青海共和盆地中低溫地熱流體發(fā)電

  ０ 引言

 

  地核與地表的巨大溫差、地殼內放射性元素衰變及斷層摩擦產(chǎn)生的熱量等形成了儲量巨大的地熱能．據估算，地殼外層１０ｋｍ以?xún)鹊?a href="http://keyinmall.com/t/地熱能.html" >地熱能總量就達到了１．２５４×１０２７ Ｊ，相當于全世界煤炭儲存總量的２ ０００倍，地表以下３ｋｍ以?xún)鹊牡?a href="http://keyinmall.com/t/熱能.html" >熱能總量也相當于２．９萬(wàn)億噸標準煤的能量，這是２０１０年世界煤炭總產(chǎn)量的４００倍．地熱能具有非常大的開(kāi)發(fā)潛力以及廣闊的利用前景（Ｉｎｇｖａｒ，２００１；Ｅｎｒｉｃｏ，２００２）．根據賦存形式及埋藏深度，地熱資源可分為３種類(lèi)型：（１）淺層地溫能，埋藏深度一般在２００ｍ 以?xún)?；（２?a href="http://keyinmall.com/t/地熱流體.html" >地熱流體，埋藏深度一般為２００ｍ 到３ｋｍ；（３）干熱巖，通常埋藏深度大于３ｋｍ小于１０ｋｍ．在這３種地熱資源中，只有地熱流體已達到商業(yè)發(fā)電開(kāi)發(fā)利用階段．地熱流體又可根據溫度分為高溫（＞１５０℃）、中溫（９０～１５０℃）和低溫（地表平均氣溫至９０℃）３種地熱資源．人類(lèi)利用地熱資源歷史已久，但主要以直接利用為主，發(fā)電是上世紀初才開(kāi)始嘗試并在其后大規模發(fā)展的（Ｇｅｒａｌｄ，２００１）．１９０４年，意大利首次利用地熱蒸汽發(fā)電成功，其后于１９１３年在拉德瑞羅建成世界上第一座試驗地熱電站；１９５８年，新西蘭的懷拉開(kāi)地熱電站首次利用擴容法解決了地熱流體的發(fā)電技術(shù)；至１９９７年底，全世界地熱發(fā)電總裝機容量已近８ ０２１ＭＷ（馬梅林和王紀春，１９９８；王貴玲等，２０００；汪集旸等，２０００；Ｉｎｇｖａｒ，２００１）．地熱發(fā)電的原理簡(jiǎn)而言之就是先把地熱能轉變成機械能，然后再把機械能轉化成電能．由于可利用的地熱資源的類(lèi)型不同，所采用的技術(shù)方法也相應有差異，主要分為地熱蒸汽、地熱水、聯(lián)合循環(huán)及干熱巖４種發(fā)電方式．地熱蒸汽發(fā)電直接利用地熱井中的高溫蒸汽，先進(jìn)行凈化，然后推動(dòng)汽輪機做功，使發(fā)電機發(fā)電（呂太等，２００９）．地熱水發(fā)電的基本思想是將熱水轉化成蒸汽，然后用蒸汽發(fā)電，主要方法有２種：

 

  一種是降壓閃蒸（擴容），即通過(guò)降低壓力使地熱流體迅速汽化；另一種是用地熱水加熱某種低沸點(diǎn)物質(zhì)（如氟利昂、異戊烷等），使之汽化（Ｒｏｎａｌｄ，２００４）．聯(lián)合循環(huán)發(fā)電將蒸汽發(fā)電和地熱水發(fā)電相結合，充分提高了地熱流體熱能的利用率．干熱巖發(fā)電的原理則是利用人工注入的冷水其將熱量從地下帶出，通過(guò)產(chǎn)生的蒸汽或熱水來(lái)發(fā)電（高學(xué)偉等，２００８）．１ 我國地熱發(fā)電歷史及現狀

 

  我國屬于富地熱資源的國家，但其分布十分不均，高溫地熱資源僅分布在西藏南部、四川西部、云南西部及臺灣省，中低溫地熱資源主要分布于東南沿海地熱帶、華北及東北部分地區（Ｈｕ ｅｔ ａｌ．，２０００；Ｗａｎ ｅｔ ａｌ．，２００５）．我國地熱發(fā)電始于２０世紀７０年代，時(shí)值第一次石油危機，在全國建成了７個(gè)中低溫地熱電站，其位置、地熱流體溫度及發(fā)電功率分別為：廣東豐順縣鄧屋，９２ ℃，３００ｋＷ；湖南寧鄉縣灰湯，９８ ℃，３００ｋＷ；河北懷來(lái)縣后郝窯，８７℃，２００ｋＷ；山東招遠縣湯東泉，９８℃，３００ｋＷ；遼寧蓋縣熊岳，９０℃，２００ｋＷ；廣西象州市熱水村，７９℃，２００ｋＷ；江西宜春縣溫湯，６７℃，１００ｋＷ（馬梅林和王紀春，１９９８；王貴玲等，２０００；鄭克棪和潘小平，２００９）．這７座中低溫地熱電站無(wú)一例外都是建立在熱田面積比較小的中低溫對流型地熱系統中，其熱儲溫度和高溫水熱系統相比要低得多，另外由于熱田面積小，匯水范圍小，可供開(kāi)采利用的水量也不大．上述地熱電站的發(fā)電量均介于５０ｋＷ 到３００ｋＷ 之間，且發(fā)電過(guò)程中出現的問(wèn)題一直沒(méi)有得到妥善解決；到現在為止其中６個(gè)已經(jīng)停產(chǎn)，唯一仍在運營(yíng)的是廣東豐順地熱電站，發(fā)電量約３００ｋＷ，只相當于羊八井地熱電站的１／８０左右．２０世紀７０年代中期，我國開(kāi)始在西藏嘗試高溫地熱發(fā)電，先后建立過(guò)３個(gè)地熱電站，分別是羊八井地熱電站、朗久地熱電站和那曲地熱電站．羊八井地熱電廠(chǎng)現在主要利用溫度高達２５５℃的深部地熱流體，發(fā)電量為２４．１８ＭＷ（Ｚｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，２０１４）．朗久和那曲是２個(gè)相對規模比較小的熱田，地熱流體的溫度和流量都不太穩定．在建廠(chǎng)后的發(fā)電過(guò)程中，地熱流體輸送管道的結垢和腐蝕問(wèn)題一直沒(méi)有得到妥善解決，所以這兩個(gè)電站現已廢棄．我國至今仍在運營(yíng)的高溫地熱電站，只有西藏羊八井．羊八井電站雖然在發(fā)電量上與其他國家的部分地熱電站相比并不遜色，但發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生了許多環(huán)境問(wèn)題．例如，在電廠(chǎng)剛剛建成以后的十幾年時(shí)間里，主要開(kāi)發(fā)利用對象是淺部地熱流體，而最初的淺層地熱井均施工于熱田的排泄區，長(cháng)期的地熱流體開(kāi)采造成熱水位下降，同時(shí)也導致了熱田南區的地面沉降．另外，地熱電廠(chǎng)發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生了大量富含有害組分的地熱廢水，而地熱廢水的回灌至今仍未徹底實(shí)現，在某些時(shí)段仍就近排入當地地表水體，造成了較嚴重的熱田水環(huán)境污染．

 

    ２ 青海共和盆地地熱資源分布

 

  我國多年前即已在西藏實(shí)現高溫地熱發(fā)電，但與西藏毗鄰的青海省雖同樣有豐富的地熱資源（張珍，１９９９），開(kāi)發(fā)利用程度卻低得多（嚴維德等，２０１３）．目前青海地熱資源的開(kāi)發(fā)利用僅限于洗浴、醫療、游泳、大棚養殖、區域供暖等方面，總體來(lái)說(shuō)，還停留在地熱資源開(kāi)發(fā)利用的初級階段（趙振等，２０１３）．據青海省國土資源廳及青海省水工環(huán)地質(zhì)調查院勘查結果，青海省地熱資源種類(lèi)齊全，地熱水、淺層地溫能、干熱巖３種類(lèi)型均有發(fā)現，且廣泛分布于省內的六州一地一市．全省已發(fā)現水溫１５℃以上的地熱異常區８４處，其中熱泉排泄溫度在９０℃以上的中溫水熱區１處，６０～８０℃的低溫水熱區１０處，４０～６０℃的低溫水熱區９處，１５～４０℃的低溫水熱區６４處．地熱資源分布區主要包括共和－貴德盆地、大柴旦、都蘭、青藏鐵路沿線(xiàn)和玉樹(shù)巴塘地區、興海地區、同仁盆地等，如在貴德扎倉寺發(fā)現溫度為９３．５℃的熱泉，都蘭熱水鄉、夏日哈鄉發(fā)現７０～８２℃的熱泉，顯示這些地區地熱資源開(kāi)發(fā)潛力非常大．另外，通過(guò)地熱勘探井，在共和、貴德、大柴旦、都蘭、玉樹(shù)巴塘盆地已發(fā)現多處溫度６０～９３℃的地下熱水，熱儲埋深一般介于２００～１ ８００ｍ．如在共和恰卜恰鎮先后施工多口深井，均獲取了井口溫度在７２℃ 以上的中低溫地熱水，可開(kāi)采總量達１０ ０００ｍ３／ｄ．更重要的是，青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調查院聯(lián)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），于２０１３年在共和盆地中北部經(jīng)鉆探驗證，最終在２ ２３０ｍ深度探測到溫度達１５３℃的干熱巖．隨著(zhù)深度增加，地溫以６．８℃／１００ｍ 的梯度穩定升高，且勘探表明區內１ ６００ｍ 以下無(wú)地下水分布跡象．該干熱巖巖體在共和盆地底部廣泛分布，僅鉆孔控制面積已達１５０ｋｍ２，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大．這是在國內首次發(fā)現的可大規模利用的干熱巖資源．共和盆地干熱巖資源的發(fā)現不僅為深部地熱的開(kāi)發(fā)利用提供了得天獨厚的天然試驗場(chǎng)地，也使青海省能源開(kāi)發(fā)利用新途徑的開(kāi)辟成為可能．

 

    ３ 共和盆地地熱發(fā)電

 

  ３．１ 地熱井位選擇與成井過(guò)程

 

  為在共和盆地利用熱儲流體發(fā)電，青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調查院和中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）開(kāi)展了前期地熱地質(zhì)調查和地球物理工作．在研究區南部上塔買(mǎi)－阿乙亥地段，可推斷出４條基底斷裂，近南北向的恰卜恰溝Ｆ１斷裂和阿乙亥溝Ｆ３斷裂屬張扭性斷裂，具導水、導熱作用，北西西向沙有－克才Ｆ２斷裂和四道班－下謝家蓋Ｆ４斷裂為壓扭性斷裂，具阻水作用（王斌等，２０１０）．結合區域地質(zhì)構造，共和盆地恰卜恰地區基底埋深不大，熱儲層厚度較薄、泥巖較多，兼之兩組斷裂復合部位更有利熱水對流運移，因此若希望獲得溫度較高、水量較多的地熱流體，盆地基底斷裂帶是優(yōu)選靶區．最終選擇在盆地ＤＲ２處成井（圖１），終孔深度１ ８５２ｍ．據ＤＲ２井巖芯資料，０～４９．１ｍ為第四系全新統砂礫卵石及亞砂土、中粗砂，４９．１～５９８．８ｍ為下更新統亞粘土、砂巖，５９８．８～１ ４４０．９ｍ為新近系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖、中粗砂巖、砂礫巖，基底埋深１ ４４０．９ｍ，以下為花崗巖．熱儲埋深為７１８．３５～１ ４６５．５ｍ，巖性為細砂巖、含礫細砂巖、中粗砂巖、砂礫巖等．其中１ ２００～１ ３５４ｍ 粉砂巖呈泥鈣質(zhì)膠結，富水性較差，含水層厚度１１９．１ｍ．１ ６５０．０～１ ７１０．０ｍ為斷層角礫巖，下部有斷裂性帶狀熱儲．筆者利用ＤＲ２井的實(shí)測溫度數據繪制了地溫和地溫梯度隨深度變化曲線(xiàn)（圖２ａ，２ｂ），發(fā)現成井位置地熱異常明顯，且地溫隨深度單調增加，這指示共和盆地內的地熱系統屬傳導型．根據熱儲位置及鉆孔巖芯，設計地熱井成井工藝如下．０～２０３．５６ｍ，成井口徑４１０ｍｍ，此段內下入φ２７３×８．８９ｍｍ石油套管２０３．５６ｍ，管外用水泥進(jìn)行永久止水，形成泵室段．２０３．５６～１ ５００．００ｍ，成井口徑２１５ｍｍ，其中１９１．２０～７１８．００ｍ 下入φ１４０×７．７２ｍｍ石油套管５２６．８ｍ，與上部段泵室段呈托盤(pán)連接，并用膨脹橡膠、海帶及水泥止水．７１８．００～１ ５００．３７ｍ為含水層，巖性以砂巖和泥巖互層為主，下入φ１４０×７．７２ｍｍ 石油套管，相對隔水層６個(gè)，采用實(shí)管，含水層６個(gè)，采用花管，合計實(shí)管７０６．８８ｍ 20.2 104.，花管５９９．５ｍ．３．２ 試驗地熱電站的建立如前所述，青海省地熱資源豐富，共和盆地則是全省地熱資源富集區之一，具有地熱發(fā)電潛力，但長(cháng)期以來(lái)地熱開(kāi)發(fā)利用率卻較低，利用方式也僅限于直接利用．在國家大力開(kāi)發(fā)地熱資源政策的支持下，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）和青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調查院協(xié)同工作，于２０１４年在共和建立了青海首個(gè)試驗地熱發(fā)電站，期望利用區內中低溫地熱流體發(fā)電，為青海省能源結構優(yōu)化做貢獻．研究表明，現代技術(shù)的發(fā)展使利用中低溫地熱流體發(fā)電得以實(shí)現（Ｏｇｕｚ，２０１１）．由于研究區熱儲內賦存中低溫地熱流體，共和地熱電站未采用傳統的利用高品位地熱能的汽輪機，而采用ＯＲＣ螺桿膨脹動(dòng)力機發(fā)電．螺桿膨脹機可利用低品位地熱能實(shí)現熱功轉換，其基本原理是用中低溫地熱流體對某種低沸點(diǎn)有機工質(zhì)進(jìn)行加熱，工質(zhì)沸騰產(chǎn)生蒸汽并推動(dòng)轉子產(chǎn)生動(dòng)力做功（Ｂａｉｋ ｅｔ ａｌ．，２０１３）．蒸汽從膨脹機排出后，進(jìn)入油分離器，分離潤滑油，氣體進(jìn)入冷凝器冷凝成液體，液體被液體泵升壓，進(jìn)入預熱器、蒸發(fā)器，完成一輪循環(huán)．與此同時(shí)，潤滑油在油分離器實(shí)現分離后，借助油泵輸送至各潤滑點(diǎn)，確保軸承等零件的潤滑與降溫（圖３）．３．３ 共和盆地地熱流體地球化學(xué)特征及其對發(fā)電的影響地熱流體的地球化學(xué)特征對其發(fā)電效率及地熱井發(fā)電壽命有重要影響（Ｇｕｏ，２０１２）．如西藏羊八井熱田的地熱流體在生產(chǎn)井口水氣分離后，通過(guò)輸送管送至地熱電廠(chǎng)供發(fā)電機組使用．由于地熱蒸氣中富含ＣＯ２和Ｈ２Ｓ等酸性氣體，降溫冷凝后，水的ｐＨ 值低于５．０，對金屬管道材料具有較強的腐蝕性（趙平等，１９９８）．共和盆地ＤＲ２生產(chǎn)井抽取的地熱水的化學(xué)組成見(jiàn)表１所示．由于井口地熱流體溫度（８４．２℃）低于當地沸點(diǎn)，不存在水汽分離，而流體ｐＨ 為７．６９，在中性范圍內，因此在ＤＲ２井發(fā)電過(guò)程中可不考慮腐蝕的發(fā)生．然而，采自ＤＲ２井的地熱水樣品在室溫下的化學(xué)分析結果指示其Ｃａ２＋ 濃度為４５．２ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ３－ 和ＣＯ３２－ 濃度分別為６０３．８ｍｇ／Ｌ和２．４ｍｇ／Ｌ，用ＳＯＬＶＥＱ－ＸＰＴ軟件可計算出在２０～９０℃范圍內ＤＲ２井地熱水對方解石的飽和指數如表２所示．在此溫度范圍內，地熱水對于方解石均處于過(guò)飽和狀態(tài)，因此發(fā)電過(guò)程中存在管道結垢的可能．當然，地熱水中ＣａＣＯ３是否析出并不僅僅取決于其對于方解石等礦物的飽和指數，還與地熱水流速、壓力、套管的材質(zhì)及光潔度、井筒內孔徑變化等多種因素有關(guān)，如多數情況下管道變徑處更容易結垢（趙平等，１９９８）．因此，ＤＲ２井地熱流體對于方解石飽和指數的計算結果并不意味著(zhù)結垢一定發(fā)生．４ 結論

 

  青海共和盆地地熱地質(zhì)條件優(yōu)越，地熱流體性狀良好，用于地熱發(fā)電的ＤＲ２井的井口水溫可達８４．２℃，單井涌水量達１ ００２．２ｍ３／ｄ，總溶解固體為２．２３ｇ／Ｌ，ｐＨ 值為７．６９，具有一定發(fā)電潛力．我們在共和建成了青海首個(gè)試驗地熱電站，設計年均凈發(fā)電量雖僅為１１４ｋＷ，但對共和地區乃至青海省的能源結構導向具有重大意義．由于ＤＲ２井地熱流體具有較高的碳酸和鈣含量，在今后的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中應注意井管結垢問(wèn)題．