高溫巖體地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵 技術(shù)

高溫巖體地?zé)崮芾糜蓛蓚€(gè)子系統(tǒng)組成，即地下儲(chǔ)熱層（換熱構(gòu)造）的開(kāi)發(fā)建造和熱水采出后地面發(fā)電供熱系統(tǒng)，二者都是多項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)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(chǔ)的開(kāi)發(fā)建造技術(shù)

　　首先是高溫巖體地?zé)豳Y源的勘查與選址。一般認(rèn)為其勘探難度和費(fèi)用遠(yuǎn)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(xiǎn)相對(duì)較低決定的。

　　在高溫巖體熱能勘查時(shí)，從宏觀的大地構(gòu)造角度考慮，在地?zé)崽荻群蜔崃髦递^高的地方有利于高溫巖體地?zé)岬拈_(kāi)發(fā)利用，所以應(yīng)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(nèi)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(guó)云南等地的碰撞部位；另外，大陸內(nèi)部的斷陷盆地區(qū)也是很好的選址目標(biāo)；從巖石本身的物理性質(zhì)考慮，應(yīng)選擇那些密度大、熱傳導(dǎo)率高的巖石，因此，選擇花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖類較其他的巖石（如輝長(zhǎng)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(yīng)。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(zhǎng)，其損失的熱量越多，因而應(yīng)該選擇那些生成時(shí)間較晚的花崗巖，如第三紀(jì)、第四紀(jì)凝結(jié)的花崗巖。對(duì)作為選址目標(biāo)的花崗巖體的規(guī)模和范圍，通常則采用重力勘探的辦法去發(fā)現(xiàn)和圈定。澳大利亞專家還認(rèn)為，熱巖體的勘探風(fēng)險(xiǎn)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(tǒng)濕式地?zé)幔ㄌ烊徽羝蜔崴┛碧剑ㄌ骄晒β始s10%）相比，具有非常高的成功率。

　　其次是創(chuàng)造高溫巖體地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的條件。

　　一要鉆數(shù)口深井，用于生產(chǎn)和注入水。這些井采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，類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(shù)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?zé)崮茉囼?yàn)中有代表性的是：一口注入井，一或兩口生產(chǎn)井。美國(guó)芬頓山的項(xiàng)目試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂縫區(qū)的形狀是橢圓形而不是球形，這表明沿?zé)醿?chǔ)構(gòu)造長(zhǎng)軸方向布置注入井，在注入井的兩側(cè)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(tǒng)。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(qiáng)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圍形成一個(gè)擴(kuò)展數(shù)十米的裂縫系統(tǒng)或“云狀”裂縫群，即形成“熱儲(chǔ)層”或稱“換熱構(gòu)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(chǔ)層的關(guān)鍵一步，壓裂前要作地應(yīng)力研究，了解主應(yīng)力強(qiáng)度、方位，以估計(jì)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(shè)置微震記錄儀系統(tǒng)，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，用以指示水力壓裂造成的裂縫系統(tǒng)的范圍與方位，進(jìn)而確定人工熱儲(chǔ)構(gòu)造的空間三維分布。這些信息還可用來(lái)指導(dǎo)鉆生產(chǎn)井，以便使其鉆入深層裂縫系統(tǒng)。微震監(jiān)測(cè)在以后長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中，仍可以用來(lái)監(jiān)測(cè)深層巖體熱能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。

　　有的項(xiàng)目在試驗(yàn)中，在已有熱儲(chǔ)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(chǔ)層，日本在肘折地區(qū)就是這么做的。

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

　　試驗(yàn)的目的是取得注入與采出流量、壓力、溫度等準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再推導(dǎo)出流動(dòng)阻力、注入速率與水的損失率等影響項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵性指標(biāo)。如芬頓山項(xiàng)目*期進(jìn)行了9個(gè)月的水流循環(huán)試驗(yàn)，第二期又進(jìn)行2個(gè)月的試驗(yàn)。為了探明注入井和生產(chǎn)井之間連通渠道，估計(jì)其體積大小，還要進(jìn)行示蹤劑試驗(yàn)。這些都要求通過(guò)電腦建立三維熱儲(chǔ)模型，分析上述多種測(cè)量測(cè)試數(shù)據(jù)，選擇佳操作條件，做出開(kāi)發(fā)規(guī)劃的評(píng)估、決策等。

　　芬頓山項(xiàng)目試驗(yàn)表明：一個(gè)人工熱儲(chǔ)層理想的狀態(tài)是以大的速率輸出流體，而溫度維持恒定，但這對(duì)有限尺度的人工熱儲(chǔ)層而言顯然是不可能的。提取的地?zé)崃黧w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；

　?。?）流體穿越裂縫表面和通過(guò)裂縫區(qū)域的分布；（4）巖石的熱力學(xué)特性（密度、熱容系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等）；

　?。?）流動(dòng)阻力和允許的壓力降；

　　（6）水的損失速率。

　　總之，高儲(chǔ)層溫度、低流動(dòng)阻力、巨大的儲(chǔ)層裂縫面積和連通體積是高溫巖體地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)的佳對(duì)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?zé)崮軐?shí)用化、商業(yè)化的第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

　　高溫巖體地?zé)崮芾弥饕袃纱蠓矫妫阂皇怯糜诎l(fā)電；二是直接利用（供熱與制冷）。直接利用都是常規(guī)技術(shù)，這里不再贅述。

　　像深層地?zé)岬牟沙鲋饕劳惺吞烊粴夤I(yè)的成熟技術(shù)而節(jié)約了大量技術(shù)開(kāi)發(fā)投入一樣，自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)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(zhǎng)足的進(jìn)步，高溫巖體地?zé)崮艿拈_(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(jié)約發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)投入，減少高溫巖體地?zé)犴?xiàng)目的整體投資，使其在經(jīng)濟(jì)上更快地步入具有競(jìng)爭(zhēng)力的態(tài)勢(shì)。

　　1）常規(guī)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)

　　常規(guī)地?zé)崮馨l(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(guó)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)干蒸汽地?zé)崽铮?、閃蒸蒸汽發(fā)電（也稱“擴(kuò)容”發(fā)電，我國(guó)羊八井等地?zé)犭娬緦俅祟悾┖投?jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電（我國(guó)廣東豐順地?zé)犭娬驹ǔ梢慌_(tái)試驗(yàn)機(jī)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(jí)閃蒸，組成二級(jí)閃蒸發(fā)電裝置；或者*行閃蒸，然后利用閃蒸剩余的熱水作為有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的熱源，組成閃蒸有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合發(fā)電裝置，等等。

　　高溫巖體地?zé)崮苣壳澳軌虿沙龅乃疁匾话阍?00℃以下（或稍高些），不可能利用干蒸汽發(fā)電技術(shù)。當(dāng)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(jī)組發(fā)電，其凝結(jié)水可混入閃蒸后剩余地?zé)崴刈⑷氲貙?。因?yàn)闇囟鹊?，發(fā)電效率不高。在有熱用戶的地方，也可以采用背壓汽輪發(fā)電機(jī)組，即發(fā)電又供熱。據(jù)吳治堅(jiān)主編的《新能源和可再生能源的利用》所介紹的日本有的150℃熱能即可開(kāi)發(fā)，美國(guó)有的專家認(rèn)為200℃的熱能才有商業(yè)價(jià)值。

　　2）有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)

　　有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)是一項(xiàng)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(jí)工質(zhì)（通常采用有機(jī)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(jī)膨脹做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；膨脹后的蒸汽經(jīng)冷卻（水冷或空冷）凝結(jié)成有機(jī)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?zé)崴ㄒ话阍?0℃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(jí)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?zé)崴?。羅馬尼亞的奧拉達(dá)(Oradea)大學(xué)1984年就曾建成一套容量100kW的這樣的試驗(yàn)裝置，并在其后設(shè)計(jì)完成了另外兩套先導(dǎo)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(yùn)行情況良好。

　　雖然，以二氧化碳為工質(zhì)的二級(jí)循環(huán)發(fā)電裝置實(shí)際利用的地?zé)崴疁氐陀?00℃，但二氧化碳運(yùn)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(dāng)可觀，也許因此再?zèng)]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(guó)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(jí)循環(huán)技術(shù)，在世界各國(guó)注冊(cè)了（1 9 9 7 年在我國(guó)注冊(cè)的號(hào)為C N 9 7 1 0 4 9 7 6 . 9），并在美國(guó)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?zé)崴訜?，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?zé)崴訜?，圖中未示出）過(guò)熱后，進(jìn)入渦輪機(jī)膨脹做功。

　　分離器出來(lái)的貧氨液經(jīng)貧液回?zé)崞骼鋮s，再經(jīng)節(jié)流后與渦輪機(jī)排出的富氨蒸汽混合吸收氨氣，氨濃度恢復(fù)。然后經(jīng)回?zé)崞鳌⒗淠鳎ㄋ浠蚩绽洌├鋮s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)*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?zé)崴疁囟冉档偷倪^(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(tǒng)效率；（2）貧氨液體與渦輪機(jī)排出的富氨蒸汽混合，是一種吸收過(guò)程，強(qiáng)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(tǒng)效率。這樣，卡里納循環(huán)的系統(tǒng)效率，可以比有機(jī)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(tǒng)效率，蒸發(fā)器（包括過(guò)熱器）、分離器和回?zé)崞骺梢苑譃槎嗉?jí)，使地?zé)崴疁囟冉档瓦^(guò)程與工質(zhì)的升溫過(guò)程更加匹配，熱量在內(nèi)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(tǒng)。

　　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(jī)排汽為正壓，沒(méi)有真空操作，也就沒(méi)有大流通斷面的設(shè)備和抽氣系統(tǒng)。設(shè)備體積緊湊，節(jié)約了投資。

　　系統(tǒng)處于中壓和低壓運(yùn)行狀態(tài)，沒(méi)有高壓部件。系統(tǒng)內(nèi)所用的都是常規(guī)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(jī)不需要特殊的設(shè)計(jì)，只需要把原來(lái)的迷宮式密封改為機(jī)械密封，并采用氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)。

　　● 可以根據(jù)地?zé)崴屠鋮s條件調(diào)整氨濃度，達(dá)到佳系統(tǒng)效率。

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

　　注意事項(xiàng)：

　　● 氨有毒性，但人類在農(nóng)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(yù)防經(jīng)驗(yàn)。

　　● 氨對(duì)銅有腐蝕性，系統(tǒng)中接觸氨的部件要避免使用銅材料。

　　● 需要一套氨儲(chǔ)備系統(tǒng)，以便按需要調(diào)整工質(zhì)的氨濃度。

　　卡里納循環(huán)可以用于所有燃料、地?zé)嵩椿蛴酂?。有效能公司預(yù)言，采用卡里納技術(shù)，地?zé)岚l(fā)電裝置的效率可能快速提高50%，而燃煤發(fā)電裝置運(yùn)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(xiàng)技術(shù)的熱電轉(zhuǎn)換比一般熱電廠蒸汽輪機(jī)發(fā)電要低很多，并大大低于燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的溫度，相比之下它是“低”溫?zé)崮馨l(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?zé)岚l(fā)電，還可以用于高溫地?zé)岚l(fā)電，甚至用于中溫溫泉水發(fā)電，對(duì)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(zhuǎn)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(jí)利用的工作做好了，將發(fā)揮更加顯著的效果。

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