PRODUCT CLASSIFICATION
產(chǎn)品分類工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)
高溫巖體地?zé)崮荛_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_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巖類較其他的巖石(如輝長巖、玄武巖類)要好得多?;◢弾r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,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,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。
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)測在以后長期生產(chǎn)過程中,仍可以用來監(jiān)測深層巖體熱能系統(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)。這些都要求通過電腦建立三維熱儲(chǔ)模型,分析上述多種測量測試數(shù)據(jù),選擇優(yōu)操作條件,做出開發(fā)規(guī)劃的評估、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;
?。?)產(chǎn)出流體的質(zhì)量流量;
?。?)流體穿越裂縫表面和通過裂縫區(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;
?。?)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_發(fā)的優(yōu)對象。
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)開發(fā)投入一樣,自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來,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)也有長足的進(jìn)步,高溫巖體地?zé)崮艿拈_發(fā)利用技術(shù)也可以依托已經(jīng)開發(fā)成功或正在開發(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爭力的態(tài)勢。
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,我國還沒有發(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,我國羊八井等地?zé)犭娬緦俅祟悾┖投売袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電(我國廣東豐順地?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)行二級閃蒸,組成二級閃蒸發(fā)電裝置;或者先進(jìn)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℃熱能即可開發(fā),美國有的專家認(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,通過換熱器(蒸發(fā)器)把一種低沸點(diǎn)的單一二級工質(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。
二級工質(zhì)曾經(jīng)使用過二氧化碳,它可以利用溫度更低的地?zé)崴A_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)的二級循環(huán)技術(shù),在世界各國注冊了(1 9 9 7 年在我國注冊的號(hào)為C N 9 7 1 0 4 9 7 6 . 9),并在美國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)很低,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)過熱器(用地?zé)崴訜?,圖中未示出)過熱后,進(jìn)入渦輪機(jī)膨脹做功。
分離器出來的貧氨液經(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?、冷凝器(水冷或空冷)冷卻成液體,再經(jīng)深液泵升壓進(jìn)入下一輪循環(huán)。這種循環(huán)先進(jìn)的地方在于:
?。?)混合液加熱蒸發(fā)過程中溫度是變化的,其溫度逐漸升高的過程比較好地與地?zé)崴疁囟冉档偷倪^程相匹配(見圖13),因此縮小了換熱溫差,避免了換熱過程過大的熵增加,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,是一種吸收過程,強(qiáng)化了換熱,使冷凝過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(包括過熱器)、分離器和回?zé)崞骺梢苑譃槎嗉?,使地?zé)崴疁囟冉档瓦^程與工質(zhì)的升溫過程更加匹配,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,沒有真空操作,也就沒有大流通斷面的設(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)到優(yōu)系統(tǒng)效率。
● 沒有環(huán)境問題,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)。卡里納循環(huán)技術(shù)(確切地說它是氨—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)開辟新的領(lǐng)域。如果我們把能源梯級利用的工作做好了,將發(fā)揮更加顯著的效果。
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