地热能的勘察评估及实际利用

张宏秀

摘要:当今社会,环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事,如何解决这一问题,已成为全人类的课题。浅层地热能是赋存在地球表层岩土体中的低温地热资源,是一种新型的优质清洁能源,具有可再生、分布广、储量大、清洁环保、经济实惠、安全性强和可用性强等特点。它是地球浅表层数百米内(<200米)的土壤岩石和地下水中所蕴藏的一种低温热能,其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。与深层地热相比,浅层地热能分布广泛、储量巨大、再生迅速、采集方便、开发利用价值更大。主要采用热泵系统(包括水源热泵和地源热泵两种)进行开发利用。

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一、何谓地热

地球的内部非常热,其地心温度大约为4000℃,热能持续不断地在流向地面,从地表辐射出去并消失在太空中。这一表面的平均热能量值为82毫瓦/米2,如果地球的表面积为5.1×1014米2,那么,这种连续不断的热流失率大约为42兆兆瓦(热)。到达地表的能量多数是很劣质的热,很少被搜集后直接使用。然而,在近百万年间发生火山活动的地区,大量优质热留存于熔岩或已结晶的2～10公里深的岩石中,用现代技术(如向岩石钻探)可有效予以搜集。从地壳岩石中抽取热量并运至地表,需要热传递介质。自然界是通过地下水实现这一点的。地热库下边热的熔岩将地下水加热,热水通过岩石中相互连接的断层、裂缝和孔洞浮上来。断层、裂缝和孔洞中的开放空间只占岩石体积的2%～5%,但当它们充满了热水并且相互连接,将形成一个多孔渗透地热库。

地热水的温度在一处与另一处可相差极大。有的地热源可产生300℃以上的热水,有的则产生沸点以下(在海平面水的沸点为100℃)的水。高于150℃的高温热源一般可用以发电,低温热源可直接加热使用,如工业加工、区域供热、温室加热、食品干燥和水产养殖。

二、地热发电

地热发电,实际上是用蒸汽动力发电。通过打井找到正在上喷的天然热水流。由于水是从1～4公里的地下深处上来的,所以水是处在高压下。一眼底部直径25厘米的井每小时可生产20～80万公斤的地热水与蒸汽。由于水温的不同,5～10眼井产出的蒸汽可使一个发电装置生产出55兆瓦的电。这种发电装置有两类:汽轮机发电和二元发电装置。为了供给一台汽轮发电机蒸汽,抽出的地热水(带压)在称为闪蒸罐容器的表面释放出来,一部分水(约占35%,取决于它的温度)闪蒸(沸腾)为蒸汽,进入汽轮发动机进而带动一台发电机。涡轮的排气用传统冷却塔冷却。闪蒸罐内剩余的水在沸腾阶段之后又注入热库边缘的地下,它有助于维持热库的压力并补充对流的水热系统。

在二元发电装置中,不是将热水闪蒸为蒸汽,而是送至一台热交换器,用以加热工作介质,后者通常是有机化合物,如异丁烷或异戊烷。工作介质被气化,用气化后的蒸汽驱动涡轮发动机,进而带动发电机。在离开涡轮后工作介质冷凝为液体,流回热交换器再次被气化。地热流体通过喷射井又回到地下,这一点与汽轮发电机中的情况很相似。由于在二元地热发电装置中所用的工作介质是在比水低的温度下蒸发的,所以它的发电效率比汽轮发电机高。

三、地热能的前景

随着全世界对洁净能源需求的增长,将会更多地使用地热。全世界到处都有地热资源,特别是在许多发展中国家尤其丰富,它们的使用可取代带来污染的矿物燃料电站。这是非常重要的,因为一旦对矿物燃料电厂做出投资,在整个电厂的寿命期间,将会发出大气污染流,其期限是几十年的时间。

目前在25个国家约有8000兆瓦的地热发电即将投入使用。此外,在菲律宾、印尼与新西兰即将新增700兆瓦的地热发电。到1997年末,全世界地热发电的装机容量为7950兆瓦。

四、我国地热能发展现状

(一)技术现状

已建立了一套比较完整的地热勘探技术方法、评价方法;地热开发利用工程勘探、设计、施工已有资质实体;设备基本配套、国产化、有专业制造厂商;监测仪器基本完备并国产化。

(二)产业化现状

概括全国地热开发利用规模、技术、经济分析研究,可以认为:

1.地热发电产业已具有一定基础。国内可以独立建造3O兆瓦以上规模的地热电站,单机可以达到10兆瓦。电站可以进行商业运行。

2.地热供热产业。全国已实现8OO万平方米,在天津地区单个地热供暖小区面积已达8O～1OO万平方米。开发利用和科学技术水平,经济、社会和环境效益在示范点、示范区可以达到国际90年代水平,但总体上与国际上先进水平相比尚有一定差距,目前正在由粗放转入集约。

3.地热钻井产业。目前已具备施工5000米深度的地热钻探工程条件和水平,在华北地区,从事地热钻探的3200米型钻机就有15台套,形成全国最大的地热钻探群体,具备了大规模开发地热能力,并开始朝着专业化、规范化方向发展。

4.地热监测体系、生产与回灌体系正逐步完善和建立,但当前正处在试验研究阶段,尚没有形成工业化运行。

5.地热法规和标准尚需健全和完善,特别是地下、地面工程设施、施工,需尽快完善和建立技术规程和技术标准。培育专业化施工(从地下到地上)企业,建立企业标准和行业标准。

五、制约地热能利用发展的因素

在目前的市场情况下,地热发电在电力生产领域被局限在一个很窄的“位置”上。但只要存在着可靠的地热,地热能就能与小型热力电站或内燃式发电站相竞争。这也正是热液资源的开发利用在某些发展中国家飞速发展的原因之一。地热资源的另一个“位置”,就是一些国家由于缺少外汇而只好依赖当地的资源(在很多情况下外国提供资金)。在美国,地热资源勘探主要是由石油公司进行(在石油危机之后),世界其他国家的勘探工 作,则主要由联合国开发计划署和世界银行那样的国际机构提供资助。地热发电市场的发展水平和发展速度很大程度取决于以下四个关键因素:

(一)与地热资源相竞争的燃料的价格,特别是石油和天燃气的价格

燃料价格还将继续对地热能资源的商业气候产生相当大的影响,其影响波及到每一个方面,从公用部门对电力的购买率到私人投资积极性和政府对研究和开发的支持程度。

(二)对环境代价的考虑

与常规能源技术有关的很多环境代价都未计算在发电成本之内,也就是说它们并没有完全计入这些 技术的市场价格中。然而,由于公众的压力,国内管理法规和国际公约的约束,能源供应的环境成本逐步内部化。由于可再生能源技术在空气污染影响、有害废物产生、水的利用和污染、二氧化碳的排放等方面,具有常规发电技术所不可比拟的明显优点,因此它将获益于使环境代价内部化的政策。地热田所在地域通常比较偏远,它们中有的自然风光秀丽,也有的位于沙漠中央。但无论哪种情况,几乎都有人反对建设新发电站。当今,不产生任何污染的井口发电装置及双元封闭循环发电装置仍被看作是常规的发电装置,甚至被认为还不如常规发电装置。因此,地热能竟然被这些反对者看成是比煤炭或燃料油对环境造成的损害还要大的能源,实在是难以理解。

(三)未来的技术发展速度

通过开展研究,将降低能源的成本,而且也可能降低热液田性能的不确定度,这种不确定度现在仍然制约着地热能的快速发展(尤其是在投资风险太高的情况下)。技术改进工作应针对地热能计划的所有部分。

六、结语

随着我国市场经济的快速、稳定发展,特别是城市化程度加强和人民生活质量提高,地热市场的需求相当强劲,如在中国北方高纬度寒冷的大庆地区,亟需大规模开发地热,以解决城镇供热为主的开发利用问题,干旱的西北高原和城市地区也急需开发热矿水以开拓市场、发展第三产业以及提高人民生活水平,改善生产、生活条件。

(作者单位:广东省核工业地质调查院)