陳 宇，劉亮德，陳情來

中國石油工程建設(shè)有限公司，北京100120

地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃指出[1]：2020年我國地熱年利用量達到7×107t標準煤，減排二氧化碳1.7×108t；地熱能供暖年利用量4×107t標準煤。新增地熱能供暖（制冷） 面積1.1×109m2，重點在京、津、冀、魯、豫、陜、晉等地區(qū)開展地熱供暖，在長江流域等地區(qū)開展淺層地熱能供暖（制冷）；新增地熱發(fā)電裝機容量500 MW（其中中低溫地熱發(fā)電裝機容量100MW）。

目前我國地熱發(fā)電主要以中高溫發(fā)電為主，隨著地熱供暖技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，中低溫地熱發(fā)電及增強型地熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，地熱能開發(fā)利用將由地熱供暖逐步向地熱發(fā)電高端業(yè)務(wù)延伸。在未來，我國地熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)將實施“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，即：近期以中高溫地熱發(fā)電為主，以中低溫地熱發(fā)電為輔；逐步發(fā)展到中高溫、中低溫地熱發(fā)電并重；遠期以干熱巖發(fā)電為主，在全國范圍內(nèi)推廣地熱能發(fā)電[2-3]。

1 油區(qū)地熱資源利用

油區(qū)內(nèi)地熱資源豐富，沉積盆地不僅富集油氣資源，也蘊藏豐富的中低溫地熱資源。2013年，中國石油開展了油區(qū)地熱資源初步調(diào)查，僅大慶油田、遼河油田、華北油田三家油田的地熱資源總量就達1.093 4×1022J，占全國油區(qū)地熱資源總量的44%。初步測算，中石油探區(qū)主要盆地地熱資源量約占全國地熱資源總量的70%。油田地熱資源開發(fā)可以利用廢棄井開展中低溫地熱發(fā)電和綜合利用，是油田盤活資產(chǎn)、節(jié)能減排的現(xiàn)實選擇[4]。未來發(fā)展轉(zhuǎn)型應(yīng)將地熱發(fā)電與風力、光伏開發(fā)利用等結(jié)合，實現(xiàn)熱電聯(lián)供微電網(wǎng)。目前國內(nèi)不少油田在這一領(lǐng)域已有成功實踐和應(yīng)用案例[5]。

油區(qū)地熱資源以中低溫為主，北方采暖季地熱用于供暖的效益大大高于發(fā)電，本文以利用非采暖季閑置的地熱資源為思路，基于目前油區(qū)企業(yè)自有電網(wǎng)設(shè)施使地熱發(fā)電便于上網(wǎng)的有利條件，通過對中低溫地熱發(fā)電效率、經(jīng)濟性等方面的比較，測算不同工藝的地熱電站投資，進行經(jīng)濟性評價。

2 地熱發(fā)電工程參數(shù)設(shè)定及技術(shù)方案

地熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟評價與地熱水溫、氣象條件、運行時間及發(fā)電工藝等參數(shù)有關(guān)，選取環(huán)渤海油區(qū)作為研究對象，采用單級閃蒸、雙工質(zhì)、兩相流3種不同的發(fā)電工藝的技術(shù)方案，比較不同技術(shù)方案的經(jīng)濟性。

2.1 地熱發(fā)電工程參數(shù)設(shè)定

本文研究的地熱發(fā)電工程參數(shù)如下：

（1） 發(fā)電裝機容量1MW、地熱水溫度105℃、不凝氣體含量＜0.01%（占地熱流體質(zhì)量比）。

（2） 氣象參數(shù)見表1。

表1 氣象參數(shù)

（3） 運行方式。冬季與供暖系統(tǒng)錯峰運行，當供暖負荷率低于60%時啟動發(fā)電機組。其他季節(jié)除地熱井維護和發(fā)電機組故障時間外連續(xù)運行。

（4） 運行小時數(shù)。地熱發(fā)電利用非采暖季及采暖季供暖負荷低的閑置地熱資源。根據(jù)環(huán)渤海地區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采暖期120 d中，供暖負荷率低于60%的時間約為600 h；夏季92 d中，扣除地熱井采水設(shè)施檢修時間10 d，可運行時間1 968 h；春秋季153 d，可運行時間3 672 h；按發(fā)電機組本身可用率97%計算，全年運行時間見表2。

表2 全年發(fā)電運行時間

2.2 地熱發(fā)電工藝

（1） 單級閃蒸地熱發(fā)電工藝（見圖1）：從地熱井輸出的具有一定壓力的汽水混合物進入閃蒸器，壓力下降，一部分地熱水變?yōu)檎羝?，蒸汽進入汽輪機，驅(qū)動汽輪機推動發(fā)電機進行發(fā)電。

圖1 單級閃蒸地熱發(fā)電工藝流程

（2） 雙工質(zhì)地熱發(fā)電工藝（見圖2）：利用有機工質(zhì)的低沸點特性，在低溫熱源條件下獲得較高的蒸汽壓力，推動膨脹機做功發(fā)電。

（3） 兩相流地熱發(fā)電工藝（見圖3）：地熱水通過兩相流發(fā)生器后直接進入螺桿膨脹機，閃蒸膨脹推動膨脹機做功發(fā)電。

3 方案比選

圖2 雙工質(zhì)地熱發(fā)電工藝流程

圖3 兩相流地熱發(fā)電工藝流程

在擬定的邊界條件下，計算3種地熱發(fā)電工藝的熱力性能、電站投資、運行成本及發(fā)電量，最后比較其經(jīng)濟性。

3.1 熱力性能對比

在地熱水105℃情況下，兩相流工藝發(fā)電尾水溫度為80℃左右，為最高；發(fā)電尾水溫度最低的是雙工質(zhì)工藝，在70℃左右。噸水凈發(fā)電量（夏季）、自耗電率（夏季） 隨地熱水溫度升高的變化情況分別如圖4、圖5所示。雙工質(zhì)發(fā)電工藝的噸水凈發(fā)電量在3種工藝中最高，3種工藝的自耗電率都隨地熱水溫度升高而降低，單級閃蒸工藝降低最為明顯。兩相流發(fā)電工藝中由于全流螺桿機冷端冷卻負荷大，凝結(jié)水泵、冷卻塔、真空泵等輔機耗電量大，自耗電率最高。

由于單級閃蒸工藝和兩相流工藝從地熱水中獲得冷卻塔補水，回灌率未達100%。兩相流工藝冷端冷卻負荷最大、冷卻塔蒸發(fā)損失水量最大，回灌率達89.5%。單級閃蒸工藝由于閃蒸壓力高，回灌率達到96.8%。

圖4 凈發(fā)電量與地熱水溫關(guān)系曲線

單級閃蒸工藝、兩相流工藝不需要外部補水。雙工質(zhì)工藝水耗（單位凈發(fā)電量所需外部補水量）夏季為24kg/（ kW·h）， 春秋季為 19kg/（kW·h） ，冬季為 15 kg/（ kW·h）。

3.2 設(shè)備對比

采取的3種方案對應(yīng)設(shè)備清單如表3所示。

圖5 自耗電率與地熱水溫關(guān)系曲線

表3 設(shè)備清單

3.3 經(jīng)濟分析

3.3.1 電站投資

經(jīng)濟分析只考慮電站投資，各方案工程費及總投資如表4所示。從表4可以看出，雙工質(zhì)工藝投資最大，兩相流工藝投資最低。

表4 電站建設(shè)投資 單位：萬元

3.3.2 發(fā)電量

3種不同方案在不同季節(jié)的凈發(fā)電功率以及在不同動水位條件下全年凈發(fā)電量如表5所示。

3.3.3 成本

通過計算耗水量、運行人員費、修理費、折舊等，3種不同方案成本費用情況如表6所示。

3.3.4 經(jīng)濟評價

按照不同方案的電站建設(shè)的總投資，在保證8%的收益率條件下，分別測算在免地熱水資源稅和繳納1元/m3地熱水資源稅的情況下，反推不同動水位時的上網(wǎng)電價，上網(wǎng)電價測算結(jié)果分別如表7及表8所示。

表5 發(fā)電量統(tǒng)計

表6 成本費用

表7 上網(wǎng)電價（免水資源稅)

從測算結(jié)果可以看出，地熱水的開采能耗對地熱發(fā)電項目收益影響較大，動水位是影響地熱發(fā)電收益的主要因素。在免水資源稅的情況下，動水位為60 m時，兩相流工藝經(jīng)濟性最好；動水位為120、180 m時，單級閃蒸工藝方案經(jīng)濟性最好。

表8 上網(wǎng)電價(水資源稅1元·m-3)

當繳納1元/m3地熱水資源稅時，保證8%收益率的條件下，單級閃蒸工藝經(jīng)濟性最好，但是總體上網(wǎng)電價仍然過高，因此對中低溫地熱發(fā)電項目經(jīng)濟評價結(jié)果為基本不可行。

4 結(jié)論

（1） 地熱發(fā)電項目依托供暖項目建設(shè)，不計鉆井投資的情況下，雙工質(zhì)工藝投資最大，兩相流工藝投資最低。

（2）地熱水的開采能耗對項目收益影響較大，動水位是影響地熱發(fā)電收益的主要因素，開展地熱發(fā)電項目應(yīng)優(yōu)先選擇動水位較高或可自噴的地熱井。

（3） 從發(fā)電成本看，當?shù)責崴赓Y源稅時，雙工質(zhì)工藝成本最高，單級閃蒸工藝成本最低；當需要繳納1元/m3地熱水資源稅時，保證8%收益率的上網(wǎng)電價過高，對中低溫地熱發(fā)電項目經(jīng)濟評價結(jié)果為基本不可行。

（4）目前技術(shù)條件下，中低溫地熱發(fā)電項目依托地熱供暖項目建設(shè)，以供熱能力確定發(fā)電裝機，變地熱為“余熱”，則發(fā)電項目在一定電價下是可行的。