張宏秀

摘要:當今社會,環(huán)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(yōu)質清潔能源,具有可再生、分布廣、儲量大、清潔環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全性強和可用性強等特點。它是地球淺表層數(shù)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(fā)利用價值更大。主要采用熱泵系統(tǒng)(包括水源熱泵和地源熱泵兩種)進行開發(fā)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(xù)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(xù)不斷的熱流失率大約為42兆兆瓦(熱)。到達地表的能量多數(shù)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(fā)生火山活動的地區(qū),大量優(yōu)質熱留存于熔巖或已結晶的2～10公里深的巖石中,用現(xiàn)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(xiàn)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(fā)電,低溫熱源可直接加熱使用,如工業(yè)加工、區(qū)域供熱、溫室加熱、食品干燥和水產養(yǎng)殖。

二、地熱發(fā)電

地熱發(fā)電,實際上是用蒸汽動力發(fā)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(fā)電裝置生產出55兆瓦的電。這種發(fā)電裝置有兩類:汽輪機發(fā)電和二元發(fā)電裝置。為了供給一臺汽輪發(fā)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(fā)動機進而帶動一臺發(fā)電機。渦輪的排氣用傳統(tǒng)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(tǒng)。

在二元發(fā)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(fā)動機,進而帶動發(fā)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(fā)電機中的情況很相似。由于在二元地熱發(fā)電裝置中所用的工作介質是在比水低的溫度下蒸發(fā)的,所以它的發(fā)電效率比汽輪發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電。到1997年末,全世界地熱發(fā)電的裝機容量為7950兆瓦。

四、我國地熱能發(fā)展現(xiàn)狀

(一)技術現(xiàn)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(fā)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(yè)制造廠商;監(jiān)測儀器基本完備并國產化。

(二)產業(yè)化現(xiàn)狀

概括全國地熱開發(fā)利用規(guī)模、技術、經(jīng)濟分析研究,可以認為:

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

2.地熱供熱產業(yè)。全國已實現(xiàn)8OO萬平方米,在天津地區(qū)單個地熱供暖小區(qū)面積已達8O～1OO萬平方米。開發(fā)利用和科學技術水平,經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益在示范點、示范區(qū)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(yè)。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(qū),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(guī)模開發(fā)地熱能力,并開始朝著專業(yè)化、規(guī)范化方向發(fā)展。

4.地熱監(jiān)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(yè)化運行。

5.地熱法規(guī)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(guī)程和技術標準。培育專業(yè)化施工(從地下到地上)企業(yè),建立企業(yè)標準和行業(yè)標準。

五、制約地熱能利用發(fā)展的因素

在目前的市場情況下,地熱發(fā)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(fā)電站相競爭。這也正是熱液資源的開發(fā)利用在某些發(fā)展中國家飛速發(fā)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?shù)氐馁Y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(lián)合國開發(fā)計劃署和世界銀行那樣的國際機構提供資助。地熱發(fā)電市場的發(fā)展水平和發(fā)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(xù)對地熱能資源的商業(yè)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(fā)的支持程度。

(二)對環(huán)境代價的考慮

與常規(guī)能源技術有關的很多環(huán)境代價都未計算在發(fā)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(guī)和國際公約的約束,能源供應的環(huán)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(guī)發(fā)電技術所不可比擬的明顯優(yōu)點,因此它將獲益于使環(huán)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(fā)電站。當今,不產生任何污染的井口發(fā)電裝置及雙元封閉循環(huán)發(fā)電裝置仍被看作是常規(guī)的發(fā)電裝置,甚至被認為還不如常規(guī)發(fā)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(huán)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(fā)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(xiàn)在仍然制約著地熱能的快速發(fā)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(jīng)濟的快速、穩(wěn)定發(fā)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(qū),亟需大規(guī)模開發(fā)地熱,以解決城鎮(zhèn)供熱為主的開發(fā)利用問題,干旱的西北高原和城市地區(qū)也急需開發(fā)熱礦水以開拓市場、發(fā)展第三產業(yè)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(yè)地質調查院)