高溫巖體地熱能開發利用的關鍵技術

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

 

  1.地下熱儲的開發建造技術

 

  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險相對較低決定的。

 

  在高溫巖體熱能勘查時，從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最有利于高溫巖體地熱的開發利用，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；在大陸內部，大陸和大陸板塊之間的碰撞帶也是熱干巖發育良好的部位，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巖類較其他的巖石（如輝長巖、玄武巖類）要好得多。花崗巖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，還要注意的另一個要素，即花崗巖生成的年齡，一般花崗巖生成的時間越長，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現和圈定。澳大利亞專家還認為，熱巖體的勘探風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。

 

  其次是創造高溫巖體地熱資源開發利用的條件。

 

  一要鉆數口深井，用于生產和注入水。這些井采用常規旋轉鉆井技術，類似于石油天然氣勘探開發中所用的鉆井技術；井的總數以及生產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，這表明沿熱儲構造長軸方向布置注入井，在注入井的兩側各鉆一口生產井是比較合理的配置。一個如此“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，也可以產生新的裂縫，這樣便在被壓井井筒的周圍形成一個擴展數十米的裂縫系統或“云狀”

 

  裂縫群，即形成“熱儲層”或稱“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。

 

  壓裂是建造熱儲層的關鍵一步，壓裂前要作地應力研究，了解主應力強度、方位，以估計壓裂所產生裂縫的性狀。在進行壓裂時要在井附近鉆一個淺孔，設置微震記錄儀系統，在壓裂作業時通過高精度地震檢波器收集聲波信息，經處理后反演解釋，用以指示水力壓裂造成的裂縫系統的范圍與方位，進而確定人工熱儲構造的空間三維分布。這些信息還可用來指導鉆生產井，以便使其鉆入深層裂縫系統。微震監測在以后長期生產過程中，仍可以用來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發第二個或第三個熱儲層，日本在肘折地區就是這么做的。

 

  三要進行水流循環試驗和模擬模型研究。在建造熱儲層過程及隨后的生產中，都要認真進行水流循環試驗。

 

  試驗的目的是取得注入與采出流量、壓力、溫度等準確的動態變化基礎數據，再推導出流動阻力、注入速率與水的損失率等影響項目成敗的關鍵性指標。如芬頓山項目第一期進行了9個月的水流循環試驗，第二期又進行2個月的試驗。為了探明注入井和生產井之間連通渠道，估計其體積大小，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，做出開發規劃的評估、決策等。

  芬頓山項目試驗表明：一個人工熱儲層最理想的狀態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）產出流體的質量流量；

 

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

 

  （5）流動阻力和允許的壓力降；

 

  （6）水的損失速率。

 

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

  2.地面利用技術

 

  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用化、商業化的第二個關鍵問題。

 

  高溫巖體地熱能利用主要有兩大方面：一是用于發電；二是直接利用（供熱與制冷）。直接利用都是常規技術，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，高溫巖體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，從而大大節約發電技術的開發投入，減少高溫巖體地熱項目的整體投資，使其在經濟上更快地步入具有競爭力的態勢。

 

  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：干蒸汽發電（世界上很少，我國還沒有發現干蒸汽地熱田）、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（我國廣東豐順地熱電站曾建成一臺試驗機組，效率很低）。為了提高發電效率，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，然后利用閃蒸剩余的熱水作為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電技術。當產出水溫在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后剩余地熱水回注入地層。因為溫度低，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》所介紹的日本有專家推薦的150℃熱能即可開發，美國有的專家認為200℃的熱能才有商業價值。

 

  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，產生的蒸汽通過渦輪機膨脹做功，驅動發電機發電；膨脹后的蒸汽經冷卻（水冷或空冷）凝結成有機液體，再用泵送入蒸發器汽化，然后進入下一循環（圖9）。從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，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，以二氧化碳為工質的二級循環發電裝置實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，也許因此再沒有受到業界的重視。

 

  3）卡里納循環發電技術

 

  1988年，移居美國的俄羅斯人亞歷山大·卡里納，發明了采用氨—水混合工質的二級循環技術，在世界各國注冊了專利（1 9 9 7 年在我國注冊的專利號為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—水混合物在蒸發器（鍋爐）里經地熱水加熱，氨的沸點低，先汽化，有少量的水隨后汽化。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）過熱后，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。然后經回熱器、冷凝器（水冷或空冷）冷卻成液體，再經深液泵升壓進入下一輪循環。這種循環先進的地方在于：

 

  （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，提高了系統效率。這樣，卡里納循環的系統效率，可以比有機朗肯循環高20%～40%（見圖14、圖15）。實際上，卡里納循環是一種融入了吸收工藝的混合工質朗肯循環。

 

  為了進一步提高系統效率，蒸發器（包括過熱器）、分離器和回熱器可以分為多級，使地熱水溫度降低過程與工質的升溫過程更加匹配，熱量在內部循環得更多，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系統。

 

  卡里納循環的其他好處還有：

 

  與凝汽式水蒸氣循環相比，渦輪機排汽為正壓，沒有真空操作，也就沒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，沒有高壓部件。系統內所用的都是常規部件。可以采用性能價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，只需要把原來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。

 

  ● 沒有環境問題，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，但人類在農業領域和工業制冷領域，已有上百年的使用歷史，積累了充分的預防經驗。

 

  ● 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的氨濃度。

 

  卡里納循環可以用于所有燃料、地熱源或余熱。有效能公司預言，采用卡里納技術，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里納發電裝置正在迅速發展。由于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，并大大低于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。卡里納循環技術（確切地說它是氨—水混合工質循環技術）不僅可用于熱干巖體地熱發電，還可以用于高溫地熱發電，甚至用于中溫溫泉水發電，對世界上日常排放的“廢熱”，包括石油煉制和化工業排放的大量廢熱以及冶金、建材、制藥、食品工業產生的液體和氣體的廢熱，也能轉化為電力資源，它將熱、電、冷的聯合循環開辟新的領域。如果我們把能源梯級利用的工作做好了，將發揮更加顯著的效果。