地热发电技术之ORC

作者 : 王凡

全球地热能发电概况

近年来，人类活动中对化石能源的大量使用，加剧了全球气候变暖和极端气候灾害进程，再加上各国政府和社会公众环保意识的抬头，节能减碳与开发清洁、可再生能源已是各国政府最为关切、亟待优先解决的课题。中国作为世界上负责任的大国，当然也不会置身之外，而是以实际行动认真履行国际减排公约并积极推动相关减排计划。中国政府在“十三五”规划中先后密集公布了“大气污染防治行动计划”、“可再生能源发展、地热能开发利用规划”及“控制温室气体排放工作方案”等。可见，开发清洁、可再生能源是中国政府刻不容缓的大政方针，亟待快速推进和实施。

目前可以利用的清洁、可再生能源主要包括：地热能、太阳能、风能、水能、生物质能等。其中，地热能发电具有不受环境影响、无需燃料供应、全年365天恒温稳定运转、发电容量因子高(Capacity factor)注1等诸多优点，在各种清洁、可再生能源中具有独特的、不可比拟的优势。美国Energy Information Agency(EIA)统计了各种可再生能源的平均容量因子(图1)，其中，地热能发电的容量因子高达95，是光伏发电的4.5倍。美国GALAXY公司资深副总 Diamon说：“这代表相同规模电厂的地热发电量是光伏发电量的4.5倍，这还不考虑土地成本，并且地热发电不中断、维护成本低，是目前最佳的再生能源及基载电源”。

图1 不同可再生能源技术的容量因子(据EIA)

THINK GEOENERGY对全球地热发电市场统计表明(图2)：截至2018年2月，全球已安装的地热能电厂规模达14,060MW(兆瓦)，正在建设或已通过开发之电厂规模高达14,000 MW(兆瓦)。在已装机的地热能发电容量中，美国3,591MW(兆瓦)最多，其次为菲律宾的1,868MW(兆瓦)及印度尼西亚的1,809MW(兆瓦)，中国地热能发电的发展则相对迟缓。印度尼西亚因火山及离岛多(电网跨海难度高)，故政府大力推动，获得了大量国际金融资源资助，目前正在建设中的地热能电厂发电容量高达3,958MW(兆瓦)，为所有地热能发电的国家中最多。美国因之前受法规限制而停滞，但在深层地热技术开发成熟及政府法规修正后，也开始加速开发中，已取得开发许可的地热能发电容量有1,248MW(兆瓦)，另外正计划新开发的地热能电厂容量超过5,500MW(兆瓦)，新建或改善电厂计划超过140个。与上述国家对比，中国在地热能发电开发进度上则较为缓慢。此外，Mordor Intelligence分析结果表明(图3)：2017年到2023年，全球地热能发电容量将逐年上升，2023年将超过22,500MW(兆瓦)。

图2 THINK GEOENERGY对全球地热能发电市场的统计结果

图3全球2023年地热发电容量(据Mordor Intelligence)

据 THINK GEOENERGY资料可知，全球高温地热资源最丰富地区主要集中在环太平洋火山带。THINK GEOENERGY全球地热能发电潜力分析结果(图4)表明：日本、中国东南沿海(如台湾、福建、广东一带)、菲律宾、印度尼西亚等国约有70,900MW(兆瓦)，中南美洲约有58,200MW(兆瓦)，北美洲约有32,200MW(兆瓦))、地中海——喜马拉雅山约有5,950MW(兆瓦)，东非约有11,600MW(兆瓦)。

图4全球地热能发电潜力(据THINK GEOENERGY)

综观图4所示的全球主要地热场区，包括美国、墨西哥、菲律宾、印度尼西亚、新西兰、土耳其、肯尼亚、埃塞俄比亚等，其地热能发电技术大多来自美国。美国GALAXY资深副总Diamon说：“美国近年来受惠于页岩气的水平井压裂技术及增强型地热开采(EGS)技术成熟，地热电厂的开发得以大幅扩大产能规模并有效降低发电成本，过去传统电厂发电规模仅约数十兆瓦(MW)，现在地热能电厂动辄100MW甚至200MW”。

需要指出的是，尽管中国也位于环太平洋火山带高温地热资源丰富区，但尚未有效开发利用地热能发电。而在美国、墨西哥、日本、菲律宾、印度尼西亚及新西兰等国都建有规模不小的地热电厂。美国GALAXY资深副总Diamon建议：“中国若要奋起直追，第一可以模仿美国的政策，由政府带头主导，除法规的配合修正外，搭配诱人的抵税措施及大幅经费支持，美国联邦政府对单一示范电厂开发提供了动辄上亿美元的补助，才可以发展技术研发，其中已发展地热技术研发的国家，地质勘探调查经费也多是由政府出资完成;第二，可以开发中国自主知识产权的技术，中国北方地热肩负发电及供暖任务，不像世界其他国家纯以发电为主，宜由政府支持发展开发利用电能及热能，有效分配和优化智能地热系统技术(Smart Energy Optimization);第三，就是积极扶持中国企业引进国际地热能发电技术，政府可以给予相当政策支持及财政扶持，这样可以加速国内地热电厂的开发规模，能提升技术水平”。美国GALAXY资深副总Diamon还特别强调：“若要发展地热能发电，政府必需大胆投入，不能只依赖学术讨论。数千公尺的地底下，几乎没有人去过，唯有大量商业电厂的实际营运，才能累积真正的自有技术”。

美国的地热能电厂商业运转已有近百年的经验，除了地热资源勘探分析和水平井压裂技术独步全球外，如何达到高效率及低成本发电亦是其关键技术。传统之直接干蒸汽(Direct dry steam)方式因效率较差，成长有限，取而代之的是采用新技术的增强型地热系统(EGS)，包括闪式(Flash)-单闪或双闪、双井式(Binary)或复合循环(Combined-cycle)等方式。同时,美国还改良了有机朗肯循环发电机(Organic Rankine Cycle，ORC)技术，可以使发电效率由16%提升至35%，大幅增加了电量产出并降低发电成本。

有机朗肯循环发电机技术(Organic Rankine Cycle, ORC)

传统燃煤或燃油发电机的工作温度超过1000℃，然而目前用于发电的地热温度仅在120℃-200℃，因此地热发电不能采用传统之高温蒸汽发电，而是要采用有机朗肯发电循环系统(ORC System)。

如图5所示，有机朗肯循环(ORC) 发电技术的工作原理是：利用低温沸点的有机工作流体冷媒取代高温发电用水，将热源、冷源的温差能转为电力。其工作温度为120℃-200℃，冷热温差越大，发电效率越高。有机朗肯循环(ORC)发电技术常用的冷媒种类及其温度如图6所示。

图5 有机朗肯循环 (ORC) 发电技术的工作原理示意图

图6 有机朗肯循环(ORC)发电技术常用的冷媒种类及其温度

近年来，应用有机朗肯循环(ORC)发电技术发电规模不断增加。Energy Procedia提供的数据表明(图7)：至2016年底，全球ORC技术发电装机1754台，总容量为2701MW。其中，地热发电应用超过2000MW，占74.8%。其次，生物质能源(Biomass)发电占11%。再其次是工业余热再利用发电，如水泥厂、玻璃厂等高耗能产业。

图7 应用有机朗肯循环(ORC)发电技术发电规模及电源类别(据Energy Procedia)

此外，不同燃料的热电转换效率会严重影响发电成本，差异可能高达3倍左右。因此，需要依据地热资源状况(包括温度、热流量及蒸汽干度等)，设计客制化的、最适合的发电系统(图8)，依据最优的成本效率选择单闪有机朗肯循环(FORC)或双闪有机朗肯循环(DFORC)等方式。

图8 不同燃料的热电转换效率及客制化设计方案

传统干热蒸汽系统(Dry Steam)

传统干热蒸汽(Dry steam)系统自地下抽取热蒸汽后直接推动涡轮发电机，剩余热气或热水再经过冷却塔降温。干热蒸汽系统采用低压及大量蒸汽操作，该类 型地热发电厂使用蒸汽要高于150°C，通常蒸汽进入涡轮干度需要至少99.995%，以避免结垢或涡轮机或管道的组件被腐蚀。直接干热蒸汽设备从8兆瓦到140兆瓦都有。但传统干热蒸汽能源浪费高，一般转换效率最高约16%(依地热能量而定)，若是热源带水分过多时，其转换效率将更差。当然，因为结构单纯，建置成本也较低。干热蒸汽系统通常应用于热源充足及较干蒸汽的环境下。

图9 传统干热蒸汽系统(Dry Steam)基本结构

闪式(Flash)系统

这是目前地热发电厂采用最多的系统。是在干热蒸汽系统多加了气水分离器，蒸汽是从分离中获得的，称为闪烁。分离出的蒸汽直接输往涡轮机发电，发电后产生的冷凝物则送去冷凝器(Condenser)重新注入或者到较低压处再闪烁。假如热源热量较不够充足，系统压力容易下降就会导致温度掉下来，涡轮便会无法推动发电，这时就需要采用闪式系统。一般热源最好要能超过180℃，经过越多次闪烁，发电容量会较大，如单闪(Single Flash, SF)(图10)约在0.2-80兆瓦，双闪(Double Flash, DF) (图11)在2-110兆瓦，三闪(Triple Flash, TF) 在60-150兆瓦。双闪比单闪输出电力最高可增加近20%。(图12)

当然，越多闪烁，建置成本也越高，也不一定效率就会提高，美国GALAXY资深副总Diamon就强调：“必需经过有丰富经验专家详细严密的分析该处的地热条件作设计，才能达到预期效能，并不是每个地热电厂都一致，都用一样的发电机，也不是发电机越大就越好，完全都取决于地热田之热能结构而定，全球的地热电厂几乎都是客制化设计”。

图10 单闪系统(Single Flash)基本结构示意图

图11 双闪系统(Double Flash)基本结构示意图

图12单闪系统(Single Flash)与双闪系统(Double Flash)发电效率对比

单闪ORC系统(Single Flash ORC, FORC)基本结构如图13所示，单闪式FORC发电系统减少浪费热水气能源，再蒸发利用，其总转换效率可比单闪(SF)增加近25%，电量输出如图14所示。

图13 单闪ORC系统(FORC)基本结构示意图

图14 单闪ORC系统(FORC)电量输出情况

双闪式DFORC发电系统总转换效率可比SF增加近35%，电量输出如图15所示。

图15 双闪ORC(DFORC)系统电量输出情况

目前，地热电厂以闪式有机朗肯循环(Flash ORC)系统为主，但是必需依据不同地热资源作最适合的设计，并非一成不变。美国GALAXY资深副总Diamon再次强调：“地热井工程成本浩大，在同一个生产井抽取出同样热量的蒸汽下，若发电效率不理想就会直接影响总发电效能，因此，采用何种发电系统非常重要，是要选择SF、DF、FROC、DFROC还是复合式ROC，一定要有丰富经验专家作计算设计，才能达到最佳效能，将开发出的热能浪费降到最低”。

中国虽然燃煤燃气发电机数量在全球领先，但对于低温闪式有机朗肯循环(Flash ORC)系统装机量还是较为落后，亟需开发相关技术。首先，中国得有大量的地热市场，才能扶持闪式有机朗肯循环(Flash ORC)技术的发展。以土耳其为例，不吝引进美国技术，经过10年努力，电厂规模超过1000MW(兆瓦)，才开发出自有地热有机朗肯循环(ORC)发电技术，这个做法值得我国学习。

数据提供 : 美国 GALAXY INC.

注释

注1 : 容量因子(Capacity factor)是发电厂的平均发电量除以额定容量，介乎0到1。不同类型发电厂的容量因子会有很大差异。若是24小时以满载额定容量运行，容量因子接近1。停机维修时，容量因子便是0，火电厂或核电厂在正常运转下容量因子几乎可达到1，但逢每年岁修会关机，容量因子就会降至0，岁修后重新启动则会再逐渐爬升至1。可再生能源的容量因子则会受天气影响。在夏季，水电厂平均发电量会较高，容量因子便较高，但如果冬季枯水期时容量因子会较低。所以发电厂有较高的容量因子，其发电平均成本会较低。因为发电厂可以减少固定成本，如投资发电机及租地的支出，电力公司可有较大利润。（作者 : 王凡）

参考文献

n Geothermal Power Technology Brief – IRENA 2017

n A Selection Method for Power Generation Plants, Used for Enhanced Geothermal Systems (EGS) – MDPI 2016