余春梅 張 超 楊 宇 宋榮彩

成都理工大學(xué)能源學(xué)院

0 引言

地?zé)崮苁且环N蘊(yùn)藏在地球內(nèi)部的巨大能量，具有用途廣、效率高、穩(wěn)定性好、 環(huán)保等特點(diǎn)。地?zé)豳Y源不受季節(jié)、氣候、晝夜變化等外界因素的干擾。與傳統(tǒng)化石能源相比，地?zé)峁┡娲鞘腥济汗┡?，對緩解能源供?yīng)緊張局面，治理大氣污染具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]；與風(fēng)能、太陽能發(fā)電相比，地?zé)岚l(fā)電效率更高、更穩(wěn)定，占地更小，成本更低[2]。地?zé)嶙鳛橐环N清潔的可再生能源，其開發(fā)利用受到世界越來越廣泛的關(guān)注和重視。地?zé)豳Y源的利用按其溫度大致可以分為直接利用與地?zé)岚l(fā)電，其中150℃以上的高溫地?zé)豳Y源主要用于發(fā)電，發(fā)電后排出的熱水可進(jìn)行梯級利用[3]。90～150℃的中溫和25～90℃的低溫地?zé)嵋灾苯永脼橹?，多用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖、供暖制冷、旅游和療養(yǎng)等方面。25℃以下的淺層地?zé)豳Y源，可利用地源熱泵和水源熱泵供暖、制冷。

川西地區(qū)處于青藏高原東南緣，具有得天獨(dú)厚的中高溫地?zé)豳Y源，但區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)程度較低，利用方式單一，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。鑒于川西地區(qū)對于地?zé)豳Y源的利用仍有較大、較急迫的需求，通過對全球地?zé)崽菁壚冒l(fā)展現(xiàn)狀系統(tǒng)地梳理與分析，結(jié)合川西地?zé)豳Y源分布特征與開發(fā)利用現(xiàn)狀，對該區(qū)地?zé)豳Y源綜合梯級利用模式進(jìn)行討論與分析，以期提高該區(qū)地?zé)崂眯?、減少資源浪費(fèi)。

1 地?zé)崽菁壚媚Ｊ?/h2>

地?zé)崽菁壚檬歉鶕?jù)地?zé)崃黧w的不同溫度以及用戶需求進(jìn)行地?zé)豳Y源的多級次的利用，以提高利用效率、減少資源浪費(fèi)及減少環(huán)境污染[4]。實(shí)現(xiàn)梯級利用熱能的可行性在于，不同溫度的熱源可用于不同的熱應(yīng)用，而各種用熱設(shè)備、用熱技術(shù)也均有其要求的溫度區(qū)間，例如大多數(shù)吸收機(jī)的最低溫度要求是80℃。1973 年，B.Lindal 研究提出地?zé)崴睦脠D（Lindal 圖），該圖詳細(xì)顯示了地?zé)崴Y源的典型利用方式（圖1），包括蒸汽地?zé)岚l(fā)電及各類地?zé)嶂苯永孟鄳?yīng)的溫度需求。一般在150℃以上的高溫地?zé)豳Y源可利用干蒸汽發(fā)電技術(shù)或閃蒸技術(shù)發(fā)電；而80～120℃的中低溫?zé)嵩纯梢酝ㄟ^雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，形成梯級利用系統(tǒng)中的第一級。發(fā)電后的尾水可繼續(xù)按溫度降低的順序逐級連接，用于許多工業(yè)、半工業(yè)、農(nóng)業(yè)和干燥工藝工程，形成地?zé)崽菁壪到y(tǒng)的其他級次，帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。研究表明，雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, 簡稱ORC）和卡琳娜循環(huán)（Kalina）發(fā)電都可以由低溫地?zé)嵩打?qū)動(dòng)，但是這種循環(huán)發(fā)電能量效率較低[6]。梯級利用將發(fā)電后的尾水繼續(xù)利用，充分提取其中的熱量，在一定程度上克服了這種循環(huán)的低效率和高成本的缺點(diǎn)[7]。

圖1 不同溫度下的地?zé)崮軕?yīng)用領(lǐng)域圖（Geothermal Education Office）[5]

2 地?zé)崽菁壚玫陌l(fā)展現(xiàn)狀

截至2019年底，全球地?zé)豳Y源直接利用裝機(jī)容量估算值達(dá)1.077 270×105MWt；熱能年利用量為1.020 887×106TJ/y，每年節(jié)省能源達(dá)5.96×108bbl石油（相當(dāng)于8 100×104t），避免了7 810×104t碳和2.526×108t二氧化碳排放到大氣中[8]。2019 年全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量由2015年的1.263 5×104MWe 增至 1.393 1×104MWe[8]。全球地?zé)嶂苯永醚b機(jī)量（含地源熱泵）位列前5名的國家為中國、美國、瑞典、德國和土耳其，共占全球總裝機(jī)容量71.1%；地?zé)嶂苯永媚昀昧课涣星?名的國家為中國、美國、瑞典、土耳其和日本，占世界使用量的73.4%；地?zé)岚l(fā)電位列前10名的國家為美國、印度尼西亞、菲律賓、土耳其、新西蘭、墨西哥、肯尼亞、意大利、冰島和日本。可見，我國地?zé)豳Y源豐富，地?zé)嶂苯永昧考澳昀昧块L期以來占據(jù)世界首位，但是與發(fā)達(dá)國家相比較，地?zé)豳Y源的利用方式原始、結(jié)構(gòu)單一、棄水量大，總體上地?zé)豳Y源的利用率較低。在高溫地?zé)岚l(fā)電方面，雖然發(fā)電技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但受到高溫地?zé)豳Y源和經(jīng)濟(jì)性的影響，發(fā)電量增長較慢[2]。而中低溫地?zé)豳Y源的高效利用有較大的提升空間，且高溫地?zé)豳Y源發(fā)電后的尾水溫度較高，可建立梯級系統(tǒng)再次利用。因此，梯級利用是我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用的未來方向[9]。

1974年，冰島Sudurnes地區(qū)的綜合電廠正式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了包含發(fā)電和供熱的地?zé)岬亩嘤猛纠谩?998年，希臘學(xué)者Constandinia Panagiotoun提出，地?zé)崴?jīng)過室內(nèi)供暖后，可以根據(jù)其溫度應(yīng)用到其他地方，從而實(shí)現(xiàn)梯級的利用[10]。此后，意大利、美國等許多國家也為了提高地?zé)崂眯识M(jìn)行大量地?zé)崽菁壚玫难芯俊Ｄ壳?，全球已?0個(gè)國家開展了地?zé)崽菁壚茫▓D2），世界各個(gè)地?zé)豳Y源利用國家主要是通過直接利用中低溫地?zé)豳Y源或利用發(fā)電廠排放的中低溫地?zé)崴畞黹_展地?zé)岬奶菁壚谩?/p>

圖2 全球地?zé)崽菁壚檬疽鈭D

泰國電力局在清邁Fang地?zé)釁^(qū)利用雙工質(zhì)循環(huán)發(fā)電廠排出的地?zé)崴M(jìn)行梯級利用，125℃的地?zé)崴M(jìn)行循環(huán)發(fā)電[11]，完成一級利用；電廠的廢棄熱水溫度約為80℃。二級到四級利用按溫度區(qū)間分別用于冷藏（地?zé)嶙鳛閯?dòng)力類驅(qū)動(dòng)制冷設(shè)備）、干燥、溫泉和其他農(nóng)業(yè)應(yīng)用。通過安裝烘干機(jī)，將地?zé)崴糜诶苯泛痛笏獾母稍铮ǜ稍餃囟纫蠓謩e為70℃和50℃），干燥室中的干燥溫度通過調(diào)節(jié)安裝在入口的水—空氣換熱器中的地?zé)崴牧魉賮韺?shí)現(xiàn)，干燥過程除了使用電廠剩余的地?zé)崮苤猓娘L(fēng)機(jī)也消耗了一些電能，但總體成本相較傳統(tǒng)干燥方法更低，并且整個(gè)系統(tǒng)不受天氣條件的影響[12]（圖3a）?？夏醽咵burru地?zé)釁^(qū)利用溫度為89.6℃的地?zé)豳Y源進(jìn)行梯級利用，熱能分別用于農(nóng)產(chǎn)品干燥、溫室供暖、蜂蜜凈化、水產(chǎn)養(yǎng)殖和家禽產(chǎn)品孵化，并配有一個(gè)休閑蒸汽設(shè)施，用于桑拿或者滿足飲用水需求。在這個(gè)系統(tǒng)中梯級使用的溫度超過50℃[13]（圖3b）。墨西哥Maguarichi地區(qū)使用98℃的地?zé)崴_展三級地?zé)崽菁壚孟到y(tǒng)，其系統(tǒng)概念圖如圖3c所示。95℃地?zé)崴M(jìn)入一級利用后用于干燥一種辣椒；之后用于溫室加熱和水產(chǎn)養(yǎng)殖完成二級利用；經(jīng)過熱泵傳送后65℃的熱水用于洗浴，最后回灌50℃尾水[14]。阿爾巴尼亞Kozani-8地?zé)峋責(zé)豳Y源溫度為65.4℃，在該區(qū)開展了太陽能和地?zé)崮艿奶菁壘C合利用項(xiàng)目，打造了一個(gè)多產(chǎn)品服務(wù)中心，包括水療、按摩健身、游泳池、溫室和水產(chǎn)養(yǎng)殖等熱應(yīng)用，尾水經(jīng)消毒后排放。中心房頂安裝了太陽能電池板，與地?zé)崮芟嘟Y(jié)合可以為發(fā)電廠提供熱能，進(jìn)而滿足生活熱水的需求，而這些電力又被用來為中心的照明系統(tǒng)供電[15]，其系統(tǒng)概念圖如圖3d所示。Geinberg是奧地利第一個(gè)進(jìn)行梯級利用的地?zé)岚l(fā)電廠。地?zé)崴鞒鰷囟葹?00 ℃，一級利用的熱能用于奶制品工業(yè)加工，溫度要求為95℃；二級利用將75℃熱水用于村莊供暖和溫泉水療及酒店用熱；三級利用將溫室加熱至50℃。該梯級利用系統(tǒng)的梯級使用溫度達(dá)到70℃，尾水回灌溫度約30 ℃[16]（圖3e）。

2018年10月，京津冀地區(qū)首個(gè)地?zé)豳Y源梯級綜合利用科研基地在河北省滄州市獻(xiàn)縣初步建成。該基地實(shí)現(xiàn)了中低溫地?zé)峤?jīng)濟(jì)高效發(fā)電與尾水供暖兩級梯級利用，兩級地?zé)崮芫C合利用率為75.8%。基地設(shè)計(jì)抽取井GRY1 和井XXZK-1 熱水混合后經(jīng)除砂通往發(fā)電機(jī)組完成一級利用；發(fā)電后72℃出水通過鈦合金板式換熱器+熱泵技術(shù)為周邊建筑供暖完成二級利用；隨著科研基地建設(shè)逐漸完善，35 ℃供暖出水將通往地?zé)嵘鷳B(tài)園(包括地?zé)釡厥?、水產(chǎn)養(yǎng)殖和溫泉理療模塊)進(jìn)行三級利用；經(jīng)三級利用后，將25℃尾水通過井XXZK-2回灌[17]（圖3f）。黃小波等（2019）采用Aspen Plus建立了羊八井地?zé)犭娬緹峋W(wǎng)及機(jī)組熱力系統(tǒng)模型。針對從汽輪機(jī)組出來的地?zé)嵛菜疁囟冗^高的問題，提出羊八井地?zé)嵴镜奶菁壚梅桨?，并指出采用地?zé)崮芴菁壚眉夹g(shù)為500戶新建住宅供熱后，一站回水溫度能降低到50℃，全站供熱功率達(dá)到3 600 kW，全站能源利用效率能從5.13%提升到6.46%。若熱負(fù)荷足夠，將地?zé)嵛菜坑脕砉?，全站供熱功率能達(dá)到3.183×104kW，全站能源利用效率可達(dá)18.24%[18]。

總的來講，無論是在歐洲、美洲、亞洲或非洲，地?zé)崽菁壚枚加斜容^成功的例子。國內(nèi)也有研究者在梯級利用設(shè)計(jì)或優(yōu)化方面做了許多工作，以求提高地?zé)崂盟?、減小環(huán)境污染（表1）。

3 川西地?zé)豳Y源特征

川西地區(qū)位于我國藏南—川西—滇西高溫地?zé)豳Y源集中帶，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富[19]，主要為高—中溫隆起山地型地?zé)豳Y源，天然溫泉沿區(qū)內(nèi)構(gòu)造斷裂帶（鮮水河斷裂帶、甘孜—理塘斷裂帶及金沙江斷裂帶）呈條帶狀或串珠狀密集出露，多分布在康定、瀘定、甘孜、理塘、巴塘等地（圖4）。然而川西地?zé)豳Y源利用率不高，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)有溫、熱泉點(diǎn)248 處[20]，已知的沸泉16 處[21]，類型齊全，使用功能多樣，而絕大部分溫泉旅游地還處在低檔次的資源開發(fā)初級階段，存在著溫泉水源浪費(fèi)、環(huán)境污染的現(xiàn)象[22]；且目前僅康定利用了地?zé)豳Y源進(jìn)行集中供暖和開展地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)，其余有少部分利用為溫泉休閑洗浴，如康定亞拉河和榆林河，90%的地?zé)豳Y源處于天然排放狀態(tài)，未被很好利用，導(dǎo)致資源閑置[23]。雖然康定市在地?zé)峁┡矫嫫鸬搅耸痉缎缘淖饔?，但是，川西特殊的高原氣候條件使得其余各區(qū)對利用地?zé)豳Y源供暖、發(fā)電仍有較大、較急迫的需求[24]。川西地區(qū)地?zé)豳Y源概況如表2及圖4所示，溫泉出露溫度在25～89℃之間，區(qū)內(nèi)13處地?zé)峋臏y溫結(jié)果在40～198℃之間（表3），較多資源分布集中、熱儲溫度高、流量大、距離縣城所在地近、市場需求大且與人口分布具良好的重疊性，適合開展地?zé)崽菁壚谩?/p>

表2 川西地區(qū)地?zé)豳Y源概況表[23-25]

表3 地?zé)峋疁y溫結(jié)果表[20]

圖4 川西主要地?zé)豳Y源示意圖

4 川西地?zé)豳Y源綜合梯級利用模式探討

基于全球地?zé)崽菁壚玫陌l(fā)展現(xiàn)狀，針對川西地區(qū)的地?zé)豳Y源分布特征、開發(fā)利用現(xiàn)狀、人口分布、交通等多方面情況，基于設(shè)備的選用和模式設(shè)計(jì)兩方面，提出地?zé)豳Y源綜合梯級利用系統(tǒng)方案。具體如下：

4.1 設(shè)備選用

4.1.1 換熱器

換熱器是供熱系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的設(shè)備，常見的有波節(jié)管式換熱器、板式換熱器、螺紋擾動(dòng)盤管式換熱器、螺旋螺紋管式換熱器。其中板式換熱器是目前供熱的首選類型，其優(yōu)點(diǎn)有：①在水—水溫差換熱領(lǐng)域中表現(xiàn)出較高適用性，換熱尾端溫差較小（可低于1℃）；②體積小、占地少、換熱效率較高，能在偏低雷諾數(shù)（—般在50～200即可）下形成紊流，和管殼式換熱器相比較，其傳熱系數(shù)提升3倍有余[26]；③熱損量低，只有換熱板的外殼直接接觸大氣，散熱損失可不計(jì)。

4.1.2 熱泵

熱泵是一種利用高位能（如電能、高品質(zhì)熱能）使熱量從低位熱源向高位熱源傳遞的節(jié)能裝置，屬于一種效率高、節(jié)能性優(yōu)良的技術(shù)。依照輸入能量的形式，可把熱泵分為吸收式、壓縮式兩種類型，吸收式熱泵依靠高溫?zé)嵩刺峁崃框?qū)動(dòng)，而壓縮式熱泵依靠電能驅(qū)動(dòng)。當(dāng)高溫?zé)嵩礈囟鹊陀?50℃時(shí)，吸收式熱泵利用能源期間的成本更高，選用壓縮式熱泵經(jīng)濟(jì)性較好[27]。

4.2 模式設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，常用如下幾種方式來開展地?zé)崽菁壚茫孩僦苯釉诮K端通過使用多個(gè)板式換熱器進(jìn)行利用；②采用板式換熱器+水源熱泵；③采用板式換熱器+吸收式熱泵[28]。直接使用多個(gè)板式換熱器提高地?zé)崮艿睦寐?，并且該模式初期投資和運(yùn)行成本也較低，但是，運(yùn)用這種模式通常還有大量的尾水排放，會造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)甚至環(huán)境污染。而采用板式換熱器+熱泵的模式，可以在提高熱能利用率的同時(shí)降低回水溫度?？紤]到吸收式熱泵機(jī)組雖不需要額外輸入電能，可以大大減小換熱過程中的不可逆損失，節(jié)約管網(wǎng)投資，但其也有使用壽命短，節(jié)電不節(jié)能的缺點(diǎn)。而川西地區(qū)中低溫度溫泉出露較多，可通過輸入較少的電能，使用水源熱泵加以利用，因此，從總體效益的角度上選擇板式換熱器+水源熱泵的地?zé)崽菁壚梅绞?，并通過增加熱水儲水箱加以改進(jìn)。

通過以上分析，設(shè)計(jì)川西地區(qū)地?zé)豳Y源綜合梯級利用模式圖（圖5）?？刀h榆林宮、中谷及巴塘縣熱坑—茶洛地?zé)崽?、甘孜地?zé)崽锖屠硖恋責(zé)崽餆醿囟瘸^200℃，可用于高溫地?zé)岚l(fā)電，其余中低溫地?zé)釁^(qū)90℃以上的資源可用于一級ORC或Kalina循環(huán)發(fā)電；二級利用可用于縣城附近居民區(qū)集中供暖：60℃熱源用于散熱器采暖，之后35～45℃熱水在地暖管系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，加熱整個(gè)地板，通過地面均勻地向室內(nèi)輻射散熱；經(jīng)二級利用后的熱水再次通過換熱器進(jìn)行三級利用，用于提供居民生活用熱水。由于水溫降低至25℃左右，換熱后的溫度在冬季不能達(dá)到居民生活用熱水的要求，因此通過儲水箱儲水，熱水經(jīng)熱泵輸送后供給居民生活熱水。在此過程中溫度可根據(jù)居民的需求調(diào)節(jié)。經(jīng)三級利用后，地?zé)崴衫^續(xù)開展四級利用：根據(jù)資源位置情況，在區(qū)內(nèi)旅游景點(diǎn)附近或旅游線路沿線，如榆林宮地?zé)釁^(qū)、中谷地?zé)釁^(qū)、龍普溝地?zé)釁^(qū)，可通過熱泵提高尾水熱品位，用于溫泉理療或游泳池；而在資源溫度較低或農(nóng)業(yè)種植區(qū)與地?zé)豳Y源分布區(qū)的耦合區(qū)域，四級利用則可考慮用于溫室種植。圖中四級利用為旅游療養(yǎng)熱應(yīng)用。經(jīng)四級利用后最終排放或回灌的尾水溫度為20℃左右。因此在該模式從高溫到低溫逐級提取熱量，開展三級到四級地?zé)崽菁壚?，?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的最大化利用。投入應(yīng)用將有利于川西地區(qū)環(huán)境改善，同時(shí)對能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重大意義。

圖5 川西地區(qū)地?zé)崽菁壚媚Ｊ綀D

5 結(jié)論

1) 通過對全球地?zé)崽菁壚脤?shí)例的總結(jié)分析，目前共有20余個(gè)國家開展地?zé)崽菁壚?，主要為二級到四級利用，所利用的熱源溫度多集中?0～120℃之間。在這些梯級利用系統(tǒng)中，熱用途以發(fā)電和供暖為主，其次是溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖、洗浴、水療和酒店用熱，部分系統(tǒng)還用于干燥、冷卻、生活用水、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等應(yīng)用，梯級利用后的尾水溫度較低，地?zé)崂盟降靡蕴岣摺?/p>

2) 川西地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，區(qū)內(nèi)溫泉多呈帶狀發(fā)育，沿?cái)嗔褞Х植加诟首?、康定、理塘和巴塘等地區(qū)。地?zé)豳Y源具有分布較集中、熱儲溫度高、距離縣城所在地近、且與人口分布具有良好重疊性的特征，但整體上開發(fā)程度較低，利用方式單一，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

3) 結(jié)合國內(nèi)外地?zé)崽菁壚矛F(xiàn)狀與川西地?zé)豳Y源特征，提出適宜川西地區(qū)的四級地?zé)崽菁壚孟到y(tǒng)。其中，一級用于ORC或Kalina循環(huán)發(fā)電；二級根據(jù)溫度由高到低用于散熱器供暖及地板輻射采暖；三級用于供給居民生活用水，通過安裝儲水箱調(diào)節(jié)冬夏季的用水溫度；四級根據(jù)所利用的具體資源位置選擇用于溫泉理療、游泳池等娛樂保健項(xiàng)目或農(nóng)業(yè)應(yīng)用。