張宏秀

摘要:當(dāng)今社會(huì),環(huán)境污染和能源危機(jī)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?zé)崮苁琴x存在地球表層巖土體中的低溫地?zé)豳Y源,是一種新型的優(yōu)質(zhì)清潔能源,具有可再生、分布廣、儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全性強(qiáng)和可用性強(qiáng)等特點(diǎn)。它是地球淺表層數(shù)百米內(nèi)(<200米)的土壤巖石和地下水中所蘊(yùn)藏的一種低溫?zé)崮?其能量主要來源于太陽(yáng)輻射和地球梯度增溫。與深層地?zé)嵯啾?淺層地?zé)崮芊植紡V泛、儲(chǔ)量巨大、再生迅速、采集方便、開發(fā)利用價(jià)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(jìn)行開發(fā)利用。

關(guān)鍵字:地?zé)?勘察評(píng)估 利用

一、何謂地?zé)?/p>

地球的內(nèi)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(dá)地表的能量多數(shù)是很劣質(zhì)的熱,很少被搜集后直接使用。然而,在近百萬(wàn)年間發(fā)生火山活動(dòng)的地區(qū),大量?jī)?yōu)質(zhì)熱留存于熔巖或已結(jié)晶的2～10公里深的巖石中,用現(xiàn)代技術(shù)(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(yùn)至地表,需要熱傳遞介質(zhì)。自然界是通過地下水實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的。地?zé)釒?kù)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(dāng)它們充滿了熱水并且相互連接,將形成一個(gè)多孔滲透地?zé)釒?kù)。

地?zé)崴臏囟仍谝惶幣c另一處可相差極大。有的地?zé)嵩纯僧a(chǎn)生300℃以上的熱水,有的則產(chǎn)生沸點(diǎn)以下(在海平面水的沸點(diǎn)為100℃)的水。高于150℃的高溫?zé)嵩匆话憧捎靡园l(fā)電,低溫?zé)嵩纯芍苯蛹訜崾褂?如工業(yè)加工、區(qū)域供熱、溫室加熱、食品干燥和水產(chǎn)養(yǎng)殖。

二、地?zé)岚l(fā)電

地?zé)岚l(fā)電,實(shí)際上是用蒸汽動(dòng)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(shí)可生產(chǎn)20～80萬(wàn)公斤的地?zé)崴c蒸汽。由于水溫的不同,5～10眼井產(chǎn)出的蒸汽可使一個(gè)發(fā)電裝置生產(chǎn)出55兆瓦的電。這種發(fā)電裝置有兩類:汽輪機(jī)發(fā)電和二元發(fā)電裝置。為了供給一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽,抽出的地?zé)崴?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(jìn)入汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)。渦輪的排氣用傳統(tǒng)冷卻塔冷卻。閃蒸罐內(nèi)剩余的水在沸騰階段之后又注入熱庫(kù)邊緣的地下,它有助于維持熱庫(kù)的壓力并補(bǔ)充對(duì)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(tái)熱交換器,用以加熱工作介質(zhì),后者通常是有機(jī)化合物,如異丁烷或異戊烷。工作介質(zhì)被氣化,用氣化后的蒸汽驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。在離開渦輪后工作介質(zhì)冷凝為液體,流回?zé)峤粨Q器再次被氣化。地?zé)崃黧w通過噴射井又回到地下,這一點(diǎn)與汽輪發(fā)電機(jī)中的情況很相似。由于在二元地?zé)岚l(fā)電裝置中所用的工作介質(zhì)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(jī)高。

三、地?zé)崮艿那熬?/p>

隨著全世界對(duì)潔凈能源需求的增長(zhǎng),將會(huì)更多地使用地?zé)帷Ｈ澜绲教幎加械責(zé)豳Y源,特別是在許多發(fā)展中國(guó)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?yàn)橐坏?duì)礦物燃料電廠做出投資,在整個(gè)電廠的壽命期間,將會(huì)發(fā)出大氣污染流,其期限是幾十年的時(shí)間。

目前在25個(gè)國(guó)家約有8000兆瓦的地?zé)岚l(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?zé)岚l(fā)電。到1997年末,全世界地?zé)岚l(fā)電的裝機(jī)容量為7950兆瓦。

四、我國(guó)地?zé)崮馨l(fā)展現(xiàn)狀

(一)技術(shù)現(xiàn)狀

已建立了一套比較完整的地?zé)峥碧郊夹g(shù)方法、評(píng)價(jià)方法;地?zé)衢_發(fā)利用工程勘探、設(shè)計(jì)、施工已有資質(zhì)實(shí)體;設(shè)備基本配套、國(guó)產(chǎn)化、有專業(yè)制造廠商;監(jiān)測(cè)儀器基本完備并國(guó)產(chǎn)化。

(二)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

概括全國(guó)地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)模、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析研究,可以認(rèn)為:

1.地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)已具有一定基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)可以獨(dú)立建造3O兆瓦以上規(guī)模的地?zé)犭娬?單機(jī)可以達(dá)到10兆瓦。電站可以進(jìn)行商業(yè)運(yùn)行。

2.地?zé)峁岙a(chǎn)業(yè)。全國(guó)已實(shí)現(xiàn)8OO萬(wàn)平方米,在天津地區(qū)單個(gè)地?zé)峁┡^(qū)面積已達(dá)8O～1OO萬(wàn)平方米。開發(fā)利用和科學(xué)技術(shù)水平,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益在示范點(diǎn)、示范區(qū)可以達(dá)到國(guó)際90年代水平,但總體上與國(guó)際上先進(jìn)水平相比尚有一定差距,目前正在由粗放轉(zhuǎn)入集約。

3.地?zé)徙@井產(chǎn)業(yè)。目前已具備施工5000米深度的地?zé)徙@探工程條件和水平,在華北地區(qū),從事地?zé)徙@探的3200米型鉆機(jī)就有15臺(tái)套,形成全國(guó)最大的地?zé)徙@探群體,具備了大規(guī)模開發(fā)地?zé)崮芰?并開始朝著專業(yè)化、規(guī)范化方向發(fā)展。

4.地?zé)岜O(jiān)測(cè)體系、生產(chǎn)與回灌體系正逐步完善和建立,但當(dāng)前正處在試驗(yàn)研究階段,尚沒有形成工業(yè)化運(yùn)行。

5.地?zé)岱ㄒ?guī)和標(biāo)準(zhǔn)尚需健全和完善,特別是地下、地面工程設(shè)施、施工,需盡快完善和建立技術(shù)規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。培育專業(yè)化施工(從地下到地上)企業(yè),建立企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

五、制約地?zé)崮芾冒l(fā)展的因素

在目前的市場(chǎng)情況下,地?zé)岚l(fā)電在電力生產(chǎn)領(lǐng)域被局限在一個(gè)很窄的“位置”上。但只要存在著可靠的地?zé)?地?zé)崮芫湍芘c小型熱力電站或內(nèi)燃式發(fā)電站相競(jìng)爭(zhēng)。這也正是熱液資源的開發(fā)利用在某些發(fā)展中國(guó)家飛速發(fā)展的原因之一。地?zé)豳Y源的另一個(gè)“位置”,就是一些國(guó)家由于缺少外匯而只好依賴當(dāng)?shù)氐馁Y源(在很多情況下外國(guó)提供資金)。在美國(guó),地?zé)豳Y源勘探主要是由石油公司進(jìn)行(在石油危機(jī)之后),世界其他國(guó)家的勘探工 作,則主要由聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署和世界銀行那樣的國(guó)際機(jī)構(gòu)提供資助。地?zé)岚l(fā)電市場(chǎng)的發(fā)展水平和發(fā)展速度很大程度取決于以下四個(gè)關(guān)鍵因素:

(一)與地?zé)豳Y源相競(jìng)爭(zhēng)的燃料的價(jià)格,特別是石油和天燃?xì)獾膬r(jià)格

燃料價(jià)格還將繼續(xù)對(duì)地?zé)崮苜Y源的商業(yè)氣候產(chǎn)生相當(dāng)大的影響,其影響波及到每一個(gè)方面,從公用部門對(duì)電力的購(gòu)買率到私人投資積極性和政府對(duì)研究和開發(fā)的支持程度。

(二)對(duì)環(huán)境代價(jià)的考慮

與常規(guī)能源技術(shù)有關(guān)的很多環(huán)境代價(jià)都未計(jì)算在發(fā)電成本之內(nèi),也就是說它們并沒有完全計(jì)入這些 技術(shù)的市場(chǎng)價(jià)格中。然而,由于公眾的壓力,國(guó)內(nèi)管理法規(guī)和國(guó)際公約的約束,能源供應(yīng)的環(huán)境成本逐步內(nèi)部化。由于可再生能源技術(shù)在空氣污染影響、有害廢物產(chǎn)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(shù)所不可比擬的明顯優(yōu)點(diǎn),因此它將獲益于使環(huán)境代價(jià)內(nèi)部化的政策。地?zé)崽锼诘赜蛲ǔ１容^偏遠(yuǎn),它們中有的自然風(fēng)光秀麗,也有的位于沙漠中央。但無(wú)論哪種情況,幾乎都有人反對(duì)建設(shè)新發(fā)電站。當(dāng)今,不產(chǎn)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(rèn)為還不如常規(guī)發(fā)電裝置。因此,地?zé)崮芫谷槐贿@些反對(duì)者看成是比煤炭或燃料油對(duì)環(huán)境造成的損害還要大的能源,實(shí)在是難以理解。

(三)未來的技術(shù)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?zé)崮艿目焖侔l(fā)展(尤其是在投資風(fēng)險(xiǎn)太高的情況下)。技術(shù)改進(jìn)工作應(yīng)針對(duì)地?zé)崮苡?jì)劃的所有部分。

六、結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速、穩(wěn)定發(fā)展,特別是城市化程度加強(qiáng)和人民生活質(zhì)量提高,地?zé)崾袌?chǎng)的需求相當(dāng)強(qiáng)勁,如在中國(guó)北方高緯度寒冷的大慶地區(qū),亟需大規(guī)模開發(fā)地?zé)?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(chǎng)、發(fā)展第三產(chǎn)業(yè)以及提高人民生活水平,改善生產(chǎn)、生活條件。

(作者單位:廣東省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院)