高温岩体地热能开发利用的关键技术

  高温岩体地热能利用由两个子系统组成，即地下储热层（换热构造）的开发建造和热水采出后地面发电供热系统，二者都是多项技术的综合应用和集成，其中关键性技术的突破是岩体热能利用成功与否的决定因素。

 

  1.地下热储的开发建造技术

 

  首先是高温岩体地热资源的勘查与选址。一般认为其勘探难度和费用远小于天然热水或石油和天然气的勘探。这是由于其不确定性和风险相对较低决定的。

 

  在高温岩体热能勘查时，从宏观的大地构造角度考虑，在地热梯度和热流值较高的地方最有利于高温岩体地热的开发利用，所以应选择那些板块碰撞地带，包括海洋板块和大陆板块的碰撞带，如日本群岛和美洲的安第斯陆缘弧；在大陆内部，大陆和大陆板块之间的碰撞带也是热干岩发育良好的部位，如印度板块和欧亚板块在喜马拉雅山和我国云南等地的碰撞部位；另外，大陆内部的断陷盆地区也是很好的选址目标；从岩石本身的物理性质考虑，应选择那些密度大、热传导率高的岩石，因此，选择花岗岩和花岗闪长岩类较其他的岩石（如辉长岩、玄武岩类）要好得多。花岗岩本身含有较高浓度的放射性元素，这些元素在不断地蜕变并释放出热量，从而增加了岩体中热能的供应。在选址时，还要注意的另一个要素，即花岗岩生成的年龄，一般花岗岩生成的时间越长，其损失的热量越多，因而应该选择那些生成时间较晚的花岗岩，如第三纪、第四纪凝结的花岗岩。对作为选址目标的花岗岩体的规模和范围，通常则采用重力勘探的办法去发现和圈定。澳大利亚专家还认为，热岩体的勘探风险性与典型的石油勘探（探井的成功率大约5%）以及典型的传统湿式地热（天然蒸汽和热水）勘探（探井成功率约10%）相比，具有非常高的成功率。

 

  其次是创造高温岩体地热资源开发利用的条件。

 

  一要钻数口深井，用于生产和注入水。这些井采用常规旋转钻井技术，类似于石油天然气勘探开发中所用的钻井技术；井的总数以及生产井与注入井的比例视各地具体情况而异。迄今高温岩体地热能试验中有代表性的是：一口注入井，一或两口生产井。美国芬顿山的项目试验发现，裂缝区的形状是椭圆形而不是球形，这表明沿热储构造长轴方向布置注入井，在注入井的两侧各钻一口生产井是比较合理的配置。一个如此“三井组合”，如果有足够大的流量和足够高的温度，将能够维持约5MW 容量的发电装置。

 

  二要进行水力压裂以形成裂缝系统。水力压裂方式与油气井压裂相似，入井的高压水流使岩层中原有的微小裂缝强行张开，也可以产生新的裂缝，这样便在被压井井筒的周围形成一个扩展数十米的裂缝系统或“云状”

 

  裂缝群，即形成“热储层”或称“换热构造”，其功能是使热输送媒体水与大面积的岩石表面接触，吸取热量，并把热量带到地面上来。

 

  压裂是建造热储层的关键一步，压裂前要作地应力研究，了解主应力强度、方位，以估计压裂所产生裂缝的性状。在进行压裂时要在井附近钻一个浅孔，设置微震记录仪系统，在压裂作业时通过高精度地震检波器收集声波信息，经处理后反演解释，用以指示水力压裂造成的裂缝系统的范围与方位，进而确定人工热储构造的空间三维分布。这些信息还可用来指导钻生产井，以便使其钻入深层裂缝系统。微震监测在以后长期生产过程中，仍可以用来监测深层岩体热能系统的运行寿命。

 

  有的项目在试验中，在已有热储层以上，在原井上部还可以再开发第二个或第三个热储层，日本在肘折地区就是这么做的。

 

  三要进行水流循环试验和模拟模型研究。在建造热储层过程及随后的生产中，都要认真进行水流循环试验。

 

  试验的目的是取得注入与采出流量、压力、温度等准确的动态变化基础数据，再推导出流动阻力、注入速率与水的损失率等影响项目成败的关键性指标。如芬顿山项目第一期进行了9个月的水流循环试验，第二期又进行2个月的试验。为了探明注入井和生产井之间连通渠道，估计其体积大小，还要进行示踪剂试验。这些都要求通过电脑建立三维热储模型，分析上述多种测量测试数据，选择最佳操作条件，做出开发规划的评估、决策等。

  芬顿山项目试验表明：一个人工热储层最理想的状态是以最大的速率输出流体，而温度维持恒定，但这对有限尺度的人工热储层而言显然是不可能的。提取的地热流体的温度主要取决于如下因素：

 

  （1）连通的裂缝表面积和岩体体积；

 

  （2）产出流体的质量流量；

 

  （3）流体穿越裂缝表面和通过裂缝区域的分布；（4）岩石的热力学特性（密度、热容系数、热传导系数等）；

 

  （5）流动阻力和允许的压力降；

 

  （6）水的损失速率。

 

  总之，高储层温度、低流动阻力、巨大的储层裂缝面积和连通体积是高温岩体地热能开发的最佳对象。

  2.地面利用技术

 

  如何更有效地利用从地层深处采出的热能，是高温岩体地热能实用化、商业化的第二个关键问题。

 

  高温岩体地热能利用主要有两大方面：一是用于发电；二是直接利用（供热与制冷）。直接利用都是常规技术，这里不再赘述。

 

  像深层地热的采出主要依托石油天然气工业的成熟技术而节约了大量技术开发投入一样，自20世纪70年代能源危机以来，低温“废热”的利用日益受到重视，利用这些低温（200℃以下）热能发电的技术也有长足的进步，高温岩体地热能的开发利用技术也可以依托已经开发成功或正在开发中的低温发电技术，从而大大节约发电技术的开发投入，减少高温岩体地热项目的整体投资，使其在经济上更快地步入具有竞争力的态势。

 

  1）常规地热发电技术

 

  常规地热能发电主要有三种基本技术，即：干蒸汽发电（世界上很少，我国还没有发现干蒸汽地热田）、闪蒸蒸汽发电（也称“扩容”发电，我国羊八井等地热电站属此类）和二级有机朗肯循环发电（我国广东丰顺地热电站曾建成一台试验机组，效率很低）。为了提高发电效率，也可以把采出的高温高压水进行二级闪蒸，组成二级闪蒸发电装置；或者先进行闪蒸，然后利用闪蒸剩余的热水作为有机朗肯循环发电的热源，组成闪蒸有机朗肯循环联合发电装置，等等。

 

  高温岩体地热能目前能够采出的水温一般在200℃以下（或稍高些），不可能利用干蒸汽发电技术。当产出水温在180℃以上时，可考虑采用闪蒸发电技术。闪蒸出的水蒸气可以用凝汽式汽轮发电机组发电，其凝结水可混入闪蒸后剩余地热水回注入地层。因为温度低，发电效率不高。在有热用户的地方，也可以采用背压汽轮发电机组，即发电又供热。据吴治坚主编的《新能源和可再生能源的利用》所介绍的日本有专家推荐的150℃热能即可开发，美国有的专家认为200℃的热能才有商业价值。

 

  2）有机朗肯循环发电技术

 

  有机朗肯循环技术是一项成熟的技术。它是利用采出的热水，通过换热器（蒸发器）把一种低沸点的单一二级工质（通常采用有机化合物，如异丁烷、异戊烷、氨等）加热，使其蒸发成蒸汽，产生的蒸汽通过涡轮机膨胀做功，驱动发电机发电；膨胀后的蒸汽经冷却（水冷或空冷）凝结成有机液体，再用泵送入蒸发器汽化，然后进入下一循环（图9）。从换热器出来的地热水（一般在80℃以下）可直接回注入地层，在有合适热用户的地方，也可以用它供热。

 

  二级工质曾经使用过二氧化碳，它可以利用温度更低的地热水。罗马尼亚的奥拉达(Oradea)大学1984年就曾建成一套容量100kW的这样的试验装置，并在其后设计完成了另外两套先导性装置；一套2250kW，于1986年建成；而另一套1MW，1988年完成。

 

  两套装置运行情况良好。

 

  虽然，以二氧化碳为工质的二级循环发电装置实际利用的地热水温低于100℃，但二氧化碳运行压力很高，换热器必须采用承压能力高的管壳式换热器，投资相当可观，也许因此再没有受到业界的重视。

 

  3）卡里纳循环发电技术

 

  1988年，移居美国的俄罗斯人亚历山大·卡里纳，发明了采用氨—水混合工质的二级循环技术，在世界各国注册了专利（1 9 9 7 年在我国注册的专利号为C N 9 7 1 0 4 9 7 6 . 9），并在美国旧金山建立了有效能（Exergy）公司。

 

  氨—水混合物在蒸发器（锅炉）里经地热水加热，氨的沸点低，先汽化，有少量的水随后汽化。汽液混合物经分离器分离，分离出的蒸汽（富含氨）经过热器（用地热水加热，图中未示出）过热后，进入涡轮机膨胀做功。

 

  分离器出来的贫氨液经贫液回热器冷却，再经节流后与涡轮机排出的富氨蒸汽混合吸收氨气，氨浓度恢复。然后经回热器、冷凝器（水冷或空冷）冷却成液体，再经深液泵升压进入下一轮循环。这种循环先进的地方在于：

 

  （1）混合液加热蒸发过程中温度是变化的，其温度逐渐升高的过程比较好地与地热水温度降低的过程相匹配（见图13），因此缩小了换热温差，避免了换热过程过大的熵增加，提高了系统效率；（2）贫氨液体与涡轮机排出的富氨蒸汽混合，是一种吸收过程，强化了换热，使冷凝过程也在变化的温度下进行，同样减少了熵的增加，提高了系统效率。这样，卡里纳循环的系统效率，可以比有机朗肯循环高20%～40%（见图14、图15）。实际上，卡里纳循环是一种融入了吸收工艺的混合工质朗肯循环。

 

  为了进一步提高系统效率，蒸发器（包括过热器）、分离器和回热器可以分为多级，使地热水温度降低过程与工质的升温过程更加匹配，热量在内部循环得更多，冷却水带走的热量更少。按照使用需要，可以衍生出很多实用的系统。

 

  卡里纳循环的其他好处还有：

 

  与凝汽式水蒸气循环相比，涡轮机排汽为正压，没有真空操作，也就没有大流通断面的设备和抽气系统。设备体积紧凑，节约了投资。

 

  系统处于中压和低压运行状态，没有高压部件。系统内所用的都是常规部件。可以采用性能价格比更好的板式换热器。

 

  ● 氨和水的热力学性能相近，涡轮机不需要特殊的设计，只需要把原来的迷宫式密封改为机械密封，并采用氮气密封系统。

 

  ● 可以根据地热水和冷却条件调整氨浓度，达到最佳系统效率。

 

  ● 没有环境问题，氨的全球变暖功能和臭氧层消耗功能都为零。

 

  注意事项：

 

  ● 氨有毒性，但人类在农业领域和工业制冷领域，已有上百年的使用历史，积累了充分的预防经验。

 

  ● 氨对铜有腐蚀性，系统中接触氨的部件要避免使用铜材料。

 

  ● 需要一套氨储备系统，以便按需要调整工质的氨浓度。

 

  卡里纳循环可以用于所有燃料、地热源或余热。有效能公司预言，采用卡里纳技术，地热发电装置的效率可能快速提高50%，而燃煤发电装置运行的有效性将提高20% 以上。

 

  世界上已经建成和在建的卡里纳发电装置正在迅速发展。由于使用此项技术的热电转换比一般热电厂蒸汽轮机发电要低很多，并大大低于燃气轮机的燃气蒸汽联合循环的温度，相比之下它是“低”温热能发电技术。卡里纳循环技术（确切地说它是氨—水混合工质循环技术）不仅可用于热干岩体地热发电，还可以用于高温地热发电，甚至用于中温温泉水发电，对世界上日常排放的“废热”，包括石油炼制和化工业排放的大量废热以及冶金、建材、制药、食品工业产生的液体和气体的废热，也能转化为电力资源，它将热、电、冷的联合循环开辟新的领域。如果我们把能源梯级利用的工作做好了，将发挥更加显著的效果。