高溫岩體地熱能開發利用的關鍵 技術

高溫岩體(ti) 地熱能開發利用的關(guan) 鍵 技術

　　高溫岩體(ti) 地熱能利用由兩(liang) 個(ge) 子係統組成，即地下儲(chu) 熱層（換熱構造）的開發建造和熱水采出後地麵發電供熱係統，二者都是多項技術的綜合應用和集成，其中關(guan) 鍵性技術的突破是岩體(ti) 熱能利用成功與(yu) 否的決(jue) 定因素。

　　1.地下熱儲(chu) 的開發建造技術

　　首先是高溫岩體(ti) 地熱資源的勘查與(yu) 選址。一般認為(wei) 其勘探難度和費用遠小於(yu) 天然熱水或石油和天然氣的勘探。這是由於(yu) 其不確定性和風險相對較低決(jue) 定的。

　　在高溫岩體(ti) 熱能勘查時，從(cong) 宏觀的大地構造角度考慮，在地熱梯度和熱流值較高的地方有利於(yu) 高溫岩體(ti) 地熱的開發利用，所以應選擇那些板塊碰撞地帶，包括海洋板塊和大陸板塊的碰撞帶，如日本群島和美洲的安第斯陸緣弧；在大陸內(nei) 部，大陸和大陸板塊之間的碰撞帶也是熱幹岩發育良好的部位，如印度板塊和歐亞(ya) 板塊在喜馬拉雅山和我國雲(yun) 南等地的碰撞部位；另外，大陸內(nei) 部的斷陷盆地區也是很好的選址目標；從(cong) 岩石本身的物理性質考慮，應選擇那些密度大、熱傳(chuan) 導率高的岩石，因此，選擇花崗岩和花崗閃長岩類較其他的岩石（如輝長岩、玄武岩類）要好得多。花崗岩本身含有較高濃度的放射性元素，這些元素在不斷地蛻變並釋放出熱量，從(cong) 而增加了岩體(ti) 中熱能的供應。在選址時，還要注意的另一個(ge) 要素，即花崗岩生成的年齡，一般花崗岩生成的時間越長，其損失的熱量越多，因而應該選擇那些生成時間較晚的花崗岩，如第三紀、第四紀凝結的花崗岩。對作為(wei) 選址目標的花崗岩體(ti) 的規模和範圍，通常則采用重力勘探的辦法去發現和圈定。澳大利亞(ya) 專(zhuan) 家還認為(wei) ，熱岩體(ti) 的勘探風險性與(yu) 典型的石油勘探（探井的成功率大約5%）以及典型的傳(chuan) 統濕式地熱（天然蒸汽和熱水）勘探（探井成功率約10%）相比，具有非常高的成功率。

　　其次是創造高溫岩體(ti) 地熱資源開發利用的條件。

　　一要鑽數口深井，用於(yu) 生產(chan) 和注入水。這些井采用常規旋轉鑽井技術，類似於(yu) 石油天然氣勘探開發中所用的鑽井技術；井的總數以及生產(chan) 井與(yu) 注入井的比例視各地具體(ti) 情況而異。迄今高溫岩體(ti) 地熱能試驗中有代表性的是：一口注入井，一或兩(liang) 口生產(chan) 井。美國芬頓山的項目試驗發現，裂縫區的形狀是橢圓形而不是球形，這表明沿熱儲(chu) 構造長軸方向布置注入井，在注入井的兩(liang) 側(ce) 各鑽一口生產(chan) 井是比較合理的配置。一個(ge) 如此“三井組合”，如果有足夠大的流量和足夠高的溫度，將能夠維持約5MW 容量的發電裝置。

　　二要進行水力壓裂以形成裂縫係統。水力壓裂方式與(yu) 油氣井壓裂相似，入井的高壓水流使岩層中原有的微小裂縫強行張開，也可以產(chan) 生新的裂縫，這樣便在被壓井井筒的周圍形成一個(ge) 擴展數十米的裂縫係統或“雲(yun) 狀”裂縫群，即形成“熱儲(chu) 層”或稱“換熱構造”，其功能是使熱輸送媒體(ti) 水與(yu) 大麵積的岩石表麵接觸，吸取熱量，並把熱量帶到地麵上來。

　　壓裂是建造熱儲(chu) 層的關(guan) 鍵一步，壓裂前要作地應力研究，了解主應力強度、方位，以估計壓裂所產(chan) 生裂縫的性狀。在進行壓裂時要在井附近鑽一個(ge) 淺孔，設置微震記錄儀(yi) 係統，在壓裂作業(ye) 時通過高精度地震檢波器收集聲波信息，經處理後反演解釋，用以指示水力壓裂造成的裂縫係統的範圍與(yu) 方位，進而確定人工熱儲(chu) 構造的空間三維分布。這些信息還可用來指導鑽生產(chan) 井，以便使其鑽入深層裂縫係統。微震監測在以後長期生產(chan) 過程中，仍可以用來監測深層岩體(ti) 熱能係統的運行壽命。

　　有的項目在試驗中，在已有熱儲(chu) 層以上，在原井上部還可以再開發第二個(ge) 或第三個(ge) 熱儲(chu) 層，日本在肘折地區就是這麽(me) 做的。

　　三要進行水流循環試驗和模擬模型研究。在建造熱儲(chu) 層過程及隨後的生產(chan) 中，都要認真進行水流循環試驗。

　　試驗的目的是取得注入與(yu) 采出流量、壓力、溫度等準確的動態變化基礎數據，再推導出流動阻力、注入速率與(yu) 水的損失率等影響項目成敗的關(guan) 鍵性指標。如芬頓山項目*期進行了9個(ge) 月的水流循環試驗，第二期又進行2個(ge) 月的試驗。為(wei) 了探明注入井和生產(chan) 井之間連通渠道，估計其體(ti) 積大小，還要進行示蹤劑試驗。這些都要求通過電腦建立三維熱儲(chu) 模型，分析上述多種測量測試數據，選擇優(you) 操作條件，做出開發規劃的評估、決(jue) 策等。

　　芬頓山項目試驗表明：一個(ge) 人工熱儲(chu) 層理想的狀態是以大的速率輸出流體(ti) ，而溫度維持恒定，但這對有限尺度的人工熱儲(chu) 層而言顯然是不可能的。提取的地熱流體(ti) 的溫度主要取決(jue) 於(yu) 如下因素：

　　（1）連通的裂縫表麵積和岩體(ti) 體(ti) 積；

　　（2）產(chan) 出流體(ti) 的質量流量；

　　（3）流體(ti) 穿越裂縫表麵和通過裂縫區域的分布；（4）岩石的熱力學特性（密度、熱容係數、熱傳(chuan) 導係數等）；

　　（5）流動阻力和允許的壓力降；

　　（6）水的損失速率。

　　總之，高儲(chu) 層溫度、低流動阻力、巨大的儲(chu) 層裂縫麵積和連通體(ti) 積是高溫岩體(ti) 地熱能開發的優(you) 對象。

　　2.地麵利用技術

　　如何更有效地利用從(cong) 地層深處采出的熱能，是高溫岩體(ti) 地熱能實用化、商業(ye) 化的第二個(ge) 關(guan) 鍵問題。

　　高溫岩體(ti) 地熱能利用主要有兩(liang) 大方麵：一是用於(yu) 發電；二是直接利用（供熱與(yu) 製冷）。直接利用都是常規技術，這裏不再贅述。

　　像深層地熱的采出主要依托石油天然氣工業(ye) 的成熟技術而節約了大量技術開發投入一樣，自20世紀70年代能源危機以來，低溫“廢熱”的利用日益受到重視，利用這些低溫（200℃以下）熱能發電的技術也有長足的進步，高溫岩體(ti) 地熱能的開發利用技術也可以依托已經開發成功或正在開發中的低溫發電技術，從(cong) 而大大節約發電技術的開發投入，減少高溫岩體(ti) 地熱項目的整體(ti) 投資，使其在經濟上更快地步入具有競爭(zheng) 力的態勢。

　　1）常規地熱發電技術

　　常規地熱能發電主要有三種基本技術，即：幹蒸汽發電（世界上很少，我國還沒有發現幹蒸汽地熱田）、閃蒸蒸汽發電（也稱“擴容”發電，我國羊八井等地熱電站屬此類）和二級有機朗肯循環發電（我國廣東(dong) 豐(feng) 順地熱電站曾建成一台試驗機組，效率很低）。為(wei) 了提高發電效率，也可以把采出的高溫高壓水進行二級閃蒸，組成二級閃蒸發電裝置；或者先進行閃蒸，然後利用閃蒸剩餘(yu) 的熱水作為(wei) 有機朗肯循環發電的熱源，組成閃蒸有機朗肯循環聯合發電裝置，等等。

　　高溫岩體(ti) 地熱能目前能夠采出的水溫一般在200℃以下（或稍高些），不可能利用幹蒸汽發電技術。當產(chan) 出水溫在180℃以上時，可考慮采用閃蒸發電技術。閃蒸出的水蒸氣可以用凝汽式汽輪發電機組發電，其凝結水可混入閃蒸後剩餘(yu) 地熱水回注入地層。因為(wei) 溫度低，發電效率不高。在有熱用戶的地方，也可以采用背壓汽輪發電機組，即發電又供熱。據吳治堅主編的《新能源和可再生能源的利用》所介紹的日本有的150℃熱能即可開發，美國有的專(zhuan) 家認為(wei) 200℃的熱能才有商業(ye) 價(jia) 值。

　　2）有機朗肯循環發電技術

　　有機朗肯循環技術是一項成熟的技術。它是利用采出的熱水，通過換熱器（蒸發器）把一種低沸點的單一二級工質（通常采用有機化合物，如異丁烷、異戊烷、氨等）加熱，使其蒸發成蒸汽，產(chan) 生的蒸汽通過渦輪機膨脹做功，驅動發電機發電；膨脹後的蒸汽經冷卻（水冷或空冷）凝結成有機液體(ti) ，再用泵送入蒸發器汽化，然後進入下一循環（圖9）。從(cong) 換熱器出來的地熱水（一般在80℃以下）可直接回注入地層，在有合適熱用戶的地方，也可以用它供熱。

　　二級工質曾經使用過二氧化碳，它可以利用溫度更低的地熱水。羅馬尼亞(ya) 的奧拉達(Oradea)大學1984年就曾建成一套容量100kW的這樣的試驗裝置，並在其後設計完成了另外兩(liang) 套先導性裝置；一套2250kW，於(yu) 1986年建成；而另一套1MW，1988年完成。

　　兩(liang) 套裝置運行情況良好。

　　雖然，以二氧化碳為(wei) 工質的二級循環發電裝置實際利用的地熱水溫低於(yu) 100℃，但二氧化碳運行壓力很高，換熱器必須采用承壓能力高的管殼式換熱器，投資相當可觀，也許因此再沒有受到業(ye) 界的重視。

　　3）卡裏納循環發電技術

　　1988年，移居美國的俄羅斯人亞(ya) 曆山大·卡裏納，發明了采用氨—水混合工質的二級循環技術，在世界各國注冊(ce) 了（1 9 9 7 年在我國注冊(ce) 的號為(wei) C N 9 7 1 0 4 9 7 6 . 9），並在美國舊金山建立了有效能（Exergy）公司。

　　氨—水混合物在蒸發器（鍋爐）裏經地熱水加熱，氨的沸點很低，先汽化，有少量的水隨後汽化。汽液混合物經分離器分離，分離出的蒸汽（富含氨）經過熱器（用地熱水加熱，圖中未示出）過熱後，進入渦輪機膨脹做功。

　　分離器出來的貧氨液經貧液回熱器冷卻，再經節流後與(yu) 渦輪機排出的富氨蒸汽混合吸收氨氣，氨濃度恢複。然後經回熱器、冷凝器（水冷或空冷）冷卻成液體(ti) ，再經深液泵升壓進入下一輪循環。這種循環先進的地方在於(yu) ：

　　（1）混合液加熱蒸發過程中溫度是變化的，其溫度逐漸升高的過程比較好地與(yu) 地熱水溫度降低的過程相匹配（見圖13），因此縮小了換熱溫差，避免了換熱過程過大的熵增加，提高了係統效率；（2）貧氨液體(ti) 與(yu) 渦輪機排出的富氨蒸汽混合，是一種吸收過程，強化了換熱，使冷凝過程也在變化的溫度下進行，同樣減少了熵的增加，提高了係統效率。這樣，卡裏納循環的係統效率，可以比有機朗肯循環高20%～40%（見圖14、圖15）。實際上，卡裏納循環是一種融入了吸收工藝的混合工質朗肯循環。

　　為(wei) 了進一步提高係統效率，蒸發器（包括過熱器）、分離器和回熱器可以分為(wei) 多級，使地熱水溫度降低過程與(yu) 工質的升溫過程更加匹配，熱量在內(nei) 部循環得更多，冷卻水帶走的熱量更少。按照使用需要，可以衍生出很多實用的係統。

　　卡裏納循環的其他好處還有：

　　與(yu) 凝汽式水蒸氣循環相比，渦輪機排汽為(wei) 正壓，沒有真空操作，也就沒有大流通斷麵的設備和抽氣係統。設備體(ti) 積緊湊，節約了投資。

　　係統處於(yu) 中壓和低壓運行狀態，沒有高壓部件。係統內(nei) 所用的都是常規部件。可以采用性能價(jia) 格比更好的板式換熱器。

　　● 氨和水的熱力學性能相近，渦輪機不需要特殊的設計，隻需要把原來的迷宮式密封改為(wei) 機械密封，並采用氮氣密封係統。

　　● 可以根據地熱水和冷卻條件調整氨濃度，達到優(you) 係統效率。

　　● 沒有環境問題，氨的變暖功能和臭氧層消耗功能都為(wei) 零。

　　注意事項：

　　● 氨有毒性，但人類在農(nong) 業(ye) 領域和工業(ye) 製冷領域，已有上百年的使用曆史，積累了充分的預防經驗。

　　● 氨對銅有腐蝕性，係統中接觸氨的部件要避免使用銅材料。

　　● 需要一套氨儲(chu) 備係統，以便按需要調整工質的氨濃度。

　　卡裏納循環可以用於(yu) 所有燃料、地熱源或餘(yu) 熱。有效能公司預言，采用卡裏納技術，地熱發電裝置的效率可能快速提高50%，而燃煤發電裝置運行的有效性將提高20% 以上。

　　世界上已經建成和在建的卡裏納發電裝置正在迅速發展。由於(yu) 使用此項技術的熱電轉換比一般熱電廠蒸汽輪機發電要低很多，並大大低於(yu) 燃氣輪機的燃氣蒸汽聯合循環的溫度，相比之下它是“低”溫熱能發電技術。卡裏納循環技術（確切地說它是氨—水混合工質循環技術）不僅(jin) 可用於(yu) 熱幹岩體(ti) 地熱發電，還可以用於(yu) 高溫地熱發電，甚至用於(yu) 中溫溫泉水發電，對世界上日常排放的“廢熱”，包括石油煉製和化工業(ye) 排放的大量廢熱以及冶金、建材、製藥、食品工業(ye) 產(chan) 生的液體(ti) 和氣體(ti) 的廢熱，也能轉化為(wei) 電力資源，它將熱、電、冷的聯合循環開辟新的領域。如果我們(men) 把能源梯級利用的工作做好了，將發揮更加顯著的效果。

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