王貴玲，陸 川

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050061

0 引言

2020 年9 月，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上表示：“中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和.”為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，亟需建設(shè)清潔、低碳、高效、多元的現(xiàn)代能源體系［1］.根據(jù)聯(lián)合國(guó)《世界能源評(píng)估》報(bào)告在2004年和2007 年給出的可再生能源發(fā)電的對(duì)比數(shù)字，地?zé)岚l(fā)電的利用系數(shù)在72%～76% 之間，明顯高于太陽(yáng)能（14%）、風(fēng)能（21%）和生物質(zhì)能（52%）等可再生能源.地?zé)崮苡脕?lái)發(fā)電供應(yīng)的時(shí)間全年可達(dá)6 000 h 以上，有些地?zé)犭娬旧踔粮哌_(dá)8 000 h，用來(lái)提供冷、熱負(fù)荷也非常穩(wěn)定.地?zé)豳Y源以其運(yùn)行穩(wěn)定、可持續(xù)利用和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］.

我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，約占全球地?zé)豳Y源的1/6，以中低溫為主［4-8］.淺層地?zé)崮苜Y源遍布全國(guó)，年可開(kāi)采資源量折合7×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤.淺層（200 m 深度內(nèi)）地溫梯度總體分布為北高南低，南方平均值為2.45 ℃/hm，北方大部分地區(qū)地溫梯度由西向東逐漸升高，平均值為3.00 ℃/hm［4］.中深層地?zé)豳Y源主要集中在大型沉積盆地和山地?cái)嗔褞?，以水熱型地?zé)豳Y源為主，資源量折合1.25×1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于2019 年全國(guó)能源消耗的257 倍，年可開(kāi)采資源量折合19×108t標(biāo)準(zhǔn)煤.沉積盆地地?zé)豳Y源主要分布在中國(guó)東部中、新生代平原盆地，包括華北平原、江淮平原、松遼盆地等地區(qū)，資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.06×1012t［7］，是我國(guó)重要的地?zé)衢_(kāi)發(fā)潛力區(qū).高溫地?zé)豳Y源則分布在喜馬拉雅地?zé)釒У男隆⒉?、川、滇和環(huán)太平洋地?zé)釒У呐_(tái)灣地區(qū).地?zé)豳Y源總體分布具有“東高西低、南高北低”的特點(diǎn)，大陸地區(qū)總體熱背景不高，平均大地?zé)崃髅芏葹?3 MW/m2［4］.

按照熱儲(chǔ)的溫度范圍和埋藏深度可劃分為淺層地溫能資源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源.我國(guó)這3種資源賦存豐富，分布廣泛.據(jù)國(guó)土資源部的最新資源評(píng)價(jià)中國(guó)大陸336 個(gè)主要城市淺層地?zé)崮苣昕刹少Y源量相當(dāng)于7×108t 標(biāo)準(zhǔn)煤；全國(guó)水熱型地?zé)豳Y源總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.25×1012t，年可采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤19×108t，相當(dāng)于2015 年全國(guó)能源消耗的44%.中國(guó)大陸3 000～10 000 m 深處干熱巖資源總計(jì)相當(dāng)于856×1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤，根據(jù)國(guó)際干熱巖標(biāo)準(zhǔn)，以其2%作為可開(kāi)采資源量計(jì)，約為2015 年全國(guó)能源總消耗量的4 000 倍［2-3，5，7-8］.

本文主要集中介紹地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展，簡(jiǎn)要涉及開(kāi)發(fā)利用工程現(xiàn)狀及進(jìn)展，基本不涉及勘察勘探方法，讀者可參考相關(guān)文獻(xiàn).限于文章篇幅，干熱巖資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)將另文介紹.

1 地?zé)豳Y源直接利用技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展

截至2019 年底，世界地?zé)嶂苯永每傃b機(jī)容量為107.727 GW［9］，中國(guó)地?zé)嶂苯永醚b機(jī)容量位居世界第一.我國(guó)2015 年地?zé)崮苣昀每偭考s為6.0×105TJ［8-10］，主要利用形式為水熱型及淺層地?zé)崮?，其中通過(guò)熱泵為民/商用建筑供冷供熱為最主要的利用形式，年利用量約為3.1×105TJ，約占地?zé)崮苣昀每偭康?1.7%［10］.據(jù)國(guó)土資源部“十二五”“十三五”的最新資源評(píng)價(jià)，336 個(gè)地級(jí)以上城市80%的土地適宜利用淺層地?zé)崮?，可?shí)現(xiàn)建筑物夏季制冷面積326×108m2，冬季供暖面積323×108m2［11］.其中，地下水地源熱泵系統(tǒng)夏季可制冷面積55.9×108m2，冬季可供暖面積36.1×108m2；地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季可制冷面積356×108m2，冬季可供暖面積375×108m2.就開(kāi)發(fā)利用方式，城市地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)占總面積的29%，較適宜區(qū)占53%；地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)占總面積的11%，較適宜區(qū)占27%［12］.除了淺層地?zé)崮?，中深層水熱型地?zé)崮芾靡渤尸F(xiàn)良好發(fā)展趨勢(shì).

截至2015 年底，全世界水熱型地?zé)崮芄┡b機(jī)容量為7 556 MW，占世界地?zé)崮苤苯永每傃b機(jī)容量的10.7%［5］.我國(guó)水熱型地?zé)豳Y源利用方式中，地?zé)岚l(fā)電占0.50%，供熱采暖占32.70%，醫(yī)療洗浴與娛樂(lè)健身占32.32%，養(yǎng)殖占2.55%，種植占17.93%，工業(yè)利用占0.44%，其他占13.56%［7］.作為水熱型地?zé)豳Y源中占有份額最大的利用方式，供熱采暖利用已有上千年的歷史，20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，水熱型地?zé)峁┡拈_(kāi)發(fā)利用在規(guī)模、深度和廣度上都有很大發(fā)展.截至2019年底，我國(guó)水熱型地?zé)豳Y源可利用量達(dá)14.16 GW［13］，近10 年來(lái)，我國(guó)水熱型地?zé)崮苤苯永昧扛且阅昃?0%的速度增長(zhǎng)，已連續(xù)多年位居世界首位［7］.截至2014 年底，全國(guó)水熱型地?zé)豳Y源供暖利用面積為6 032×104m2，2016 年增至1.02×108m2，2017 年底超過(guò)1.50×108m2，其中山東、河北、河南增長(zhǎng)較快［12］.截至2019年，北方地區(qū)中深層地?zé)峁┡娣e約1.52×108m2［8］.

1.1 淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用技術(shù)

淺層地?zé)崮苤傅厍驕\表200 m 內(nèi)巖土和水體中蘊(yùn)含的低溫?zé)崮埽囟韧ǔ５陀?5 ℃）［12］.該部分地下空間通過(guò)收集太陽(yáng)輻射獲取熱量.淺層地?zé)崮艿拇笠?guī)模開(kāi)發(fā)利用得益于熱泵技術(shù)的發(fā)展.地源熱泵技術(shù)問(wèn)世于1912 年的瑞士，地源熱泵已在北美、歐洲等地廣泛應(yīng)用，技術(shù)也日趨成熟，地源熱泵在歐美國(guó)家家用的供暖設(shè)備中也已占有相當(dāng)大比例［14-15］.地源熱泵技術(shù)的核心作用在于調(diào)整換熱工質(zhì)的溫度，促成溫度較低的地溫/水熱資源的可利用性，同樣也是中低溫水熱型地?zé)豳Y源直接利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝備.

根據(jù)地下熱源不同，可分為土壤源熱泵系統(tǒng)（Ground-Coupled Heat Pump，GCHP）和地下水源熱泵系統(tǒng)（Ground Water Heat Pump，GWHP）［16］.我國(guó)目前應(yīng)用的水源熱泵系統(tǒng)占總數(shù)63%，土壤源熱泵系統(tǒng)占37%［17］.依據(jù)與土壤和水體的熱交換方式，GCHP有閉環(huán)循環(huán)和開(kāi)放循環(huán)的構(gòu)型.GWHP 熱交換方式可將換熱器直接置于水體中，節(jié)約設(shè)備和操作成本.若水質(zhì)允許，GWHP 也可采用開(kāi)放循環(huán)構(gòu)型［14］.

地源熱泵系統(tǒng)的效率可用其COP 指數(shù)（Coefficient of Performance，定義為產(chǎn)出熱量與消耗電能的比值）來(lái)定量表述［14］，各種供暖系統(tǒng)的典型等效COP 如下——地源熱泵：3～5，空氣源熱泵：2.3～3.5，電暖器：1，中效天然氣爐：0.78～0.82，高效天然氣爐：0.88～0.97.熱泵系統(tǒng)近年在系統(tǒng)基本構(gòu)成的負(fù)載側(cè)方面發(fā)展主要是提高其COP 指數(shù)，但總體而言發(fā)展較慢，近期的進(jìn)展主要關(guān)注于：1）利用壓縮機(jī)和循環(huán)泵的廢熱，進(jìn)一步節(jié)約能耗，提高系統(tǒng)COPs；2）將系統(tǒng)的應(yīng)用加以擴(kuò)展，如將地表的地溫環(huán)境引導(dǎo)至地下以避免永久凍土層融化等方面影響［14-15］.

在熱源側(cè)的熱提取裝置方面，主要的發(fā)展方向在于提高熱交換效率和節(jié)約設(shè)備投資方面，比較典型的有為增加換熱面積開(kāi)發(fā)的多管地埋管換熱器、螺旋形地埋管換熱器、梅花管換熱器［18-19］；為加大溫差，強(qiáng)化換熱同時(shí)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)備而設(shè)計(jì)的直膨式地下?lián)Q熱系統(tǒng)等［19-20］.針對(duì)中深層地?zé)豳Y源無(wú)擾供熱而開(kāi)發(fā)的單井U 型管、單井同軸套管和重力熱管技術(shù)，同樣適用于水熱型甚至干熱巖型地?zé)豳Y源利用，將在后文相關(guān)專題討論.

1.2 水熱型地?zé)豳Y源直接利用技術(shù)

1.2.1 直接利用采暖和制冷

就利用技術(shù)層面，地源熱泵技術(shù)對(duì)水熱型地?zé)豳Y源直接利用作用巨大，已在北美、歐洲等地廣泛應(yīng)用，技術(shù)也日趨成熟，整體技術(shù)革新較慢，但規(guī)模發(fā)展較快.美國(guó)正在實(shí)現(xiàn)每年安裝40 萬(wàn)臺(tái)地源熱泵的目標(biāo)，在瑞士、奧地利、丹麥等歐洲國(guó)家，地源熱泵在家用的供暖設(shè)備中已占有相當(dāng)大比例.冰島有85%的房屋用地暖供熱，占地?zé)嶂苯永玫?7%.匈牙利的地?zé)峁┡m較地?zé)徂r(nóng)業(yè)和浴療應(yīng)用時(shí)間晚，但發(fā)展速度很快，現(xiàn)已有8 個(gè)城市，近9 000 套住宅用地?zé)崴┡?地?zé)嵩诜▏?guó)的可再生能源中排第4 位，占總能源的比例為0.44%，居世界第10 位，目前地?zé)崮芤延糜?0 萬(wàn)個(gè)住宅的供暖及熱水供應(yīng)［8，21］.

近10 年來(lái)，我國(guó)水熱型地?zé)崮苤苯永靡阅昃?0%的速度增長(zhǎng)，已連續(xù)多年位居世界首位.直接利用以供暖為主，其次為健康療養(yǎng)、種植養(yǎng)殖等.面對(duì)“2030年前碳達(dá)峰，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，地?zé)崮茏鳛榍鍧嵎翘蓟稍偕茉从瓉?lái)空前的發(fā)展機(jī)遇.水熱型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的主要地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2020 年底，北京為300×104m2，天津?yàn)? 423×104m2，河北為6 000×104m2，山東為6 100×104m2.全國(guó)水熱型地?zé)崮芄┡ㄖ娣e為2.40×108m2［5］.

目前，我國(guó)的地?zé)豳Y源梯級(jí)利用主要體現(xiàn)在供熱和供冷兩個(gè)方面.冬季，超過(guò)50 ℃的地?zé)崴捎锰菁?jí)利用的方式進(jìn)行供暖，取得了良好的供暖效果和環(huán)境效益.夏季熱泵機(jī)組通過(guò)閥門切換作為冷機(jī)使用，成為常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)盤管＋新風(fēng)系統(tǒng).然而目前的梯級(jí)利用比較粗放，利用過(guò)后仍有大量的能量浪費(fèi).綜合利用可以使資源利用率更高，北方地區(qū)可以優(yōu)先考慮地?zé)岵膳?、地?zé)嵯丛?、地?zé)岱N植、地?zé)狃B(yǎng)殖等技術(shù)，南方地區(qū)可以優(yōu)先考慮地?zé)嶂评?、地?zé)岣稍?、地?zé)嵯丛　⒌責(zé)岱N植、地?zé)狃B(yǎng)殖等技術(shù)，優(yōu)化地?zé)豳Y源的梯級(jí)利用.因此，地?zé)豳Y源的綜合利用也是一種發(fā)展趨勢(shì)［16］.

地?zé)嶂评浞绞街皇且宰銐蚋邷囟鹊牡責(zé)崴?qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng)，制取冷凍水用于空調(diào)或生產(chǎn).常見(jiàn)的適用于地?zé)嶂评涞闹评錂C(jī)有兩種：一種是以水為制冷劑、溴化鋰溶液為吸收劑的溴化鋰吸收式制冷機(jī)；另一種是以氨為制冷劑、水為吸收劑的氨水吸收式制冷機(jī).工作原理為這兩種溶液系統(tǒng)中制冷劑的飽和蒸氣壓受溶液濃度和溫度的影響非常大，稀濃溶液相應(yīng)的飽和蒸氣壓足以產(chǎn)生較高的真空度，驅(qū)動(dòng)蒸汽流動(dòng)并導(dǎo)致制冷劑在含濃溶液的低壓蒸發(fā)器中強(qiáng)烈蒸發(fā)制冷；濃溶液吸收制冷劑而稀釋為稀溶液，泵入高低壓發(fā)生器，由外部熱源加熱沸騰，再次分離成濃溶液和制冷劑蒸汽；后經(jīng)一系列換熱器、冷卻塔、循環(huán)泵等設(shè)備完成循環(huán)［22］.

在壓縮機(jī)式制冷設(shè)備推廣以前，吸收式制冷系統(tǒng)，特別是氨水吸收式制冷機(jī)作為小型工業(yè)制冷方法廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、食品等行業(yè)，技術(shù)相對(duì)成熟.依據(jù)外部熱源來(lái)源不同，傳統(tǒng)上此類設(shè)備分為直燃式吸收式制冷系統(tǒng)（鍋爐加熱）、廢熱利用式吸收式制冷系統(tǒng)等.針對(duì)利用地?zé)崮艿奈帐街评湎到y(tǒng)，需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備調(diào)整，包括調(diào)整溶液濃度以改變沸點(diǎn)以適應(yīng)地?zé)崃黧w溫度，或裝置額外熱泵系統(tǒng)調(diào)整發(fā)生器熱源溫度等.相應(yīng)技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)市場(chǎng)化，但設(shè)備整體體積較大，線路復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高，與目前已普及的壓縮機(jī)式制冷系統(tǒng)相比，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面不占優(yōu)勢(shì).到2014年，地?zé)嶂评湓诘責(zé)崂弥兴嫉谋壤坏?.4%，在夏季時(shí)間長(zhǎng)、地?zé)豳Y源比較豐富的地區(qū)，如美國(guó)的南部，中國(guó)的廣東、福建等地，結(jié)合節(jié)約用電的政策傾斜，地?zé)嶂评浼夹g(shù)可能有較寬廣的應(yīng)用前景［23-24］.

1.2.2 尾水回灌技術(shù)發(fā)展

典型華北平原地?zé)崽锏纳a(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)和模型計(jì)算表明，多數(shù)沉積盆地型水熱地?zé)釤醿?chǔ)即使經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)幾十年的開(kāi)采，實(shí)際僅利用了深部熱儲(chǔ)熱能的較小部分.中低溫地?zé)豳Y源主要依靠流體攜帶熱能來(lái)供人們開(kāi)發(fā)利用，攜帶熱能的地?zé)崃黧w枯竭速度遠(yuǎn)高于熱能消耗速度，尾水回灌是開(kāi)發(fā)保護(hù)地?zé)豳Y源的必要措施.地?zé)峄毓嗟哪康闹饕w現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：1）廢水處理的方法之一，可減少地?zé)崃黧w排放對(duì)土壤、地表水體和地下淺層水體的熱污染和化學(xué)污染；2）維持區(qū)域儲(chǔ)層壓力，是除自然補(bǔ)給外最直接、有效的人工補(bǔ)給；3）可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，可增加從巖石中提取熱量的能力，真正體現(xiàn)地?zé)豳Y源清潔、可再生的特性［25-26］.

京津冀魯豫等省市地?zé)豳Y源相對(duì)豐富，開(kāi)發(fā)利用主要用于供暖，水質(zhì)條件適合回灌，但現(xiàn)有地?zé)峄毓嗑當(dāng)?shù)量偏低，僅為開(kāi)采井的15%左右.設(shè)計(jì)有回灌井的地?zé)崽镏虚_(kāi)采量有50%以上能夠回灌，個(gè)別地區(qū)某些熱儲(chǔ)可以達(dá)到100%回灌，但全國(guó)總的回灌率還明顯偏低，很多地區(qū)出現(xiàn)熱儲(chǔ)壓力（水位）多年連續(xù)下降現(xiàn)象.同時(shí)響應(yīng)國(guó)家“碳達(dá)峰”“碳中和”的要求，開(kāi)采力度逐漸增加，環(huán)保壓力增大，加上地方政府的重視和回灌技術(shù)規(guī)范，供暖后的地?zé)嵛菜歼M(jìn)行了生產(chǎn)性回灌或部分生產(chǎn)性回灌.目前基巖熱儲(chǔ)回灌效果較好的是北京、天津、山東及河北雄縣等.砂巖熱儲(chǔ)回灌效果較好的是天津，山東濟(jì)南、德州，河北滄州、保定等［27-28］.

當(dāng)前相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展主要關(guān)注3 個(gè)方面：1）綜合層位識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，改造儲(chǔ)層打通回灌通道，預(yù)防回灌性能下降，處理回灌過(guò)程中黏土變性、顆粒遷移、礦物沉積和微生物集結(jié)等問(wèn)題，攻克砂巖回灌難題［24-25］；2）通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，模型預(yù)測(cè)等方法，科學(xué)規(guī)劃開(kāi)采方案，解決基巖熱儲(chǔ)采灌區(qū)域集中、層位集中、時(shí)間集中的現(xiàn)象；3）綜合考察動(dòng)態(tài)回灌過(guò)程，科學(xué)評(píng)價(jià)回灌條件下的可持續(xù)的資源潛力［26，28］.

1.2.3 油田區(qū)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用

地?zé)崮軆?chǔ)量豐富、分布廣泛，具有穩(wěn)定連續(xù)的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)不可或缺的能源，但潛在的高昂打井成本和較高的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)阻礙了傳統(tǒng)地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用.我國(guó)油田區(qū)蘊(yùn)藏著大量的地?zé)豳Y源，擁有數(shù)量眾多的油氣勘探、生產(chǎn)井，且井下溫度較高，富水性基本滿足需要，具有巨大開(kāi)發(fā)潛力.如果能利用這些既有設(shè)施，節(jié)約鉆探投資，規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)油田區(qū)地?zé)豳Y源低成本、可持續(xù)的開(kāi)發(fā)利用，則會(huì)推進(jìn)油田企業(yè)開(kāi)發(fā)可再生地?zé)崮苄庐a(chǎn)業(yè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)及清潔供暖等具有重大意義［5，29］.

對(duì)于油氣開(kāi)采已經(jīng)沒(méi)有價(jià)值的油井，經(jīng)過(guò)改造利用后對(duì)地?zé)豳Y源的開(kāi)采有重要意義.這類油井大量存在于油田區(qū)，可劃為“無(wú)用”油井，主要包括：1）因地質(zhì)、工程原因損毀，無(wú)法生產(chǎn)的報(bào)廢、廢棄井；2）鉆探后無(wú)油氣顯示的勘探井；3）多年生產(chǎn)后停產(chǎn)低產(chǎn)的停產(chǎn)井.對(duì)比地?zé)峋纳a(chǎn)要求，油氣井普遍產(chǎn)量較低，工程改造主要在于改造井結(jié)構(gòu)和近井儲(chǔ)層，提高產(chǎn)能.主要改造方法包括：1）開(kāi)天窗側(cè)鉆法；2）直接射孔法；3）改造泵室射孔法.具體方法取決于井身結(jié)構(gòu)、地層情況、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等因素.其他常用的油氣井增加產(chǎn)能的方法如射孔、酸化、套管切割等亦屢見(jiàn)于改造工程實(shí)踐中［30-33］.

中國(guó)東部地區(qū)實(shí)施油田地?zé)崂米钤缙鸩接?0世紀(jì)80 年代，包括原油管道加熱、油管清洗、油水分離、房屋供暖、溫室大棚以及中低溫地?zé)岚l(fā)電等.開(kāi)發(fā)利用地?zé)岬姆绞街饕抢貌捎瓦^(guò)程中分離出的熱水，或?qū)⒂途?、廢棄井改造為地?zé)峋?4-35］，或新鉆地?zé)峋槿〉責(zé)崴?，采用的技術(shù)包括換熱器間接供熱技術(shù)、井下?lián)Q熱技術(shù)、熱泵技術(shù)和中低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)等.在累計(jì)實(shí)施的油田地?zé)犴?xiàng)目中，利用的地?zé)崮埽ㄕ鬯銥闃?biāo)準(zhǔn)煤）超過(guò)160×104t/a.這些項(xiàng)目主要集中在渤海灣盆地的華北油田、勝利油田、大港油田、遼河油田、冀東油田.2011 年華北油田建成一座400 kW 的油田中低溫地下熱水示范地?zé)犭娬?，是?dāng)時(shí)大中型沉積盆地深部油氣田伴生地?zé)豳Y源創(chuàng)新性開(kāi)發(fā)利用工程［29-30］.

目前仍缺乏地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用方面的總體規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.實(shí)現(xiàn)油田地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用，需要根據(jù)資源條件制定統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃.此外，在地?zé)豳Y源勘探、資源評(píng)價(jià)、熱水回注、地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也沒(méi)有職能機(jī)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)管理機(jī)構(gòu)，這將直接制約油田地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)［30，33］.

1.3 中深層地?zé)豳Y源無(wú)擾開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)展

追溯中深層地?zé)岬芈窆芄峒夹g(shù)的發(fā)展沿革，利用同軸深孔換熱器提取深部巖土熱量的概念于1995年由瑞士學(xué)者在文獻(xiàn)中首次報(bào)道［36］，其初衷是利用油氣鉆井開(kāi)發(fā)中的廢棄干孔提取中深層巖土中賦存熱量，并于瑞士維吉斯開(kāi)展了試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)［37］.該原型概念在國(guó)外并沒(méi)有得到重視，僅有個(gè)別實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行工程嘗試，并未考慮與特制熱泵機(jī)組聯(lián)合使用為建筑供熱，更無(wú)任何商業(yè)化應(yīng)用案例［38-39］.

中國(guó)北方城鎮(zhèn)地區(qū)建筑密度高、人員密度大、供熱需求旺盛，因而特別適合該技術(shù)在建筑供熱領(lǐng)域的應(yīng)用.2012 年，陜西省工程技術(shù)和科研人員探索出使用同軸套管式深層地埋管換熱器耦合特制地源熱泵機(jī)組進(jìn)行建筑供熱的中深層地?zé)岬芈窆芄峒夹g(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用［40-42］.2017 年1 月，《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出在發(fā)展地?zé)豳Y源時(shí)，應(yīng)開(kāi)展井下?lián)Q熱技術(shù)深度研發(fā)，在“取熱不取水”的指導(dǎo)原則下，進(jìn)行傳統(tǒng)供暖區(qū)域的清潔能源供暖替代.2018 年1月，多位院士專家參加無(wú)干擾地?zé)峁峒夹g(shù)論證會(huì)，對(duì)中深層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用進(jìn)行技術(shù)可行性分析，將其技術(shù)名稱確定為“中深層地?zé)崮軣o(wú)干擾清潔供熱技術(shù)”.2020 年3 月，陜西省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《中深層地?zé)岬芈窆芄嵯到y(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ 61/T 166—2020）正式發(fā)布［43］.此類系統(tǒng)的工作原理本質(zhì)是深入中深熱儲(chǔ)的全封閉式閉路井下?lián)Q熱器（Downhole Heat Exchanger，DHE）.

1.3.1 中深層地埋管式井下?lián)Q熱器技術(shù)進(jìn)展

中深層地埋管換熱器通常采用同軸套管結(jié)構(gòu)或U型管結(jié)構(gòu).對(duì)于同軸套管結(jié)構(gòu)而言，換熱介質(zhì)在循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下從外套管向下流動(dòng)與周邊土壤和巖石等換熱，到達(dá)垂直管的底部后，再返到內(nèi)管向上流出換熱裝置.換熱介質(zhì)在外套管向下流動(dòng)過(guò)程中，一方面通過(guò)外管管壁與土壤巖石等進(jìn)行換熱獲取熱量，另一方面也會(huì)通過(guò)內(nèi)管管壁與向上流動(dòng)的換熱介質(zhì)換熱而散熱.對(duì)于U 型管結(jié)構(gòu)而言，換熱介質(zhì)順入水管一路與周邊土壤和巖石換熱，底部水平段位于地溫高溫區(qū)，可能帶來(lái)更大的換熱增益，因此近年來(lái)U 型管式中深層地埋管換熱器也在部分工程項(xiàng)目中得到了試點(diǎn)應(yīng)用［44-46］.由于采用密閉換熱裝置才能對(duì)地下環(huán)境產(chǎn)生最小的影響，為保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，換熱裝置的密閉性與穩(wěn)定性要求較高的工程技術(shù)工藝.

相關(guān)的數(shù)值模擬和理論分析研究也屢見(jiàn)于文獻(xiàn)［41，47-49］.場(chǎng)地試驗(yàn)研究方面，研究人員對(duì)西安市一處應(yīng)用中深層地埋管供熱技術(shù)示范工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了模擬研究，之后又開(kāi)展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性優(yōu)化研究［41］.對(duì)中深層地埋管換熱器取熱量的數(shù)值模擬結(jié)果表明，其每延米換熱量不會(huì)超過(guò)150 W/m，指出了工程應(yīng)用上限［49］.對(duì)若干實(shí)際應(yīng)用開(kāi)展了一系列工程監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該技術(shù)較傳統(tǒng)淺層地源熱泵系統(tǒng)而言系統(tǒng)COP 更高，可達(dá)4.6～6.4［41］.數(shù)值模擬研究也分析了中深層地埋管換熱器的性能影響因素，對(duì)包括固井材料、管材導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行敏感性分析［50-51］.目前針對(duì)中深層地埋管換熱器，國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)主要集中在單根中深層地埋管換熱器長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究以及中深層地埋管換熱器耦合深部巖土高效仿真計(jì)算模型開(kāi)發(fā).

在實(shí)際應(yīng)用中，如以換熱量120 W/m，系統(tǒng)COP為6.0，建筑熱負(fù)荷30 W/m2計(jì)，一根2 500 m 的中深層地埋管換熱器僅可滿足12 000 m2的供熱需求，對(duì)于現(xiàn)今的公共建筑及住宅建筑而言，大多需要5～8 個(gè)中深層地埋管換熱器以滿足建筑總供熱負(fù)荷.研究人員基于多場(chǎng)物理模擬軟件OpenGeoSys 開(kāi)發(fā)了中深層地埋管管群換熱模型，以使得深層地埋管換熱器管群模型可以考慮管間水力交互及管間熱相互作用，并針對(duì)管群熱交互評(píng)估等技術(shù)難點(diǎn)開(kāi)展研究工作［52］.結(jié)論表明在中深層地埋管換熱器管群系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮管間換熱造成的熱相互作用，通過(guò)拉大管間距等方式提高系統(tǒng)換熱效果［53-54］.綜合目前研究成果，我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)研究已位居世界先進(jìn)水平，未來(lái)針對(duì)中深層地埋管供熱系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、管群換熱性能影響因素分析以及耦合儲(chǔ)能等方式的多能互補(bǔ)系統(tǒng)研究將是該技術(shù)下一步的研究重點(diǎn).

1.3.2 超長(zhǎng)重力熱管井下?lián)Q熱器技術(shù)進(jìn)展

重力熱管開(kāi)采地?zé)崮艿墓ぷ髟砣缦拢褐亓峁芙Y(jié)構(gòu)自下而上依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段.初始時(shí)在抽真空的熱管內(nèi)注入適量的液態(tài)工質(zhì)，工質(zhì)在底部蒸發(fā)段受到外界熱源的加熱迅速氣化，在壓力和浮力的作用下，加速向上運(yùn)動(dòng)，流至冷凝段與管壁外的冷源發(fā)生熱交換，凝結(jié)液化，液相靠重力回流到蒸發(fā)段重新吸熱.如此循環(huán)往復(fù)，將熱量從底部蒸發(fā)段傳遞到上部冷凝段，供發(fā)電和采暖使用.由以上的開(kāi)采過(guò)程可知，利用重力熱管提取地?zé)崮苜Y源并不需要消耗泵功等，可降低成本.此外整個(gè)過(guò)程中只取熱不取水，可避免地面沉降、水資源污染等問(wèn)題［55-56］.

重力熱管是自循環(huán)的DHE 系統(tǒng)，流體工質(zhì)循環(huán)過(guò)程完全封閉，從根本上杜絕了管道的腐蝕和結(jié)垢，以及工質(zhì)損失等問(wèn)題.并且DHE 系統(tǒng)為單井采熱，無(wú)須進(jìn)行井下連通，可以很方便地建立在廢棄的石油和天然氣井口，從而大幅減少了鉆井費(fèi)用，降低項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn).一些研究者已經(jīng)對(duì)使用DHE 系統(tǒng)來(lái)開(kāi)采干熱巖熱能的方案展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)和理論研究［57-58］.

多數(shù)針對(duì)U 型管和套管井下?lián)Q熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬顯示DHE 的單井采熱量通常較低，多數(shù)在1 MWt以下，發(fā)電量小于50 kW［49］.熱儲(chǔ)和工質(zhì)的平均溫差是該系統(tǒng)熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，采用U 形管或套管的單相流DHE 系統(tǒng)將地?zé)崮芤燥@熱的形式儲(chǔ)存在循環(huán)工質(zhì)中，當(dāng)循環(huán)工質(zhì)吸收地?zé)崮苤蠊べ|(zhì)溫度也會(huì)隨之上升，難以在熱儲(chǔ)和井下?lián)Q熱器之間形成較大溫差.重力熱管井下?lián)Q熱系統(tǒng)利用管內(nèi)工質(zhì)在重力作用下由液氣相變而產(chǎn)生的自然對(duì)流效應(yīng)，可將熱量迅速地從高溫端傳輸?shù)降蜏囟?由于重力熱管將熱能儲(chǔ)存在工質(zhì)潛熱中，其工質(zhì)溫度不會(huì)隨著熱量的吸收而增長(zhǎng).因此重力熱管能夠在采熱過(guò)程中維持更高的傳熱溫差，強(qiáng)化傳熱過(guò)程，同時(shí)較高的工質(zhì)-地層溫差使近井熱儲(chǔ)溫度較傳統(tǒng)換熱方式低，進(jìn)一步強(qiáng)化熱儲(chǔ)中自然對(duì)流過(guò)程，從而提高采熱效率.一些相關(guān)理論研究顯示：理想條件下EGS 電站中單井重力熱管發(fā)電量可達(dá)243 kW，成本電價(jià)1.1 CNY/kWh，與EGS 電站發(fā)電成本接近，但其投資總額僅為EGS 電站的約1/6［49］.

應(yīng)當(dāng)注意的是，目前超長(zhǎng)熱管井下?lián)Q熱系統(tǒng)的研究工作以數(shù)值模擬方法為主，其中包含大量模型假設(shè)，包括忽略積液效應(yīng)和氣液卷攜作用等，使得模擬結(jié)果僅有參考意義.常規(guī)結(jié)構(gòu)的重力熱管傳熱能力受各種傳熱極限約束，理論上主要有沸騰極限、攜帶極限、黏性極限、聲速極限和干涸極限，簡(jiǎn)化的理論分析給出了各種極限的估算方法［59-62］.地溫條件下，重力熱管換熱能力和蒸發(fā)段長(zhǎng)度主要受攜帶極限控制.超過(guò)極限條件的操作往往破壞穩(wěn)定的兩相流動(dòng)和傳熱過(guò)程，削弱傳熱能力.攜帶極限是由重力熱管內(nèi)的蒸汽流與逆向的凝結(jié)液流在兩者界面上的黏滯攜帶作用引起的，一旦上部空間的液體體積達(dá)到一定量以后，就可能突然快速下降至蒸發(fā)段，破壞熱管內(nèi)正常的兩相流動(dòng)和傳熱過(guò)程；沸騰極限是在徑向熱流密度較大的情況下，蒸發(fā)段液池中的工作介質(zhì)首先發(fā)生沸騰，當(dāng)達(dá)到某一臨界熱流密度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，在蒸發(fā)段壁面上形成蒸汽膜，影響熱管的整體傳熱系數(shù)，使熱管的傳熱能力下降；當(dāng)蒸汽量和熱功率很大時(shí)，回流液在接近液池前被燒干，導(dǎo)致熱管局部溫度持續(xù)升高，此時(shí)出現(xiàn)干涸極限［60-61］.實(shí)驗(yàn)室超長(zhǎng)熱管換熱試驗(yàn)中，當(dāng)長(zhǎng)徑比和功率較大時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)烈震蕩現(xiàn)象是這些非線性特征的體現(xiàn)［56］.

對(duì)于超長(zhǎng)熱管（長(zhǎng)徑比15 000 左右）的模擬計(jì)算顯示，3 000 m 長(zhǎng)重力熱管中熱蒸汽最多可傳遞530 m左右，通過(guò)加裝蒸汽導(dǎo)管和鋼絲網(wǎng)導(dǎo)流裝置，特別是絕熱段的保溫，系統(tǒng)采熱能力大為改善［63］.鑒于以上及類似模擬結(jié)果，研究者們提出了很多改進(jìn)方案：重力熱管內(nèi)部設(shè)置液體回流管路用于避免氣液卷攜現(xiàn)象；在回液管側(cè)壁設(shè)置多個(gè)噴嘴，通過(guò)噴淋的方式保持蒸發(fā)段內(nèi)壁的潤(rùn)濕，進(jìn)而避免蒸發(fā)段的積液?jiǎn)栴}［64-67］；設(shè)置內(nèi)管和翅片結(jié)構(gòu)，采用納米流體對(duì)熱管相變性能進(jìn)行調(diào)整［68］；加入表面活性劑以強(qiáng)化沸騰傳熱［69］；采用金屬網(wǎng)吸液芯和分流管等改進(jìn)結(jié)構(gòu)［59，64］；采用“多級(jí)循環(huán)”的設(shè)計(jì)思路，將長(zhǎng)管分隔為多段短管，各段分別采用適宜的工質(zhì)，解決長(zhǎng)徑比過(guò)大所帶來(lái)的一系列流動(dòng)傳熱問(wèn)題［70-71］.各個(gè)方案對(duì)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題均有一定程度的改善，但不能完全解決，同時(shí)因引入了復(fù)雜幾何、機(jī)械結(jié)構(gòu)，又導(dǎo)致新問(wèn)題出現(xiàn).

如上文所述，超長(zhǎng)熱管涉及復(fù)雜的兩相湍流相變傳熱耦合過(guò)程，一些實(shí)驗(yàn)研究中出現(xiàn)的較強(qiáng)震蕩現(xiàn)象明顯展示系統(tǒng)的非線性特征.系統(tǒng)放大不能僅僅以長(zhǎng)徑比表征，常用CAE 軟件對(duì)有相變的湍流換熱系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確度尚需綜合考察，實(shí)用尺度的場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)不可或缺，但同時(shí)大尺度超長(zhǎng)熱管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，特別是千米級(jí)規(guī)模的設(shè)備設(shè)施，需要較大規(guī)模資金支持，現(xiàn)場(chǎng)組織和安裝調(diào)試相當(dāng)繁復(fù).超長(zhǎng)重力熱管技術(shù)以目前理論和技術(shù)水平還在研究探索階段.

2 地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)

2.1 地?zé)崮馨l(fā)電開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

地?zé)岚l(fā)電有多種技術(shù)，取決于資源狀況.地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)可分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型和巖漿型等系統(tǒng)［72］.1）蒸汽型：指地下儲(chǔ)熱以蒸汽為主的對(duì)流系統(tǒng)，蒸汽主要為200～240 ℃干蒸汽，摻雜少量其他氣體；2）熱水型：在地下儲(chǔ)熱以熱水為主的對(duì)流系統(tǒng)，包括噴出地面呈現(xiàn)的熱水和濕蒸汽，是目前利用最廣的地?zé)岚l(fā)電形式，熱水型可分為高溫（大于150 ℃）、中溫（90～150 ℃）和低溫（90 ℃以下）；3）地壓型：封閉在地下的高溫高壓熱水體，溶有大量碳?xì)浠衔铮?）干熱巖型：地下普遍存在的無(wú)水和蒸汽的熱巖石，需靠人工壓裂創(chuàng)造裂縫，從而使得低溫水吸收巖石熱量后至地面發(fā)電；5）巖漿型：在地下以熔融和半熔融狀態(tài)存在的巖漿，一般埋藏較深，較淺區(qū)多為火山地區(qū)，此類地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)尚處于理論探討階段.

2014 年世界地?zé)岚l(fā)電資源總量達(dá)到12.7 GW，主要來(lái)自低溫和中低溫資源［73］.自2010 年以來(lái)，大約增長(zhǎng)了17%.圖1 顯示了1995—2020 年地?zé)峒夹g(shù)的增長(zhǎng).該研究呈現(xiàn)出從2010—2014 年每年約350 MW的近線性趨勢(shì)，同時(shí)還聲稱擁有21 GW 的電力容量到2020 年.到2050 年，全球可安裝140 GW，屆時(shí)地?zé)岚l(fā)電將占世界發(fā)電量的8.3%，覆蓋17%的人口，其中40個(gè)國(guó)家100%的電力來(lái)自地?zé)豳Y源［73］.此外，地?zé)峒夹g(shù)每年可以從大氣中消除超過(guò)10×108t 的二氧化碳.即使基于更保守的估計(jì)，2050 年全世界3%的發(fā)電量和5%的熱負(fù)荷也將來(lái)自地?zé)豳Y源［74］.

圖1 1995—2020 年全球地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量Fig.1 Global installed capacity of geothermal power generation during 1995-2020

目前地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量較大的國(guó)家為美國(guó)、新西蘭、冰島、菲律賓、印度尼西亞、墨西哥、薩爾瓦多、肯尼亞等國(guó)家（表1）.美國(guó)、冰島、意大利、新西蘭地?zé)岚l(fā)電歷史較長(zhǎng)，規(guī)模較大，但增量平緩.印度尼西亞、菲律賓、肯尼亞以及土耳其是地?zé)岚l(fā)電新興國(guó)家，地?zé)岚l(fā)電有很大增長(zhǎng)空間［5，75］.

表1 2020 年地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量排前十的國(guó)家Table 1 Top 10 countries in installed capacity of geothermal power generation in 2020

各國(guó)地?zé)岚l(fā)電采用的不同發(fā)電循環(huán)的數(shù)量見(jiàn)圖2，每種循環(huán)對(duì)應(yīng)的裝機(jī)容量和發(fā)電量見(jiàn)圖3.表2 總結(jié)了不同發(fā)電循環(huán)在各大洲的分布情況［73，75］.可以看到，干蒸汽、背壓式、單級(jí)和多級(jí)閃蒸地?zé)犭娬揪碗娬緮?shù)量而言占一半左右；就發(fā)電量而言，這三者占比超過(guò)85%，凸顯出全球地?zé)岚l(fā)電仍然主要依靠高品質(zhì)（高溫）地?zé)豳Y源.

圖2 不同地?zé)岚l(fā)電循環(huán)系統(tǒng)數(shù)量Fig.2 Numbers of different power generation cycle systems

圖3 發(fā)電循環(huán)類型的裝機(jī)容量和發(fā)電量占比Fig.3 Installed capacity and percentage of power generation by power generation cycle type

表2 各大洲地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量Table 2 Installed capacity of geothermal power eneration by continent

中國(guó)中低溫地?zé)岚l(fā)電研究工作始于20 世紀(jì)60 年代末期.1970 年5 月首次在廣東豐順建成第一座設(shè)計(jì)容量為86 kW 的擴(kuò)容法地?zé)岚l(fā)電試驗(yàn)裝置，地?zé)崴疁?1 ℃，廠用電率（地?zé)犭娬咀陨砗碾娏颗c電站總發(fā)電量的比值）為56%.隨后在河北后郝窯、廣東鄧屋、湖南灰場(chǎng)、江西遂川、廣西象州、山東招遠(yuǎn)等地建立了地?zé)嵩囼?yàn)電站，總裝機(jī)容量1.55 MW，后來(lái)因技術(shù)經(jīng)濟(jì)等原因多個(gè)電站相繼停止運(yùn)行.目前僅廣東豐順維持在可部分運(yùn)行狀態(tài).

1977 年9 月第1 臺(tái)1 MW 高溫地?zé)崮馨l(fā)電機(jī)組在西藏羊八井發(fā)電成功，中國(guó)成為世界上第八個(gè)掌握高溫地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)的國(guó)家.1991 年，羊八井地?zé)崮茈娬狙b機(jī)容量達(dá)25.18 MW，其供電量曾占拉薩市電網(wǎng)的40%～60%.截至2005 年底，西藏利用地?zé)岚l(fā)電的有3 處，分別是羊八井、那曲和朗久3 個(gè)地?zé)崽?，總裝機(jī)容量約為25 MW［4-5，8］.目前僅羊八井電站可部分運(yùn)行［76］.

“十二五”期間，我國(guó)在西藏羊易、華北油田、青海省共和縣、天津等地，陸續(xù)試驗(yàn)了一批地?zé)岚l(fā)電機(jī)組.2017 年，原國(guó)土資源部及國(guó)家能源局共同頒布的《地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》提出：“十三五”時(shí)期，在新增地?zé)崮芄┡ㄖ评洌┟娣e11×108m2的同時(shí)，新增地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量500 MW［2］.當(dāng)前我國(guó)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量雖達(dá)46.68 MW，但與“十三五”提出的目標(biāo)相比還有不小差距［76］.

目前西藏羊易16 MW 項(xiàng)目、山西大同300 kW 項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，四川康定建造了一個(gè)400 kW 的測(cè)試發(fā)電裝置，云南德宏興建了2 MW 的電廠.至2021 年初，國(guó)內(nèi)地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量約為51.2 MW（包括西藏羊八井的25.2 MW 電廠）.

2018 年10 月，西藏羊易地?zé)犭娬竟こ桃黄?6 MW 發(fā)電機(jī)組順利通過(guò)72 h 滿負(fù)荷試運(yùn)行，標(biāo)志著目前世界上海拔最高、國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的地?zé)岚l(fā)電機(jī)組順利投產(chǎn)發(fā)電.2021 年初，山西大同天鎮(zhèn)300 kW地?zé)酧RC 試驗(yàn)電站投入運(yùn)行.青海共和、唐山馬頭營(yíng)干熱巖試驗(yàn)電站也已完成初步建設(shè)，正在積極擴(kuò)建提高發(fā)電能力.我國(guó)地?zé)岚l(fā)電行業(yè)呈現(xiàn)出加速發(fā)展的態(tài)勢(shì).

2.2 地?zé)崮馨l(fā)電技術(shù)發(fā)展

2.2.1 蒸汽型地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

在地流體以過(guò)熱蒸汽形式存在的較高溫度下，使用干蒸汽系統(tǒng)（背壓式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)）發(fā)電［77］.背壓式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠，是地?zé)岚l(fā)電的主要形式之一，貢獻(xiàn)了全球總量約23%的地?zé)岚l(fā)電能力，目前有63 座電廠在運(yùn)行中，至2014 年發(fā)電功率總計(jì)達(dá)到2 863 MW［73，75］.

干蒸汽熱電系統(tǒng)是地?zé)岚l(fā)電廠最簡(jiǎn)單、成本最低的設(shè)計(jì)之一.干蒸汽自生產(chǎn)井引出后，在汽水分離器中分離出固體雜質(zhì)，干蒸汽送入汽輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的蒸汽可直接排入大氣，也可用于工業(yè)生產(chǎn)中的加熱過(guò)程.背壓式發(fā)電系統(tǒng)多用于蒸汽中不凝結(jié)性氣體含量高的工況，或用于熱電聯(lián)供系統(tǒng).由于利用高溫?zé)嵩?，干蒸汽發(fā)電廠通常比其他類型的地?zé)岚l(fā)電廠具有更高的效率［17］，但同時(shí)高溫地?zé)豳Y源相對(duì)較少，系統(tǒng)實(shí)施存在限制.此外，來(lái)自地球的熱蒸汽會(huì)增加渦輪葉片的腐蝕，從而增加運(yùn)營(yíng)費(fèi)用［3］.為提高機(jī)組的發(fā)電效率，系統(tǒng)中配備冷凝器，汽輪機(jī)排氣可通過(guò)冷凝器內(nèi)的循環(huán)冷卻水降溫.冷凝器采用抽氣方式維持真空，可使蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹壓力較低，提高發(fā)電效率，即凝汽式汽輪機(jī)［72，75，77-78］.

2.2.2 閃蒸式地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

閃蒸式地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)也稱擴(kuò)容式地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，它是將來(lái)自地?zé)峋诘牡責(zé)崴蚱旌衔?，先送至閃蒸器中進(jìn)行降壓閃蒸（或稱擴(kuò)容）使其產(chǎn)生部分蒸汽，再引入到汽輪機(jī)做功發(fā)電.閃蒸式地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)又可以分為單級(jí)閃蒸和多級(jí)閃蒸兩種方式.與單級(jí)閃蒸不同，多級(jí)閃蒸系統(tǒng)中的地?zé)崴冗M(jìn)入一級(jí)閃蒸器，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，從一級(jí)閃蒸器出來(lái)的熱水進(jìn)入二級(jí)閃蒸器，之后二次閃蒸蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功［77-78］.

閃蒸式地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)循環(huán)效率略低于干蒸汽發(fā)電技術(shù)，一級(jí)閃蒸系統(tǒng)循環(huán)效率為12%～15%，二級(jí)閃蒸系統(tǒng)為15%～20%.采用閃蒸式發(fā)電系統(tǒng)的地?zé)犭娬驹O(shè)備簡(jiǎn)單，可采用混合式熱交換器，但設(shè)備尺寸大、易腐蝕結(jié)垢、熱效率低.由于是直接以地下熱水蒸氣為工質(zhì)，因而對(duì)于地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等要求較高［73，77］.

目前，閃蒸式發(fā)電技術(shù)已在地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是中高溫地?zé)崽?西藏羊八井地?zé)犭娬镜?—9 號(hào)機(jī)組主要采用閃蒸式發(fā)電技術(shù).日本的八丁原地?zé)犭娬臼鞘澜缟鲜状尾捎枚伍W蒸的日本最大的地?zé)犭娬?，通過(guò)采用二次蒸汽充分利用熱能，可提高電站出力18%左右［77］.

2.2.3 中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)

中間介質(zhì)法發(fā)電主要用于中低溫地?zé)岚l(fā)電.其特點(diǎn)是地?zé)崴c發(fā)電系統(tǒng)不直接接觸，而是將其中的熱量傳給某種低沸點(diǎn)介質(zhì)（如丁烷、氟利昂等）.當(dāng)?shù)头悬c(diǎn)介質(zhì)汽化為蒸汽時(shí)，就可推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.由于這種發(fā)電方式由地?zé)崴到y(tǒng)和低沸點(diǎn)介質(zhì)系統(tǒng)組成，也稱為雙循環(huán)式地?zé)岚l(fā)電.雙循環(huán)發(fā)電常用的介質(zhì)除上面提到的氯乙烷、正丁烷、異丁烷之外，還有氟利昂-11 和氟利昂-12 等.雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種形式，即有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）和卡林娜循環(huán)（Kalina Cycle）.

有機(jī)朗肯循環(huán)利用的地?zé)釤嵩礈囟确秶鸀?5～170 ℃.最常用的工質(zhì)是異丁烷、異戊烷或二者的混合物，工質(zhì)沸點(diǎn)較低.一般來(lái)說(shuō)，以異丁烷為工質(zhì)的系統(tǒng)比異戊烷做工質(zhì)的系統(tǒng)效率高.混合工質(zhì)組成可根據(jù)地?zé)崃黧w特性調(diào)整，其系統(tǒng)效率高于純工質(zhì).表3 列出了一些用于ORC 循環(huán)的主要工質(zhì)的臨界溫度和壓力.ORC 系統(tǒng)的工質(zhì)加熱過(guò)程與熱源溫度變化過(guò)程的配合程度較好，換熱的不可逆損失小，系統(tǒng)循環(huán)效率高于同熱源溫度下的水蒸氣系統(tǒng).

表3 ORC 循環(huán)中不同工質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力Table 3 Critical temperature and pressure of different working fluids in organic Rankine cycle

卡林娜循環(huán)是在傳統(tǒng)的ORC 雙循環(huán)基礎(chǔ)上的改進(jìn).卡林娜循環(huán)常以氨水混合物為工質(zhì)，氨水在蒸發(fā)器中被地?zé)崃黧w加熱，經(jīng)分離器分離為飽和氨水蒸氣及飽和氨水液體.分離出的飽和氨水蒸氣通過(guò)汽輪機(jī)做功發(fā)電，飽和氨水通過(guò)高溫回?zé)崞骼鋮s和節(jié)流閥減壓后，與汽輪機(jī)出口的氨水蒸氣混合，重新形成與循環(huán)起始濃度相同的氨水氣液兩相混合物，再經(jīng)泵加壓和回?zé)崞骷訜岷螅纬筛邷馗邏旱陌彼匦麻_(kāi)始循環(huán).卡林娜循環(huán)能夠更充分地利用地下熱水的熱量，降低發(fā)電的熱水消耗率，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資費(fèi)用較高.理論分析認(rèn)為卡林娜循環(huán)比純工質(zhì)ORC 循環(huán)系統(tǒng)性能（單位熱消耗量?jī)綦娔苌a(chǎn)量）高出15%～50%.但實(shí)際運(yùn)行中，由于流動(dòng)阻力和泵的功耗問(wèn)題，卡林娜循環(huán)并未表現(xiàn)出較高的性能，其優(yōu)勢(shì)在于單位凈電能生產(chǎn)成本略低［75，78］.

2.2.4 地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

近年來(lái)地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的地面設(shè)備部分的技術(shù)發(fā)展主要在于：1）降低設(shè)備投資，提高發(fā)電效率；2）提高系統(tǒng)整合程度，開(kāi)發(fā)精簡(jiǎn)緊湊的發(fā)電模塊，推廣普及中小型地?zé)岚l(fā)電利用；3）發(fā)揮地?zé)崮芄┙o穩(wěn)定易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，結(jié)合其他形式清潔能源（太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等），打造穩(wěn)定可靠清潔能源發(fā)電系統(tǒng)［75］.

當(dāng)前研究的主要方向集中于將地?zé)崮芘c太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、熱電發(fā)電機(jī)（Thermo-Electric Generator，TEG）、制氫、三聯(lián)產(chǎn)以及其他直接使用形式相結(jié)合［75，79-80］.當(dāng)收獲地?zé)豳Y源時(shí)，通常在地流體中剩余的焓可用于不同的應(yīng)用.一個(gè)例子是在ORC 發(fā)電廠中發(fā)電的中溫地?zé)豳Y源，其中地?zé)猁}水的出口溫度足夠高，足以用于熱泵加熱應(yīng)用.通過(guò)將剩余的熱量用于食品或農(nóng)業(yè)干燥目的，或者可能用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，甚至可以進(jìn)行第三或第四級(jí)提取［79］.

以地?zé)?太陽(yáng)能組合系統(tǒng)為例，主要包括兩種組合形式.一種是聯(lián)合發(fā)電的組合形式，此類組合有3種操作方式：1）使用太陽(yáng)能再加熱地?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體；2）使用太陽(yáng)能進(jìn)一步加熱地?zé)崴蛱岣咂渲姓羝浚?）使用地?zé)犷A(yù)熱太陽(yáng)能電站中ORC 的循環(huán)回流工質(zhì).位于智利北部的一處試驗(yàn)電站的生產(chǎn)實(shí)踐表明，前兩者可以增加地?zé)犭娬景l(fā)電能力和熱電轉(zhuǎn)化效率，對(duì)單級(jí)和二級(jí)閃蒸發(fā)電系統(tǒng)可帶來(lái)0.23 kWe/kWth和0.29 kWe/kWth 的提升［80-81］.另一種是從提高地?zé)?太陽(yáng)能整體系統(tǒng)效率出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的地?zé)?太陽(yáng)能多級(jí)混合的組合方式，該系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)是利用較高品位的熱能發(fā)電，用較低品位的熱能來(lái)提供空間供暖、工業(yè)供暖、熱水和制冷的能源需求，其實(shí)質(zhì)是改良版的有多種能源的梯級(jí)利用.此類系統(tǒng)在許多有條件的研究區(qū)有相當(dāng)多的示范工程.Al-Ali 和Dincer 對(duì)多代太陽(yáng)能-地?zé)峄旌舷到y(tǒng)進(jìn)行了 用火和能量分析［82］.該系統(tǒng)利用溫度190 °C 的地?zé)釤崮芎?95 °C 的太陽(yáng)熱能為熱源，結(jié)合多個(gè)能量循環(huán)（包括兩個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)）利用多種形式的能量，能源效率從16.4% 提高到78%.當(dāng)從單效（僅發(fā)電）到多效時(shí)，多效系統(tǒng)可以更好地利用地?zé)崮艿牡推肺粺崃?，顯示多效聯(lián)產(chǎn)的高效率.研究也顯示此類系統(tǒng)的成功實(shí)施需要場(chǎng)地同時(shí)具有較好的太陽(yáng)能和地?zé)豳Y源條件，由于來(lái)源于多種多品質(zhì)熱源熱流同時(shí)輸入，維持系統(tǒng)效率要更注重低品位熱量的利用，對(duì)冷端散熱要求也較高.我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究人員也開(kāi)展了地?zé)?太陽(yáng)能組合發(fā)電方式的研究工作［83-85］.

近年來(lái)對(duì)整合TEG 和制氫系統(tǒng)及工藝的ORC 發(fā)電廠進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化研究，從能源、用火和經(jīng)濟(jì)的角度將優(yōu)化后的系統(tǒng)與基本的ORC 系統(tǒng)進(jìn)行比較［86］.得出的結(jié)論是，使用TEG 優(yōu)化ORC 循環(huán)以產(chǎn)生額外的電力可將 用火效率提高21.9%，同時(shí)優(yōu)化循環(huán)和制氫（使用電力來(lái)自TEG）的 用火效率比基礎(chǔ)ORC 提高了12.7%.對(duì)TEG 和卡林娜循環(huán)發(fā)電集成的研究表明，使用TEG 時(shí)，能源效率、 用火效率和凈功率輸出提高了7.3%.當(dāng)TEG 的成本低于6.4 美元/W 時(shí)，該系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為最優(yōu)［87］.同時(shí)，相關(guān)研究考察了用TEG替換ORC 中的冷凝器以及安裝TEG 從地?zé)猁}水中回收廢熱的技術(shù)路線，計(jì)算了 用火效率、總產(chǎn)品成本和投資回收期.用火 效率比基礎(chǔ)ORC 系統(tǒng)提高了4.67%.TEG 系統(tǒng)的投資回收期比基礎(chǔ)ORC 低15 天，功率輸出增加了9%［88］.

3 結(jié)論

中國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富，應(yīng)用歷史悠久，范圍寬廣，在國(guó)家節(jié)能減排和清潔低碳發(fā)展方針的指引下，我國(guó)地?zé)崮墚a(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，各級(jí)政府不斷重視，從業(yè)人員逐漸增多，規(guī)?；こ添?xiàng)目發(fā)展較快.

就地?zé)豳Y源直接利用方式而言，地源熱泵利用效率高（較高COP 值），同時(shí)具有地域適宜性較強(qiáng)、供熱制冷兼?zhèn)?、?jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì).根據(jù)具體熱儲(chǔ)條件，以地源熱泵形式將蘊(yùn)藏在地下水、地表水或土壤中的地?zé)崮苡糜诮ㄖ┠苁亲钪苯拥睦眯问?目前淺層地埋管地源熱泵供暖技術(shù)是使用最廣泛、技術(shù)最成熟的工程方式.在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的過(guò)程中，淺層地?zé)崮芸赏鞒鱿喈?dāng)貢獻(xiàn).中深層地源熱泵供暖技術(shù)和水熱型地?zé)嶂苯庸?制冷技術(shù)近年來(lái)獲得了快速發(fā)展，但目前仍存在冷熱不平衡、熱枯竭、采灌不均衡、某些地區(qū)回灌困難、結(jié)垢阻塞等問(wèn)題，未來(lái)在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與可持續(xù)利用方面仍需進(jìn)一步研究.新近發(fā)展的超長(zhǎng)井下?lián)Q熱系統(tǒng)還在研究開(kāi)發(fā)階段，尚有具體的理論和工程技術(shù)需要攻關(guān)解決.

如前文所述，地?zé)岚l(fā)電的能源利用系數(shù)平均高達(dá)73%，而直接利用僅為23%，且與其他可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能等）相比具有來(lái)源穩(wěn)定、負(fù)載調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)勢(shì)，可以作為一種基礎(chǔ)載荷加以應(yīng)用.全球范圍內(nèi)地?zé)岚l(fā)電應(yīng)用方面，盡管雙工質(zhì)電站裝機(jī)數(shù)量占地?zé)犭娬究倲?shù)近半，但基于閃蒸方式的電站發(fā)電能力占地?zé)犭娬究偘l(fā)電能力的80%以上，仍是地?zé)岚l(fā)電的主力方式，這是由高溫地?zé)豳Y源熱量品位高、發(fā)電能力強(qiáng)所決定的.我國(guó)中高溫水熱型地?zé)豳Y源總量和地域分布有限，應(yīng)當(dāng)從技術(shù)革新、政策引導(dǎo)等方面推進(jìn)中低溫地?zé)岚l(fā)電的規(guī)?；l(fā)展.地?zé)豳Y源與其他綠色可再生能源（太陽(yáng)能、生物質(zhì)能等）聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)，可以有效提高中低溫地?zé)豳Y源的熱品質(zhì)，進(jìn)而提高系統(tǒng)發(fā)電效率和穩(wěn)定性，已有成功的示范工程.地?zé)崮躉CR 發(fā)電和TEG 發(fā)電聯(lián)合制氫可以在單一熱量來(lái)源條件下提高系統(tǒng)效率.這都可能是新一代中低溫地?zé)岚l(fā)電的發(fā)展方向.

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