地熱能的勘察評估及實際利用

張宏秀

摘要:當今社會,環境污染和能源危機已成為威脅人類生存的頭等大事,如何解決這一問題,已成為全人類的課題。淺層地熱能是賦存在地球表層巖土體中的低溫地熱資源,是一種新型的優質清潔能源,具有可再生、分布廣、儲量大、清潔環保、經濟實惠、安全性強和可用性強等特點。它是地球淺表層數百米內(<200米)的土壤巖石和地下水中所蘊藏的一種低溫熱能,其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。與深層地熱相比,淺層地熱能分布廣泛、儲量巨大、再生迅速、采集方便、開發利用價值更大。主要采用熱泵系統(包括水源熱泵和地源熱泵兩種)進行開發利用。

關鍵字:地熱 勘察評估 利用

一、何謂地熱

地球的內部非常熱,其地心溫度大約為4000℃,熱能持續不斷地在流向地面,從地表輻射出去并消失在太空中。這一表面的平均熱能量值為82毫瓦/米2,如果地球的表面積為5.1×1014米2,那么,這種連續不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。到達地表的能量多數是很劣質的熱,很少被搜集后直接使用。然而,在近百萬年間發生火山活動的地區,大量優質熱留存于熔巖或已結晶的2～10公里深的巖石中,用現代技術(如向巖石鉆探)可有效予以搜集。從地殼巖石中抽取熱量并運至地表,需要熱傳遞介質。自然界是通過地下水實現這一點的。地熱庫下邊熱的熔巖將地下水加熱,熱水通過巖石中相互連接的斷層、裂縫和孔洞浮上來。斷層、裂縫和孔洞中的開放空間只占巖石體積的2%～5%,但當它們充滿了熱水并且相互連接,將形成一個多孔滲透地熱庫。

地熱水的溫度在一處與另一處可相差極大。有的地熱源可產生300℃以上的熱水,有的則產生沸點以下(在海平面水的沸點為100℃)的水。高于150℃的高溫熱源一般可用以發電,低溫熱源可直接加熱使用,如工業加工、區域供熱、溫室加熱、食品干燥和水產養殖。

二、地熱發電

地熱發電,實際上是用蒸汽動力發電。通過打井找到正在上噴的天然熱水流。由于水是從1～4公里的地下深處上來的,所以水是處在高壓下。一眼底部直徑25厘米的井每小時可生產20～80萬公斤的地熱水與蒸汽。由于水溫的不同,5～10眼井產出的蒸汽可使一個發電裝置生產出55兆瓦的電。這種發電裝置有兩類:汽輪機發電和二元發電裝置。為了供給一臺汽輪發電機蒸汽,抽出的地熱水(帶壓)在稱為閃蒸罐容器的表面釋放出來,一部分水(約占35%,取決于它的溫度)閃蒸(沸騰)為蒸汽,進入汽輪發動機進而帶動一臺發電機。渦輪的排氣用傳統冷卻塔冷卻。閃蒸罐內剩余的水在沸騰階段之后又注入熱庫邊緣的地下,它有助于維持熱庫的壓力并補充對流的水熱系統。

在二元發電裝置中,不是將熱水閃蒸為蒸汽,而是送至一臺熱交換器,用以加熱工作介質,后者通常是有機化合物,如異丁烷或異戊烷。工作介質被氣化,用氣化后的蒸汽驅動渦輪發動機,進而帶動發電機。在離開渦輪后工作介質冷凝為液體,流回熱交換器再次被氣化。地熱流體通過噴射井又回到地下,這一點與汽輪發電機中的情況很相似。由于在二元地熱發電裝置中所用的工作介質是在比水低的溫度下蒸發的,所以它的發電效率比汽輪發電機高。

三、地熱能的前景

隨著全世界對潔凈能源需求的增長,將會更多地使用地熱。全世界到處都有地熱資源,特別是在許多發展中國家尤其豐富,它們的使用可取代帶來污染的礦物燃料電站。這是非常重要的,因為一旦對礦物燃料電廠做出投資,在整個電廠的壽命期間,將會發出大氣污染流,其期限是幾十年的時間。

目前在25個國家約有8000兆瓦的地熱發電即將投入使用。此外,在菲律賓、印尼與新西蘭即將新增700兆瓦的地熱發電。到1997年末,全世界地熱發電的裝機容量為7950兆瓦。

四、我國地熱能發展現狀

(一)技術現狀

已建立了一套比較完整的地熱勘探技術方法、評價方法;地熱開發利用工程勘探、設計、施工已有資質實體;設備基本配套、國產化、有專業制造廠商;監測儀器基本完備并國產化。

(二)產業化現狀

概括全國地熱開發利用規模、技術、經濟分析研究,可以認為:

1.地熱發電產業已具有一定基礎。國內可以獨立建造3O兆瓦以上規模的地熱電站,單機可以達到10兆瓦。電站可以進行商業運行。

2.地熱供熱產業。全國已實現8OO萬平方米,在天津地區單個地熱供暖小區面積已達8O～1OO萬平方米。開發利用和科學技術水平,經濟、社會和環境效益在示范點、示范區可以達到國際90年代水平,但總體上與國際上先進水平相比尚有一定差距,目前正在由粗放轉入集約。

3.地熱鉆井產業。目前已具備施工5000米深度的地熱鉆探工程條件和水平,在華北地區,從事地熱鉆探的3200米型鉆機就有15臺套,形成全國最大的地熱鉆探群體,具備了大規模開發地熱能力,并開始朝著專業化、規范化方向發展。

4.地熱監測體系、生產與回灌體系正逐步完善和建立,但當前正處在試驗研究階段,尚沒有形成工業化運行。

5.地熱法規和標準尚需健全和完善,特別是地下、地面工程設施、施工,需盡快完善和建立技術規程和技術標準。培育專業化施工(從地下到地上)企業,建立企業標準和行業標準。

五、制約地熱能利用發展的因素

在目前的市場情況下,地熱發電在電力生產領域被局限在一個很窄的“位置”上。但只要存在著可靠的地熱,地熱能就能與小型熱力電站或內燃式發電站相競爭。這也正是熱液資源的開發利用在某些發展中國家飛速發展的原因之一。地熱資源的另一個“位置”,就是一些國家由于缺少外匯而只好依賴當地的資源(在很多情況下外國提供資金)。在美國,地熱資源勘探主要是由石油公司進行(在石油危機之后),世界其他國家的勘探工 作,則主要由聯合國開發計劃署和世界銀行那樣的國際機構提供資助。地熱發電市場的發展水平和發展速度很大程度取決于以下四個關鍵因素:

(一)與地熱資源相競爭的燃料的價格,特別是石油和天燃氣的價格

燃料價格還將繼續對地熱能資源的商業氣候產生相當大的影響,其影響波及到每一個方面,從公用部門對電力的購買率到私人投資積極性和政府對研究和開發的支持程度。

(二)對環境代價的考慮

與常規能源技術有關的很多環境代價都未計算在發電成本之內,也就是說它們并沒有完全計入這些 技術的市場價格中。然而,由于公眾的壓力,國內管理法規和國際公約的約束,能源供應的環境成本逐步內部化。由于可再生能源技術在空氣污染影響、有害廢物產生、水的利用和污染、二氧化碳的排放等方面,具有常規發電技術所不可比擬的明顯優點,因此它將獲益于使環境代價內部化的政策。地熱田所在地域通常比較偏遠,它們中有的自然風光秀麗,也有的位于沙漠中央。但無論哪種情況,幾乎都有人反對建設新發電站。當今,不產生任何污染的井口發電裝置及雙元封閉循環發電裝置仍被看作是常規的發電裝置,甚至被認為還不如常規發電裝置。因此,地熱能竟然被這些反對者看成是比煤炭或燃料油對環境造成的損害還要大的能源,實在是難以理解。

(三)未來的技術發展速度

通過開展研究,將降低能源的成本,而且也可能降低熱液田性能的不確定度,這種不確定度現在仍然制約著地熱能的快速發展(尤其是在投資風險太高的情況下)。技術改進工作應針對地熱能計劃的所有部分。

六、結語

隨著我國市場經濟的快速、穩定發展,特別是城市化程度加強和人民生活質量提高,地熱市場的需求相當強勁,如在中國北方高緯度寒冷的大慶地區,亟需大規模開發地熱,以解決城鎮供熱為主的開發利用問題,干旱的西北高原和城市地區也急需開發熱礦水以開拓市場、發展第三產業以及提高人民生活水平,改善生產、生活條件。

(作者單位:廣東省核工業地質調查院)