油區中低溫地熱發電技術經濟分析

陳 宇，劉亮德，陳情來

中國石油工程建設有限公司，北京100120

地熱能開發利用“十三五”規劃指出[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、晉等地區開展地熱供暖，在長江流域等地區開展淺層地熱能供暖（制冷）；新增地熱發電裝機容量500 MW（其中中低溫地熱發電裝機容量100MW）。

目前我國地熱發電主要以中高溫發電為主，隨著地熱供暖技術的不斷發展和成熟，中低溫地熱發電及增強型地熱發電系統關鍵技術的突破，地熱能開發利用將由地熱供暖逐步向地熱發電高端業務延伸。在未來，我國地熱發電產業將實施“三步走”發展戰略，即：近期以中高溫地熱發電為主，以中低溫地熱發電為輔；逐步發展到中高溫、中低溫地熱發電并重；遠期以干熱巖發電為主，在全國范圍內推廣地熱能發電[2-3]。

1 油區地熱資源利用

油區內地熱資源豐富，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地熱資源初步調查，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，占全國油區地熱資源總量的44%。初步測算，中石油探區主要盆地地熱資源量約占全國地熱資源總量的70%。油田地熱資源開發可以利用廢棄井開展中低溫地熱發電和綜合利用，是油田盤活資產、節能減排的現實選擇[4]。未來發展轉型應將地熱發電與風力、光伏開發利用等結合，實現熱電聯供微電網。目前國內不少油田在這一領域已有成功實踐和應用案例[5]。

油區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，基于目前油區企業自有電網設施使地熱發電便于上網的有利條件，通過對中低溫地熱發電效率、經濟性等方面的比較，測算不同工藝的地熱電站投資，進行經濟性評價。

2 地熱發電工程參數設定及技術方案

地熱發電技術經濟評價與地熱水溫、氣象條件、運行時間及發電工藝等參數有關，選取環渤海油區作為研究對象，采用單級閃蒸、雙工質、兩相流3種不同的發電工藝的技術方案，比較不同技術方案的經濟性。

2.1 地熱發電工程參數設定

本文研究的地熱發電工程參數如下：

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

（2） 氣象參數見表1。

表1 氣象參數

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

（4） 運行小時數。地熱發電利用非采暖季及采暖季供暖負荷低的閑置地熱資源。根據環渤海地區統計數據，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 全年發電運行時間

2.2 地熱發電工藝

（1） 單級閃蒸地熱發電工藝（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，一部分地熱水變為蒸汽，蒸汽進入汽輪機，驅動汽輪機推動發電機進行發電。

圖1 單級閃蒸地熱發電工藝流程

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

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

3 方案比選

圖2 雙工質地熱發電工藝流程

圖3 兩相流地熱發電工藝流程

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

3.1 熱力性能對比

在地熱水105℃情況下，兩相流工藝發電尾水溫度為80℃左右，為最高；發電尾水溫度最低的是雙工質工藝，在70℃左右。噸水凈發電量（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。雙工質發電工藝的噸水凈發電量在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。兩相流發電工藝中由于全流螺桿機冷端冷卻負荷大，凝結水泵、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 凈發電量與地熱水溫關系曲線

單級閃蒸工藝、兩相流工藝不需要外部補水。雙工質工藝水耗（單位凈發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 設備對比

采取的3種方案對應設備清單如表3所示。

圖5 自耗電率與地熱水溫關系曲線

表3 設備清單

3.3 經濟分析

3.3.1 電站投資

經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，雙工質工藝投資最大，兩相流工藝投資最低。

表4 電站建設投資 單位：萬元

3.3.2 發電量

3種不同方案在不同季節的凈發電功率以及在不同動水位條件下全年凈發電量如表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 經濟評價

按照不同方案的電站建設的總投資，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電價，上網電價測算結果分別如表7及表8所示。

表5 發電量統計

表6 成本費用

表7 上網電價（免水資源稅)

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

表8 上網電價(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，單級閃蒸工藝經濟性最好，但是總體上網電價仍然過高，因此對中低溫地熱發電項目經濟評價結果為基本不可行。

4 結論

（1） 地熱發電項目依托供暖項目建設，不計鉆井投資的情況下，雙工質工藝投資最大，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電收益的主要因素，開展地熱發電項目應優先選擇動水位較高或可自噴的地熱井。

（3） 從發電成本看，當地熱水免資源稅時，雙工質工藝成本最高，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%收益率的上網電價過高，對中低溫地熱發電項目經濟評價結果為基本不可行。

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