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低温地热发电中ORC工质筛选与系统经济性协同优化研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究背景

随着全球经济的快速发展，能源需求持续攀升。据国际能源署（IEA）统计，过去几十年间，全球能源消费量呈现出稳步增长的态势，新兴经济体的崛起，工业化和城市化进程的加速，使得能源消耗急剧增加。传统能源，如煤炭、石油和天然气等化石能源，长期以来在全球能源结构中占据主导地位。然而，传统能源在满足能源需求的同时，也带来了一系列严峻的问题。

从资源储量角度来看，化石能源属于不可再生资源，其形成需要漫长的地质年代和特定的地质条件。随着开采量的不断增加，资源枯竭的危机日益逼近。国际能源署（IEA）发布的报告指出，按照当前的开采速度，全球石油储量预计在未来几十年内面临枯竭风险，煤炭和天然气的储量也同样面临严峻挑战。这不仅对能源供应的稳定性构成威胁，还可能引发能源价格的剧烈波动，对全球经济发展造成不利影响。

传统能源的开采和利用对环境造成了严重的破坏。煤炭开采导致的土地塌陷、植被破坏和水土流失等问题，不仅影响了生态平衡，还威胁到当地居民的生活和生产。石油泄漏引发的海洋污染，对海洋生态系统造成了毁灭性打击，许多海洋生物面临灭绝的危险。燃烧化石燃料产生的大量温室气体，如二氧化碳、甲烷等，是导致全球气候变暖的主要原因之一。根据相关研究，全球气候变暖已经引发了一系列极端气候事件，如暴雨、干旱、飓风等，给人类的生命财产安全带来了巨大损失。

国际地缘政治因素也对传统能源的供应产生了重要影响。许多石油和天然气资源丰富的地区，往往政治局势不稳定，地缘政治冲突频繁。这些冲突不仅影响了能源的正常开采和运输，还导致能源价格大幅波动，给全球能源市场带来了不确定性。一些国家之间的能源博弈，也使得能源供应的安全性面临挑战。

为了应对传统能源带来的困境，全球各国纷纷加大对可再生能源的开发和利用力度。可再生能源，如太阳能、风能、水能、生物质能和地热能等，具有清洁、可持续、分布广泛等优点，被视为解决能源危机和环境问题的重要途径。国际社会积极推动可再生能源的发展，制定了一系列政策和目标。欧盟提出了到2030年可再生能源在能源消费中占比达到40%的目标；中国也制定了可再生能源发展规划，大力推动太阳能、风能、地热能等可再生能源的开发利用。

地热能作为一种重要的可再生能源，具有独特的优势和巨大的发展潜力。地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。根据温度的不同，地热能可分为高温地热能（温度高于150℃）和低温地热能（温度低于150℃）。高温地热能主要用于发电，而低温地热能的应用领域更为广泛，包括供暖、制冷、工业用热、农业利用和温泉等。

与其他可再生能源相比，地热能具有诸多显著优势。地热能不受天气和季节变化的影响，能够提供稳定、可靠的能源供应。与太阳能和风能相比，地热能的输出更加稳定，不会出现间歇性断电的情况，这对于保障能源供应的稳定性和可靠性具有重要意义。地热能是一种清洁能源，在开发和利用过程中，二氧化碳排放量和空气污染物极低，有助于减少温室气体排放，对抗气候变化。据相关研究，地热能发电产生的二氧化碳排放量仅为煤炭发电的几十分之一，对环境的友好性不言而喻。地热能的开发利用还具有较高的经济效益，初始建设和运营成本相对较低，尤其是与化石燃料相比，能够在一定程度上降低能源费用。

全球地热能资源总量丰富，但空间分布上极不平衡。高温地热资源主要分布在离散板块边界和汇聚板块边界，这些地区热流高、高温水热活动强烈、活火山与地震活动频繁，如环太平洋带、大西洋中脊带、东非裂谷带、地中海—喜马拉雅带等。而中—低温地热资源则广泛分布在板块内部，主要分布于造山带及山间盆地和中-新生代沉积盆地。尽管地热能资源分布广泛，但目前全球地热能的开发利用程度仍相对较低，具有巨大的发展潜力。

低温地热发电作为地热能利用的重要方式之一，近年来受到了越来越多的关注。传统的地热发电主要依赖高温地热资源，然而，高温地热资源的分布较为局限，限制了地热发电的大规模推广。相比之下，低温地热资源分布更为广泛，储量丰富，为低温地热发电提供了广阔的发展空间。随着能源需求的增长和环保意识的提高，开发利用低温地热资源进行发电具有重要的现实意义。

有机朗肯循环（ORC）技术是目前应用较为广泛的低温地热发电技术之一。ORC发电技术通过有机工质在低温热源中吸收热量并蒸发，产生高温高压的蒸气，然后驱动涡轮机发电，最后通过冷凝器将蒸气冷凝回液体，完成一个循环。这种技术能够将低品位的热能转化为电能，具有高效、环保、应用范围广等特点，能够适应多种低温热源，如地热、生物质能、工业余热等。在系统设计方面，ORC发电系统可以根据实际需求进行灵活配置，如单级系统、双级系统等