高溫巖體地熱能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵技術(shù)

  高溫巖體地熱能利用由兩個(gè)子系統組成，即地下儲熱層（換熱構造）的開(kāi)發(fā)建造和熱水采出后地面發(fā)電供熱系統，二者都是多項技術(shù)的綜合應用和集成，其中關(guān)鍵性技術(shù)的突破是巖體熱能利用成功與否的決定因素。

 

  1.地下熱儲的開(kāi)發(fā)建造技術(shù)

 

  首先是高溫巖體地熱資源的勘查與選址。一般認為其勘探難度和費用遠小于天然熱水或石油和天然氣的勘探。這是由于其不確定性和風(fēng)險相對較低決定的。

 

  在高溫巖體熱能勘查時(shí)，從宏觀(guān)的大地構造角度考慮，在地熱梯度和熱流值較高的地方最有利于高溫巖體地熱的開(kāi)發(fā)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??；在大陸內部，大陸和大陸板塊之間的碰撞帶也是熱干巖發(fā)育良好的部位，如印度板塊和歐亞板塊在喜馬拉雅山和我國云南等地的碰撞部位；另外，大陸內部的斷陷盆地區也是很好的選址目標；從巖石本身的物理性質(zhì)考慮，應選擇那些密度大、熱傳導率高的巖石，因此，選擇花崗巖和花崗閃長(cháng)巖類(lèi)較其他的巖石（如輝長(cháng)巖、玄武巖類(lèi)）要好得多?；◢弾r本身含有較高濃度的放射性元素，這些元素在不斷地蛻變并釋放出熱量，從而增加了巖體中熱能的供應。在選址時(shí)，還要注意的另一個(gè)要素，即花崗巖生成的年齡，一般花崗巖生成的時(shí)間越長(cháng)，其損失的熱量越多，因而應該選擇那些生成時(shí)間較晚的花崗巖，如第三紀、第四紀凝結的花崗巖。對作為選址目標的花崗巖體的規模和范圍，通常則采用重力勘探的辦法去發(fā)現和圈定。澳大利亞專(zhuān)家還認為，熱巖體的勘探風(fēng)險性與典型的石油勘探（探井的成功率大約5%）以及典型的傳統濕式地熱（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(chuàng )造高溫巖體地熱資源開(kāi)發(fā)利用的條件。

 

  一要鉆數口深井，用于生產(chǎn)和注入水。這些井采用常規旋轉鉆井技術(shù)，類(lèi)似于石油天然氣勘探開(kāi)發(fā)中所用的鉆井技術(shù)；井的總數以及生產(chǎn)井與注入井的比例視各地具體情況而異。迄今高溫巖體地熱能試驗中有代表性的是：一口注入井，一或兩口生產(chǎn)井。美國芬頓山的項目試驗發(fā)現，裂縫區的形狀是橢圓形而不是球形，這表明沿熱儲構造長(cháng)軸方向布置注入井，在注入井的兩側各鉆一口生產(chǎn)井是比較合理的配置。一個(gè)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(fā)電裝置。

 

  二要進(jìn)行水力壓裂以形成裂縫系統。水力壓裂方式與油氣井壓裂相似，入井的高壓水流使巖層中原有的微小裂縫強行張開(kāi)，也可以產(chǎn)生新的裂縫，這樣便在被壓井井筒的周?chē)纬梢粋€(gè)擴展數十米的裂縫系統或“云狀”

 

  裂縫群，即形成“熱儲層”或稱(chēng)“換熱構造”，其功能是使熱輸送媒體水與大面積的巖石表面接觸，吸取熱量，并把熱量帶到地面上來(lái)。

 

  壓裂是建造熱儲層的關(guān)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(chǎn)生裂縫的性狀。在進(jìn)行壓裂時(shí)要在井附近鉆一個(gè)淺孔，設置微震記錄儀系統，在壓裂作業(yè)時(shí)通過(guò)高精度地震檢波器收集聲波信息，經(jīng)處理后反演解釋?zhuān)靡灾甘舅毫言斐傻牧芽p系統的范圍與方位，進(jìn)而確定人工熱儲構造的空間三維分布。這些信息還可用來(lái)指導鉆生產(chǎn)井，以便使其鉆入深層裂縫系統。微震監測在以后長(cháng)期生產(chǎn)過(guò)程中，仍可以用來(lái)監測深層巖體熱能系統的運行壽命。

 

  有的項目在試驗中，在已有熱儲層以上，在原井上部還可以再開(kāi)發(fā)第二個(gè)或第三個(gè)熱儲層，日本在肘折地區就是這么做的。

 

  三要進(jìn)行水流循環(huán)試驗和模擬模型研究。在建造熱儲層過(guò)程及隨后的生產(chǎn)中，都要認真進(jìn)行水流循環(huán)試驗。

 

  試驗的目的是取得注入與采出流量、壓力、溫度等準確的動(dòng)態(tài)變化基礎數據，再推導出流動(dòng)阻力、注入速率與水的損失率等影響項目成敗的關(guān)鍵性指標。如芬頓山項目第一期進(jìn)行了9個(gè)月的水流循環(huán)試驗，第二期又進(jìn)行2個(gè)月的試驗。為了探明注入井和生產(chǎn)井之間連通渠道，估計其體積大小，還要進(jìn)行示蹤劑試驗。這些都要求通過(guò)電腦建立三維熱儲模型，分析上述多種測量測試數據，選擇最佳操作條件，做出開(kāi)發(fā)規劃的評估、決策等。

  芬頓山項目試驗表明：一個(gè)人工熱儲層最理想的狀態(tài)是以最大的速率輸出流體，而溫度維持恒定，但這對有限尺度的人工熱儲層而言顯然是不可能的。提取的地熱流體的溫度主要取決于如下因素：

 

  （1）連通的裂縫表面積和巖體體積；

 

  （2）產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量；

 

  （3）流體穿越裂縫表面和通過(guò)裂縫區域的分布；（4）巖石的熱力學(xué)特性（密度、熱容系數、熱傳導系數等）；

 

  （5）流動(dòng)阻力和允許的壓力降；

 

  （6）水的損失速率。

 

  總之，高儲層溫度、低流動(dòng)阻力、巨大的儲層裂縫面積和連通體積是高溫巖體地熱能開(kāi)發(fā)的最佳對象。

  2.地面利用技術(shù)

 

  如何更有效地利用從地層深處采出的熱能，是高溫巖體地熱能實(shí)用化、商業(yè)化的第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

 

  高溫巖體地熱能利用主要有兩大方面：一是用于發(fā)電；二是直接利用（供熱與制冷）。直接利用都是常規技術(shù)，這里不再贅述。

 

  像深層地熱的采出主要依托石油天然氣工業(yè)的成熟技術(shù)而節約了大量技術(shù)開(kāi)發(fā)投入一樣，自20世紀70年代能源危機以來(lái)，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(fā)電的技術(shù)也有長(cháng)足的進(jìn)步，高溫巖體地熱能的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)也可以依托已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功或正在開(kāi)發(fā)中的低溫發(fā)電技術(shù)，從而大大節約發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)投入，減少高溫巖體地熱項目的整體投資，使其在經(jīng)濟上更快地步入具有競爭力的態(tài)勢。

 

  1）常規地熱發(fā)電技術(shù)

 

  常規地熱能發(fā)電主要有三種基本技術(shù)，即：干蒸汽發(fā)電（世界上很少，我國還沒(méi)有發(fā)現干蒸汽地熱田）、閃蒸蒸汽發(fā)電（也稱(chēng)“擴容”發(fā)電，我國羊八井等地熱電站屬此類(lèi)）和二級有機朗肯循環(huán)發(fā)電（我國廣東豐順地熱電站曾建成一臺試驗機組，效率很低）。為了提高發(fā)電效率，也可以把采出的高溫高壓水進(jìn)行二級閃蒸，組成二級閃蒸發(fā)電裝置；或者先進(jìn)行閃蒸，然后利用閃蒸剩余的熱水作為有機朗肯循環(huán)發(fā)電的熱源，組成閃蒸有機朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電裝置，等等。

 

  高溫巖體地熱能目前能夠采出的水溫一般在200℃以下（或稍高些），不可能利用干蒸汽發(fā)電技術(shù)。當產(chǎn)出水溫在180℃以上時(shí)，可考慮采用閃蒸發(fā)電技術(shù)。閃蒸出的水蒸氣可以用凝汽式汽輪發(fā)電機組發(fā)電，其凝結水可混入閃蒸后剩余地熱水回注入地層。因為溫度低，發(fā)電效率不高。在有熱用戶(hù)的地方，也可以采用背壓汽輪發(fā)電機組，即發(fā)電又供熱。據吳治堅主編的《新能源和可再生能源的利用》所介紹的日本有專(zhuān)家推薦的150℃熱能即可開(kāi)發(fā)，美國有的專(zhuān)家認為200℃的熱能才有商業(yè)價(jià)值。

 

  2）有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)

 

  有機朗肯循環(huán)技術(shù)是一項成熟的技術(shù)。它是利用采出的熱水，通過(guò)換熱器（蒸發(fā)器）把一種低沸點(diǎn)的單一二級工質(zhì)（通常采用有機化合物，如異丁烷、異戊烷、氨等）加熱，使其蒸發(fā)成蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)渦輪機膨脹做功，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電；膨脹后的蒸汽經(jīng)冷卻（水冷或空冷）凝結成有機液體，再用泵送入蒸發(fā)器汽化，然后進(jìn)入下一循環(huán)（圖9）。從換熱器出來(lái)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(hù)的地方，也可以用它供熱。

 

  二級工質(zhì)曾經(jīng)使用過(guò)二氧化碳，它可以利用溫度更低的地熱水。羅馬尼亞的奧拉達(Oradea)大學(xué)1984年就曾建成一套容量100kW的這樣的試驗裝置，并在其后設計完成了另外兩套先導性裝置；一套2250kW，于1986年建成；而另一套1MW，1988年完成。

 

  兩套裝置運行情況良好。

 

  雖然，以二氧化碳為工質(zhì)的二級循環(huán)發(fā)電裝置實(shí)際利用的地熱水溫低于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(guān)，也許因此再沒(méi)有受到業(yè)界的重視。

 

  3）卡里納循環(huán)發(fā)電技術(shù)

 

  1988年，移居美國的俄羅斯人亞歷山大·卡里納，發(fā)明了采用氨—水混合工質(zhì)的二級循環(huán)技術(shù)，在世界各國注冊了專(zhuān)利（1 9 9 7 年在我國注冊的專(zhuān)利號為C N 9 7 1 0 4 9 7 6 . 9），并在美國舊金山建立了有效能（Exergy）公司。

 

  氨—水混合物在蒸發(fā)器（鍋爐）里經(jīng)地熱水加熱，氨的沸點(diǎn)低，先汽化，有少量的水隨后汽化。汽液混合物經(jīng)分離器分離，分離出的蒸汽（富含氨）經(jīng)過(guò)熱器（用地熱水加熱，圖中未示出）過(guò)熱后，進(jìn)入渦輪機膨脹做功。

 

  分離器出來(lái)的貧氨液經(jīng)貧液回熱器冷卻，再經(jīng)節流后與渦輪機排出的富氨蒸汽混合吸收氨氣，氨濃度恢復。然后經(jīng)回熱器、冷凝器（水冷或空冷）冷卻成液體，再經(jīng)深液泵升壓進(jìn)入下一輪循環(huán)。這種循環(huán)先進(jìn)的地方在于：

 

  （1）混合液加熱蒸發(fā)過(guò)程中溫度是變化的，其溫度逐漸升高的過(guò)程比較好地與地熱水溫度降低的過(guò)程相匹配（見(jiàn)圖13），因此縮小了換熱溫差，避免了換熱過(guò)程過(guò)大的熵增加，提高了系統效率；（2）貧氨液體與渦輪機排出的富氨蒸汽混合，是一種吸收過(guò)程，強化了換熱，使冷凝過(guò)程也在變化的溫度下進(jìn)行，同樣減少了熵的增加，提高了系統效率。這樣，卡里納循環(huán)的系統效率，可以比有機朗肯循環(huán)高20%～40%（見(jiàn)圖14、圖15）。實(shí)際上，卡里納循環(huán)是一種融入了吸收工藝的混合工質(zhì)朗肯循環(huán)。

 

  為了進(jìn)一步提高系統效率，蒸發(fā)器（包括過(guò)熱器）、分離器和回熱器可以分為多級，使地熱水溫度降低過(guò)程與工質(zhì)的升溫過(guò)程更加匹配，熱量在內部循環(huán)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(shí)用的系統。

 

  卡里納循環(huán)的其他好處還有：

 

  與凝汽式水蒸氣循環(huán)相比，渦輪機排汽為正壓，沒(méi)有真空操作，也就沒(méi)有大流通斷面的設備和抽氣系統。設備體積緊湊，節約了投資。

 

  系統處于中壓和低壓運行狀態(tài)，沒(méi)有高壓部件。系統內所用的都是常規部件?？梢圆捎眯阅軆r(jià)格比更好的板式換熱器。

 

  ● 氨和水的熱力學(xué)性能相近，渦輪機不需要特殊的設計，只需要把原來(lái)的迷宮式密封改為機械密封，并采用氮氣密封系統。

 

  ● 可以根據地熱水和冷卻條件調整氨濃度，達到最佳系統效率。

 

  ● 沒(méi)有環(huán)境問(wèn)題，氨的全球變暖功能和臭氧層消耗功能都為零。

 

  注意事項：

 

  ● 氨有毒性，但人類(lèi)在農業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)制冷領(lǐng)域，已有上百年的使用歷史，積累了充分的預防經(jīng)驗。

 

  ● 氨對銅有腐蝕性，系統中接觸氨的部件要避免使用銅材料。

 

  ● 需要一套氨儲備系統，以便按需要調整工質(zhì)的氨濃度。

 

  卡里納循環(huán)可以用于所有燃料、地熱源或余熱。有效能公司預言，采用卡里納技術(shù)，地熱發(fā)電裝置的效率可能快速提高50%，而燃煤發(fā)電裝置運行的有效性將提高20% 以上。

 

  世界上已經(jīng)建成和在建的卡里納發(fā)電裝置正在迅速發(fā)展。由于使用此項技術(shù)的熱電轉換比一般熱電廠(chǎng)蒸汽輪機發(fā)電要低很多，并大大低于燃氣輪機的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)的溫度，相比之下它是“低”溫熱能發(fā)電技術(shù)?？ɡ锛{循環(huán)技術(shù)（確切地說(shuō)它是氨—水混合工質(zhì)循環(huán)技術(shù)）不僅可用于熱干巖體地熱發(fā)電，還可以用于高溫地熱發(fā)電，甚至用于中溫溫泉水發(fā)電，對世界上日常排放的“廢熱”，包括石油煉制和化工業(yè)排放的大量廢熱以及冶金、建材、制藥、食品工業(yè)產(chǎn)生的液體和氣體的廢熱，也能轉化為電力資源，它將熱、電、冷的聯(lián)合循環(huán)開(kāi)辟新的領(lǐng)域。如果我們把能源梯級利用的工作做好了，將發(fā)揮更加顯著(zhù)的效果。