，将地下水作为低温热源，采用板式换热器的小温差换热方式运行。

通过“抽水—能量交换—回灌”的过程，夏季供冷（利用制冷剂蒸发取出用户空间的热量）、冬季供暖（利用冷凝器放出吸收地下水中的热量），在确保水量没有损失、水质没有污染的前提下，具有良好的节能性和显著的环保效益。

图1地下水源热泵系统工作循环的原理图

Fig.1Schematicdiagramofworkingcycleofundergroundwatersourceheatpumpsystem

（1）开放式水源系统

因地下水来源广泛，容易获取，故常被用作水源。

在采取防堵塞和腐蚀措施的情况下，为了保证回灌效果，灌抽井数比一般不小于2。

还需要定期维护，特别是在冬季气温低于0C时，如果不能有效回灌，一旦溢出便会造成浅层土壤渗水冻结，从而带来严重后果。

该系统的出水井、回灌井的结构、井泵等设置应基本相同，这样在特殊工况下可以通过互换解决回灌井堵塞等造成的回灌困难问题。

（2）封闭式水循环系统

该系统主要采用地下埋管的方式，通过管壁将土壤中的热量传递给管内介质。

该方式不受地质、水量、回灌等因素的影响，故在欧美国家广泛采用。

但该系统工程造价高，只适用于小体量的水源热泵工程，对于占地面积大的能量大需求工程应采取施工方便、开挖工程量小的非埋管方式。

采用地下水源热泵技术利用浅层地热能效率高且成本低，但对项目所在地的水文地质条件要求很高。

地下水的回灌是限制地下水源热泵技术应用最为关键的因素之一。

一方面，回灌可以储能，为热泵该机组提供持续充足的冷热源；

另一方面，回灌可以保护地下水资源。

在含水层的渗透性比较好的地区，采取合理的技术和有效的设计，回灌问题是可以解决的。

但是在含水层为细砂或砂黏土的地区，则应慎用或不采用该技术。

1.1.2土壤源热泵系统[6]

土壤源热泵系统以中间介质为热载体利用地下岩土中的热量。

传热介质在密闭的竖直或水平地埋管中循环，利用传热介质与土壤之间的温差进行热交换，从而达到利用浅层地温能的目的。

不同地区土壤源热泵地埋管的吸热量与放热量存在差异，造成土壤源热泵长期运行中引起土壤温度场的改变进而影响热泵的工作效率。

地埋管换热器是土壤源热泵系统中最重要的部分，根据其地下盘管的敷设方式可以分为水平埋管和垂直埋管两大类。

（1）水平埋管

水平式埋管又被称为横埋式，盘管在相对较浅的地下水平排列。

由于浅层土壤温度受气候影响大，采用这种方式的单位管长换热量小，占地面积较大，因此不适合负荷量大的建筑使用。

水平地埋管换热器可不设坡度。

最上层埋管顶部应在冻土层以下0.4m，且距地面不宜小于0.8m[6]。

由于埋管时深度较浅，虽然造价低且施工简单，但受外界气候影响地层温度变化较大，不适用于冬夏冷暖联供系统。

（2）垂直埋管

垂直埋管换热器是先钻孔再在孔中插入U形换热管，用回填材料自下而上将钻孔填实[6]，以尽量减小钻孔中的热阻。

在没有合适的室外用地时，竖直地埋管换热器还可以利用建筑物的混凝土基桩埋设，即将U形管捆扎在基桩的钢筋网架上，然后浇灌混凝土，使U形管固定在基桩内[7]。

目前，地埋管换热器一般都采用垂直埋管方式。

每个钻孔中可埋设一组或两组U形管，各钻孔之间可采用串联或并联方式连接。

与水平式相比，其占地面积小，换热效果好，需要的维护费用很少，但初期的钻井费用较高。

不同的地质条件下，由于系统造价的差异较大，在设计安装之前要充分了解项目所在地土壤的换热性能[8]。

为了维持埋地换热器的传热性能稳定，保证地下换热系统的高效、正常运行，应尽量在冬季热负荷和夏季冷负荷相差不大的地区使用[9]。

1.1.3地表水源热泵系统[6]

虽然该系统与地质条件没有过多关系，但它对地表水资源条件的要求很苛刻。

不仅水量要充足，水流、水温要稳定，而且水体要足够大，足够深，否则盘管容易被破坏，并且水温易受热泵运行的影响出现大幅波动，会降低机组的效率。

因为热能交换系统与地表水进行热交换，比地下埋管系统投资小、能耗低且可靠性高。

冬季气温较低的北方地区不宜使用地表水源热泵技术，即使在温暖地区，湖水水体的周平均最大温升也不应大于1C，周平均最大温降不大于2C[10]。

（1）闭式系统

该系统以盘管作为换热器，不提取地表水，故不需设置地表水取水口和排放口。

采用洁净水或含防冻液的水溶液作为中间换热介质，使热泵机组结垢的可能性降低。

可采用湖水、水库水等水位波动不大的水源对小型建筑进行供暖和制冷。

（2）开式系统

该系统直接抽取地表水，送入换热器或直接送入热泵机组以强制对流的方式进行换热。

与闭式系统的自然对流换热方式相比，换热效率大大提高。

但其缺点在于因水质而产生的结垢、腐蚀以及杂物堵塞换热器的问题。

由于换热温差的存在，夏季闭式水源热泵的进水温度要高于水体的温度，而在冬季，闭式水源热泵的进水温度要低于水体的温度。

开式地表水源热泵系统的取水温度和水体温度一致，但是，如果水源热泵的取水能耗过大，将导致开式地表水源热泵系统的整体能耗过高。

1.1.4地源热泵发展趋势

混合式地源热泵系统对于同时有供热和供冷要求的建筑物优势十分明显[11]，一机两用，不仅提高了设备的利用率，还减少了设备的初投资且机组运行可靠、自动控制程度高。

另外，避免了排烟污染，环保效益显著，与空气源热泵相比污染物排放减少40%以上，与电供暖相比减少70%以上[12]。

由于系统部件少且集中，工况稳定，因而维护费用低，经济效益显著。

但是，也存在盐碱成份等对输送管道和换热设备的腐蚀和结垢等方面的问题。

由于土壤温度场的变化对换热器的性能影响较大，土壤源热泵难以在最优工况下运行。

通过负荷调节以及优化设计及运行管理方式，充分利用土壤的恢复调节能力，可以提高系统的运行效率。

比如，分组间歇运行[13]相比于连续运行下土壤温度的变化幅度较小，有利于换热能力的增强；

根据当地土质选择接近土壤导热系数的回填材料[14]有利于减小钻孔长度等等。

选择在地下水的渗流作用明显的区域安装U型管，也可以扩大周围土壤的热影响区域，增强传热，降低循环泵的功耗。

另外，管道材料、传热工质的选取，管内流速的控制，地下换热器埋深、布置形式和钻孔间距[15]，热回流现象及管群间相互的热影响[16]，包括岩土物性等方面都会影响传热热阻的大小，进而影响热泵系统的性能系数和稳定性。

在设备性能方面，提出的改善方法包括采用主/次级循环回路结构、可变频调速的泵机组或增加一个小功率的泵，尽量使其在大多数时间处于低负荷运行，但要注意泵性能曲线不能在低负载时过于平坦，否则难以平衡和控制。

另外，也可以考虑补充辅助设备[17]，比如增加冷却塔或者储热器来满足制热（冷）峰值负荷，这样可以把由于冷、热负荷不平衡而多余的冷量或热量储存起来，以补充不足的能量。

地下水的回灌、低品质能量梯级利用、地埋管区域土壤热平衡等问题在一定程度上阻碍了热泵技术的进一步推广。

因此要采取因地制宜的原则，加强对环境影响的监控，充分发挥资源优势，减少浪费，提高地热利用效率。

1.2深层地热能及利用

深部地热能是一种清洁的可再生资源且储量丰富。

据估算，储存在地球内部的热量相当于全球煤炭储量的1.7亿倍[18]，其中，可利用的能量相当于其平均能源利用系数高达73%[19]，是风能的3-4倍，太阳能的4-5倍，生物质能的1.5倍[20]。

这种地热资源不受外界环境条件的影响，地热发电不仅可以长期稳定地运行，而且可以随意调峰。

另外，地热电站的建设和运行费用相比于风电和太阳能发电具有很大的竞争力，是一种完全可以依靠市场化发展和运作的能源技术。

预计到2020年全球地热发电装机容量可以达到21GWe[21]。

深部地热资源按照其在地下的存储形式可以分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型等几类[20]。

但由于受到技术水平的限制，目前人类主要开发和利用的是地热蒸汽和地热水两大类资源。

干热岩和地压两类资源尚处于试验探究阶段，开发应用较少。

1.2.1干蒸汽发电技术

蒸汽型地热资源指地下热储中以蒸汽为主的对流水热系统，它以产生温度较高的过热蒸汽为主，含有少量其他气体。

这种干蒸汽可以直接进入汽轮机，对汽轮机基本无腐蚀，能达到较满意的效果。

（1）背压式汽轮机发电系统

从地热井中引出的干蒸汽先通过分离器除去固体杂质后，可直接进入汽轮机膨胀做功驱动电动机发电。

做功后的蒸汽可直接排入大气，也可用于工业生产中的加热过程。

这种系统大多适用于蒸汽中不凝结气体的含量很高的场合，或者在工、农业生产中进行综合利用。

（2）凝汽式汽轮机发电系统

凝汽式与背压式的工作原理一样，都将蒸汽动能转化为转子机械能，但做功后的蒸汽不直接排入大气而进入混合式凝汽器，在其中被冷却成水后排出。

混合凝汽器设有两台抽气器，以保证较低的冷凝压力，提高地热电站机组的发电效率和输出的有用功。

1.2.2扩容发电技术

蒸汽型资源需要独特的地质条件，分布区域较少，受地区限制较大。

一般地热田不能提供高温度（至少大于160C）的地热资源参数，而多是热水以及水汽混合的湿蒸气且蒸汽量较小，适宜采用扩容方式发电。

水热型地热资源根据其温度不同又可划分为三个等级[1]：

高温地热资源（150C以上）主要用于发电，发电后排出的热水可进行逐级多用途利用；

中温（150C以下90C以上）和低温（90C以下）的地热资源则以直接利用为主，多用于采暖、干燥、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游及人民的日常生活等方面[22]。

对于中低温地热田，可以直接利用减压的方法使地下热水产生蒸汽来推动汽轮机做功。

所以扩容发电也称为闪蒸分离发电[23]。

（1）单级闪蒸发电[23]

地热井产出的地热水首先被送到扩容器，压力降低到饱和压力以下，使其产生部分蒸汽，引到汽轮机做功发电。

从分离器获得的剩余液相可继续利用后排出或再注回地层。

（2）双级闪蒸发电[23]

为了提高分离过程的效率，尽可能发挥高温流体做功的能力，添加第二分离阶段，即将一级分离器的液相引入二级分离器中，继续分离出低压蒸汽并引入汽轮机的中间某一级膨胀做功。

双闪蒸发电装置的整体效率通常提高35%，发电量相比于单闪蒸式提高20%[24]。

扩容式发电技术设备简单，易于制造，运行维护方便，由于存在减压过程，对地热水的矿化度和不凝结气体含量均有较高要求，否则易产生结垢和腐蚀。

这种方式在地热发电领域得到了广泛应用。

无论扩容系统级数多少，总是会有部分有用能量随着最后一级扩容器分离出的流体损失。

（3）全流式发电系统[25]

该系统同时利用蒸汽和热水，尽最大限度利用流体能量。

将地热井口的全部流体不经处理直接送进全流动力机械中，一边膨胀一边做功，热水和蒸汽依次通过由一对双相流体啮合螺旋转子构成的通道膨胀发电，最后以气体的形式从膨胀机的排气口排出。

该系统中地热流体由井口状态直接膨胀到废弃状态，相比扩容系统提高了输出功率，最大份额地将可用功转化出来，同时避免了能量在分离器、闪蒸器或蒸发器当中的损失。

日本螺旋转子膨胀机发电试验机组项目克服了技术难题，可将地下温泉水的一半能量转化为电力，但其规模较小，关键在于针对不同井的热水温度和气压设计特殊的膨胀机。

1.2.3双循环发电系统

采用闪蒸的地热电站直接以地下热水蒸汽为工质，而双循环地热发电系统采用地热流体作热源，通过换热器，某种低沸点工质流体沸腾产生蒸汽并进入汽轮机做功，经凝汽器冷却后又被泵送回蒸发器，如此往复循环；

地热水被冷却后回流注入地下。

该方式采用两套循环系统，故又被称为双流体发电或中间介质法发电系统。

以低沸点、高蒸汽压的有机物作为工作流体（如异戊烷、异丁烷、正丁烷），也称其为有机朗肯循环[26]。

这种工质沸点最低可达30C，在中低温地下水加热下就可产生压力推动汽轮机发电，其流程如图2所示。

发电机是系列产品，而透平膨胀机的选型设计以及密封技术需要特别对待。

对于温度较低的地热水来说，采用闪蒸法效率较低，且在技术上存在一定困难，而利用双循环法则较为合适。

双循环法能有效降低热水的消耗率且对热源的温度要求较低，特别适合于含盐量大、腐蚀性强以及不凝结气体含量高的地热资源。

但它增加了系统的运行成本和复杂性，对系统的密封性和安全防护要求也较高。

图2双循环发电示意图

Fig.2Schematicdiagramofdoublecyclepowergeneration

地热发电仍以干蒸汽和闪蒸方式为技术主流，但近年来，利用中低温地热能的双流体发电技术发展较快，它能够充分利用地下热水的热量，避免闪蒸法中可能在负压下工作的工况，降低发电的热水消耗率，但增加了投资和运行的复杂性。

1.2.4其他中低温发电技术

（1）混合工质朗肯循环

实际纯工质的有机朗肯循环存在一个等温蒸发吸热过程，而回收的低品位热能通常是变温热源，工质温度变化与热源变化配合不紧密，换热平均温差较大，不可逆损失较大。

采用非共沸的混合工质代替纯工质可以改善系统性能[27]，提高蒸发器效率。

因为工质在蒸发过程中温度不断变化，能更好地配合热源温度的变化；

但由于混合工质的变温放热不能很好地匹配冷源温度,反而会使冷凝器不可逆损失增加，故对整个系统的评价取决于蒸发过程和冷凝过程的综合效果。

（2）Kalina循环

Kalina循环[28]是区别于常规朗肯循环的一种高效、新颖的变工质浓度的循环方式。

采用蒸汽压偏低的水和偏高的氨混合形成的工质，通过调整氨、水的配比浓度控制其沸点，利用多组分体系变温相变的特性达到最佳的循环效果，使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。

与传统水蒸气朗肯循环相比，氨水工质的沸点较低，在低温热源作用下就可以蒸发，故可回收低温余热资源[29]，同时实现了在较低压力下工质完全冷凝。

有理论分析Kalina循环比单一工质朗肯循环效率高20%以上[30]，但实际运行过程并未表现出非常高的性能[31]。

Kalina循环采用无固定沸点的混合工质进行循环发电，是对混合工质的又一大改进。

但对系统的密封性有着较高要求，同时工质储存和使用过程中对环境将造成一定的影响。

其在理论上有很好的性能提升潜力，并且在工质的选择上有一定的发展前景[32]。

1.2.5地热发电新技术

（1）太阳能-地热能联合发电

能源需求的不断增长加强了寻求更清洁的可再生能源的动力。

世界上有很多阳光充足且地热能也较丰富的地区，两种能源联合发电可以在一定程度上弥补单一电站的缺陷，改善电站热力性能，降低太阳能发电成本。

2012年在美国内华达州法伦镇建成了世界第一个太阳能地热混合发电站，联合站在已建成的地热电站基础上改造，使发电量增加了26MW[33]。

在常规的发电系统中，如果地热水温度不够高，采用闪蒸方式或双工质循环发电效率低下，造成地热资源浪费。

联合发电系统将较高等级形式的能量（太阳能）并入系统中，这样可以解决由于低焓地热造成的发电效率低下的问题。

通过在已有的地热发电系统中增加一个太阳能集热器，提高蒸汽温度和热效率，进而增加系统的净输出功率。

只要设计得当，混合装置的发电成本相比于独立的电站是有很大优势的[34]。

地热能源的生产发展，从更深层次的地质构造中提取热量的地热发电厂到新的联合循环设备和混合动力技术的发展，可能将来还会有更大的创新应用，地热和太阳能热电混合的应用只是其中之一。

（2）干热岩发电技术

干热岩资源普遍埋藏于地表以下3km-10km，温度高于150C，储量巨大但只含有热而无渗透性。

干热岩是一种具有传导型热量、无水或蒸汽的热岩体，它所含的热能需要人工注入高压水制造一个高渗透的裂隙带作为人工储热层，利用封闭水循环系统将高温热水带到地面发电，即通过增强型地热系统EGS开采出来。

世界上最大EGS项目位于当前正在开发的澳大利亚Cooper盆地，据初步统计Cooper盆地拥有5000MW-10000MW的发电潜力[35]。

增强型地热系统是开发干热岩、湿热岩和断裂热岩等各种地热资源的总称。

首先向地下钻探两眼4-6km深的井，井下岩石在打井和高压注水过程中碎裂，岩石裂隙成为人工的储水池和换热器；

然后通过压力泵将高压水从一口井中注入地下岩层，温度升高到150C-200C后，再经由另一口井抽出地面，推动汽轮发电机将热能转化为电能，发电后的冷却水再次通过高压泵注入地下热交换系统进行循环利用。

整个过程都是在一个封闭的系统中进行，不存在有毒、有害的硫化物或堵塞管道的物质，也无任何环境污染。

它由地面发电系统及地下换热系统两部分组成，地面发电技术与传统地热发电技术基本相同，重难点在于地下高温钻井（包括高温井控、高温固井与成井等）、注水和压裂等[36]技术。

从理论上说，随着地球向深部的地热增温，任何地区达到一定深度都可以开发出干热岩，因此它又被称为无处不在的资源。

目前，人们对干热岩的开发利用主要是发电。

干热岩法发电技术与传统的地热系统有很大不同，不受地理位置的限制且不受季节气候的制约，可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响。

随着越来越多的科研机构、大型能源集团参与研发，一旦技术得到进一步验证，增强型地热发电必将成为继风力发电、太阳能发电之后又一能够得到广泛开发的新能源[37]。

2地热能的梯级利用

能量不仅有数量多少的不同，还有品质高低的差别，不同状态的热能其品位是不同的。

从热力学第二定律可知，机械能可以全部转化为热能，但热能只能有一部分转化成更高品位的机械能，其余部分则转化成更低品位的热能。

在各种设备利用能量的过程中，无论是加热还是做功，都不可避免产生损失。

对能源的梯级利用就是要充分合理地利用能源的品位，梯级利用的典型方式就是热电联产和冷热电三联供，也可利用油区废弃的中低温地热水发电。

2.1热电联产

利用热能做功时，热能不能全部转化为功，而是有一部分能量要被低温热源带走，这部分能量通常称为冷源损失。

热电联产有三种方式。

传统的抽气供热的方式将抽出来的蒸汽能量让热网循环水带走用于城市供热，但仍存在大量的冷源损失；

低真空（背压式）的供热方式通过提高汽轮机的排气压力使排出蒸汽的温度升高，用来直接加热换热站中的循环水，冷源损失全部用来供热，但为供热需要提高冷源温度，这样又会使发电量减少；

用热泵回收余热供热的方式既可以大量回收冷源余热，又可以减小对发电量的影响。

地热供暖系统存在排放尾水温度较高，大量热能被浪费的现象，可以将单一供暖设备优化为多组设备串联布置，利用热转换器、热泵机组和调峰设备等合理的组合分梯