余春梅 张 超 杨 宇 宋荣彩

成都理工大学能源学院

0 引言

地热能是一种蕴藏在地球内部的巨大能量，具有用途广、效率高、稳定性好、 环保等特点。地热资源不受季节、气候、昼夜变化等外界因素的干扰。与传统化石能源相比，地热供暖替代城市燃煤供暖，对缓解能源供应紧张局面，治理大气污染具有重要的现实意义[1]；与风能、太阳能发电相比，地热发电效率更高、更稳定，占地更小，成本更低[2]。地热作为一种清洁的可再生能源，其开发利用受到世界越来越广泛的关注和重视。地热资源的利用按其温度大致可以分为直接利用与地热发电，其中150℃以上的高温地热资源主要用于发电，发电后排出的热水可进行梯级利用[3]。90～150℃的中温和25～90℃的低温地热以直接利用为主，多用于工业、农业、养殖、供暖制冷、旅游和疗养等方面。25℃以下的浅层地热资源，可利用地源热泵和水源热泵供暖、制冷。

川西地区处于青藏高原东南缘，具有得天独厚的中高温地热资源，但区内地热资源开发程度较低，利用方式单一，资源浪费严重。鉴于川西地区对于地热资源的利用仍有较大、较急迫的需求，通过对全球地热梯级利用发展现状系统地梳理与分析，结合川西地热资源分布特征与开发利用现状，对该区地热资源综合梯级利用模式进行讨论与分析，以期提高该区地热利用效率、减少资源浪费。

1 地热梯级利用模式

地热梯级利用是根据地热流体的不同温度以及用户需求进行地热资源的多级次的利用，以提高利用效率、减少资源浪费及减少环境污染[4]。实现梯级利用热能的可行性在于，不同温度的热源可用于不同的热应用，而各种用热设备、用热技术也均有其要求的温度区间，例如大多数吸收机的最低温度要求是80℃。1973 年，B.Lindal 研究提出地热水的利用图（Lindal 图），该图详细显示了地热水资源的典型利用方式（图1），包括蒸汽地热发电及各类地热直接利用相应的温度需求。一般在150℃以上的高温地热资源可利用干蒸汽发电技术或闪蒸技术发电；而80～120℃的中低温热源可以通过双循环发电系统发电，形成梯级利用系统中的第一级。发电后的尾水可继续按温度降低的顺序逐级连接，用于许多工业、半工业、农业和干燥工艺工程，形成地热梯级系统的其他级次，带来更多的经济效益和环境效益。研究表明，双循环发电系统，包括有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, 简称ORC）和卡琳娜循环（Kalina）发电都可以由低温地热源驱动，但是这种循环发电能量效率较低[6]。梯级利用将发电后的尾水继续利用，充分提取其中的热量，在一定程度上克服了这种循环的低效率和高成本的缺点[7]。

图1 不同温度下的地热能应用领域图（Geothermal Education Office）[5]

2 地热梯级利用的发展现状

截至2019年底，全球地热资源直接利用装机容量估算值达1.077 270×105MWt；热能年利用量为1.020 887×106TJ/y，每年节省能源达5.96×108bbl石油（相当于8 100×104t），避免了7 810×104t碳和2.526×108t二氧化碳排放到大气中[8]。2019 年全球地热发电装机容量由2015年的1.263 5×104MWe 增至 1.393 1×104MWe[8]。全球地热直接利用装机量（含地源热泵）位列前5名的国家为中国、美国、瑞典、德国和土耳其，共占全球总装机容量71.1%；地热直接利用年利用量位列前5名的国家为中国、美国、瑞典、土耳其和日本，占世界使用量的73.4%；地热发电位列前10名的国家为美国、印度尼西亚、菲律宾、土耳其、新西兰、墨西哥、肯尼亚、意大利、冰岛和日本。可见，我国地热资源丰富，地热直接利用量及年利用量长期以来占据世界首位，但是与发达国家相比较，地热资源的利用方式原始、结构单一、弃水量大，总体上地热资源的利用率较低。在高温地热发电方面，虽然发电技术已经较为成熟，但受到高温地热资源和经济性的影响，发电量增长较慢[2]。而中低温地热资源的高效利用有较大的提升空间，且高温地热资源发电后的尾水温度较高，可建立梯级系统再次利用。因此，梯级利用是我国地热资源开发利用的未来方向[9]。

1974年，冰岛Sudurnes地区的综合电厂正式运行，实现了包含发电和供热的地热的多用途利用。1998年，希腊学者Constandinia Panagiotoun提出，地热水经过室内供暖后，可以根据其温度应用到其他地方，从而实现梯级的利用[10]。此后，意大利、美国等许多国家也为了提高地热利用效率而进行大量地热梯级利用的研究。目前，全球已有20个国家开展了地热梯级利用（图2），世界各个地热资源利用国家主要是通过直接利用中低温地热资源或利用发电厂排放的中低温地热水来开展地热的梯级利用。

图2 全球地热梯级利用示意图

泰国电力局在清迈Fang地热区利用双工质循环发电厂排出的地热水进行梯级利用，125℃的地热水进行循环发电[11]，完成一级利用；电厂的废弃热水温度约为80℃。二级到四级利用按温度区间分别用于冷藏（地热作为动力类驱动制冷设备）、干燥、温泉和其他农业应用。通过安装烘干机，将地热水用于辣椒和大蒜的干燥（干燥温度要求分别为70℃和50℃），干燥室中的干燥温度通过调节安装在入口的水—空气换热器中的地热水的流速来实现，干燥过程除了使用电厂剩余的地热能之外，鼓风机也消耗了一些电能，但总体成本相较传统干燥方法更低，并且整个系统不受天气条件的影响[12]（图3a）。肯尼亚Eburru地热区利用温度为89.6℃的地热资源进行梯级利用，热能分别用于农产品干燥、温室供暖、蜂蜜净化、水产养殖和家禽产品孵化，并配有一个休闲蒸汽设施，用于桑拿或者满足饮用水需求。在这个系统中梯级使用的温度超过50℃[13]（图3b）。墨西哥Maguarichi地区使用98℃的地热水开展三级地热梯级利用系统，其系统概念图如图3c所示。95℃地热水进入一级利用后用于干燥一种辣椒；之后用于温室加热和水产养殖完成二级利用；经过热泵传送后65℃的热水用于洗浴，最后回灌50℃尾水[14]。阿尔巴尼亚Kozani-8地热井地热资源温度为65.4℃，在该区开展了太阳能和地热能的梯级综合利用项目，打造了一个多产品服务中心，包括水疗、按摩健身、游泳池、温室和水产养殖等热应用，尾水经消毒后排放。中心房顶安装了太阳能电池板，与地热能相结合可以为发电厂提供热能，进而满足生活热水的需求，而这些电力又被用来为中心的照明系统供电[15]，其系统概念图如图3d所示。Geinberg是奥地利第一个进行梯级利用的地热发电厂。地热水流出温度为100 ℃，一级利用的热能用于奶制品工业加工，温度要求为95℃；二级利用将75℃热水用于村庄供暖和温泉水疗及酒店用热；三级利用将温室加热至50℃。该梯级利用系统的梯级使用温度达到70℃，尾水回灌温度约30 ℃[16]（图3e）。

2018年10月，京津冀地区首个地热资源梯级综合利用科研基地在河北省沧州市献县初步建成。该基地实现了中低温地热经济高效发电与尾水供暖两级梯级利用，两级地热能综合利用率为75.8%。基地设计抽取井GRY1 和井XXZK-1 热水混合后经除砂通往发电机组完成一级利用；发电后72℃出水通过钛合金板式换热器+热泵技术为周边建筑供暖完成二级利用；随着科研基地建设逐渐完善，35 ℃供暖出水将通往地热生态园(包括地热温室、水产养殖和温泉理疗模块)进行三级利用；经三级利用后，将25℃尾水通过井XXZK-2回灌[17]（图3f）。黄小波等（2019）采用Aspen Plus建立了羊八井地热电站热网及机组热力系统模型。针对从汽轮机组出来的地热尾水温度过高的问题，提出羊八井地热站的梯级利用方案，并指出采用地热能梯级利用技术为500户新建住宅供热后，一站回水温度能降低到50℃，全站供热功率达到3 600 kW，全站能源利用效率能从5.13%提升到6.46%。若热负荷足够，将地热尾水全部用来供热，全站供热功率能达到3.183×104kW，全站能源利用效率可达18.24%[18]。

总的来讲，无论是在欧洲、美洲、亚洲或非洲，地热梯级利用都有比较成功的例子。国内也有研究者在梯级利用设计或优化方面做了许多工作，以求提高地热利用水平、减小环境污染（表1）。

3 川西地热资源特征

川西地区位于我国藏南—川西—滇西高温地热资源集中带，区内地热资源丰富[19]，主要为高—中温隆起山地型地热资源，天然温泉沿区内构造断裂带（鲜水河断裂带、甘孜—理塘断裂带及金沙江断裂带）呈条带状或串珠状密集出露，多分布在康定、泸定、甘孜、理塘、巴塘等地（图4）。然而川西地热资源利用率不高，据不完全统计，区内有温、热泉点248 处[20]，已知的沸泉16 处[21]，类型齐全，使用功能多样，而绝大部分温泉旅游地还处在低档次的资源开发初级阶段，存在着温泉水源浪费、环境污染的现象[22]；且目前仅康定利用了地热资源进行集中供暖和开展地热发电试验，其余有少部分利用为温泉休闲洗浴，如康定亚拉河和榆林河，90%的地热资源处于天然排放状态，未被很好利用，导致资源闲置[23]。虽然康定市在地热供暖方面起到了示范性的作用，但是，川西特殊的高原气候条件使得其余各区对利用地热资源供暖、发电仍有较大、较急迫的需求[24]。川西地区地热资源概况如表2及图4所示，温泉出露温度在25～89℃之间，区内13处地热井的测温结果在40～198℃之间（表3），较多资源分布集中、热储温度高、流量大、距离县城所在地近、市场需求大且与人口分布具良好的重叠性，适合开展地热梯级利用。

表2 川西地区地热资源概况表[23-25]

表3 地热井测温结果表[20]

图4 川西主要地热资源示意图

4 川西地热资源综合梯级利用模式探讨

基于全球地热梯级利用的发展现状，针对川西地区的地热资源分布特征、开发利用现状、人口分布、交通等多方面情况，基于设备的选用和模式设计两方面，提出地热资源综合梯级利用系统方案。具体如下：

4.1 设备选用

4.1.1 换热器

换热器是供热系统中应用最普遍的设备，常见的有波节管式换热器、板式换热器、螺纹扰动盘管式换热器、螺旋螺纹管式换热器。其中板式换热器是目前供热的首选类型，其优点有：①在水—水温差换热领域中表现出较高适用性，换热尾端温差较小（可低于1℃）；②体积小、占地少、换热效率较高，能在偏低雷诺数（—般在50～200即可）下形成紊流，和管壳式换热器相比较，其传热系数提升3倍有余[26]；③热损量低，只有换热板的外壳直接接触大气，散热损失可不计。

4.1.2 热泵

热泵是一种利用高位能（如电能、高品质热能）使热量从低位热源向高位热源传递的节能装置，属于一种效率高、节能性优良的技术。依照输入能量的形式，可把热泵分为吸收式、压缩式两种类型，吸收式热泵依靠高温热源提供热量驱动，而压缩式热泵依靠电能驱动。当高温热源温度低于150℃时，吸收式热泵利用能源期间的成本更高，选用压缩式热泵经济性较好[27]。

4.2 模式设计

在实际工程中，常用如下几种方式来开展地热梯级利用：①直接在终端通过使用多个板式换热器进行利用；②采用板式换热器+水源热泵；③采用板式换热器+吸收式热泵[28]。直接使用多个板式换热器提高地热能的利用率，并且该模式初期投资和运行成本也较低，但是，运用这种模式通常还有大量的尾水排放，会造成资源严重浪费甚至环境污染。而采用板式换热器+热泵的模式，可以在提高热能利用率的同时降低回水温度。考虑到吸收式热泵机组虽不需要额外输入电能，可以大大减小换热过程中的不可逆损失，节约管网投资，但其也有使用寿命短，节电不节能的缺点。而川西地区中低温度温泉出露较多，可通过输入较少的电能，使用水源热泵加以利用，因此，从总体效益的角度上选择板式换热器+水源热泵的地热梯级利用方式，并通过增加热水储水箱加以改进。

通过以上分析，设计川西地区地热资源综合梯级利用模式图（图5）。康定县榆林宫、中谷及巴塘县热坑—茶洛地热田、甘孜地热田和理塘地热田热储温度超过200℃，可用于高温地热发电，其余中低温地热区90℃以上的资源可用于一级ORC或Kalina循环发电；二级利用可用于县城附近居民区集中供暖：60℃热源用于散热器采暖，之后35～45℃热水在地暖管系统内循环流动，加热整个地板，通过地面均匀地向室内辐射散热；经二级利用后的热水再次通过换热器进行三级利用，用于提供居民生活用热水。由于水温降低至25℃左右，换热后的温度在冬季不能达到居民生活用热水的要求，因此通过储水箱储水，热水经热泵输送后供给居民生活热水。在此过程中温度可根据居民的需求调节。经三级利用后，地热水可继续开展四级利用：根据资源位置情况，在区内旅游景点附近或旅游线路沿线，如榆林宫地热区、中谷地热区、龙普沟地热区，可通过热泵提高尾水热品位，用于温泉理疗或游泳池；而在资源温度较低或农业种植区与地热资源分布区的耦合区域，四级利用则可考虑用于温室种植。图中四级利用为旅游疗养热应用。经四级利用后最终排放或回灌的尾水温度为20℃左右。因此在该模式从高温到低温逐级提取热量，开展三级到四级地热梯级利用，实现地热资源的最大化利用。投入应用将有利于川西地区环境改善，同时对能源结构优化和发展循环经济具有重大意义。

图5 川西地区地热梯级利用模式图

5 结论

1) 通过对全球地热梯级利用实例的总结分析，目前共有20余个国家开展地热梯级利用，主要为二级到四级利用，所利用的热源温度多集中在80～120℃之间。在这些梯级利用系统中，热用途以发电和供暖为主，其次是温室、水产养殖、洗浴、水疗和酒店用热，部分系统还用于干燥、冷却、生活用水、农业、工业等应用，梯级利用后的尾水温度较低，地热利用水平得以提高。

2) 川西地区地热资源丰富，区内温泉多呈带状发育，沿断裂带分布于甘孜、康定、理塘和巴塘等地区。地热资源具有分布较集中、热储温度高、距离县城所在地近、且与人口分布具有良好重叠性的特征，但整体上开发程度较低，利用方式单一，资源浪费严重。

3) 结合国内外地热梯级利用现状与川西地热资源特征，提出适宜川西地区的四级地热梯级利用系统。其中，一级用于ORC或Kalina循环发电；二级根据温度由高到低用于散热器供暖及地板辐射采暖；三级用于供给居民生活用水，通过安装储水箱调节冬夏季的用水温度；四级根据所利用的具体资源位置选择用于温泉理疗、游泳池等娱乐保健项目或农业应用。