邢倩 白晉宏 李曉輝

摘要：近年來，在鉆井、壓裂、微地震預測、數(shù)值模擬等方面的技術(shù)取得了極大地進步，干熱巖地熱能商業(yè)化開發(fā)利用已經(jīng)成為可能。國外EGS項目的實踐已有40多年的歷史，科學評估EGS項目的風險、不確定性和經(jīng)濟性成為能否商業(yè)化的關(guān)鍵問題。因此，歐洲和美國分別開發(fā)了具有代表性的EURONAUT和GEOPHIRES軟件包供科研和工程人員對EGS項目進行技術(shù)經(jīng)濟分析?；诿绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇遥∟REL）2018年2月發(fā)布的更新報告，通過文獻分析，介紹了EGS技術(shù)經(jīng)濟仿真工具GEOPHIRES v2.0的框架、參數(shù)體系和特性，并在兩種不同類型EGS項目中進行了應(yīng)用研究。使用GEOPHIRES工具一方面對于分析研究中國干熱巖地熱能開發(fā)與利用的關(guān)鍵影響因素和完善技術(shù)經(jīng)濟評價理論與方法具有借鑒作用;另一方面，對于開發(fā)編制適應(yīng)中國國情和資源特點的干熱巖項目技術(shù)經(jīng)濟仿真軟件具有重要的指導意義。

關(guān)鍵詞：干熱巖;EGS;技術(shù)經(jīng)濟評價;GEOPHIRES;仿真工具

中圖分類號：F062.4;TP-9? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）02-0115-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.02.026? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

2012—2014年，美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)了一種深層地熱能源系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟仿真計算機軟件GEOPHIRES[1]。GEOPHIRES是Geothermal Energy for the Production of Heat and Electricity（“IR”）Economically Simulated的首字母縮寫，“IR”表示電流和電阻，指的是電力模式。該仿真工具結(jié)合熱儲、井眼和地面電廠模型來計算整個電廠生命周期產(chǎn)生的熱量和電力輸出，并通過資本、運營維護（O&M;）成本關(guān)聯(lián)項以及經(jīng)濟生命周期模型來估算不同的終端利用方式（如直接利用、發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)）所需投資和電力（熱量）的平準化成本（LCOE和LCOH）。

為評估一座地熱電廠的技術(shù)經(jīng)濟性能，GEOPHIRES中給出了各類情景的模擬，包括新建電廠的選址、資源最優(yōu)利用方式的選擇、不同能源的比較、地下參數(shù)（如滲透性、地熱梯度和熱儲體積）和內(nèi)在的不確定性建模和敏感性分析、開發(fā)最優(yōu)熱儲管理的策略、使用歷史運行數(shù)據(jù)進行預測，或預測系統(tǒng)升級對未來收益的影響（如鉆一口新井、儲層激發(fā)或者替換熱交換器）。其他技術(shù)經(jīng)濟評價可以模擬深層地熱能系統(tǒng)，如地熱能技術(shù)評價模型（GETEM）[2]和干熱巖經(jīng)濟（HDRec）模型[3]。然而，早先的經(jīng)濟評價模型主要集中于地熱發(fā)電，不具備評估諸如區(qū)域供熱系統(tǒng)或者工業(yè)處理或者熱電聯(lián)產(chǎn)等其他利用方式的能力，而GEOPHIRES實現(xiàn)了這些功能。

GEOPHIRES在2017—2018年進行了升級，模型中鉆井、勞動力和地面電廠成本相關(guān)項已經(jīng)更新，使之能反映當前的趨勢;源代碼已經(jīng)從Fortran（77、90）轉(zhuǎn)換為Python，以增強代碼的可讀性，為外部開發(fā)者的編程提供便利;源代碼的重構(gòu)也允許實施新的功能，如高級時間步長控制和耦合外部熱儲模擬器等。為解讀GEOPHIRES，本研究從GEOPHIRES的開發(fā)歷程入手，介紹了GEOPHIRES的模型結(jié)構(gòu)以及GEOPHIRES v2.0的更新內(nèi)容，并給出GEOPHIRES的應(yīng)用案例，證明GEOPHIRES及其功能[4]。

1? GEOPHIRES仿真工具概述

1.1? GEOPHIRES的開發(fā)歷程

GEOPHIRES v1.0版本是在Jefferson William Tester及其合作者前期的研究成果和開發(fā)的模型基礎(chǔ)上演化而來的，時間可以追溯到20世紀70年代在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）開展的芬頓山干熱巖（HDR）項目[1]。Armstead等在《Heat Mining》書中詳細介紹了該項目中的熱經(jīng)濟HDR模型。在20世紀80年代末期，HDR模型被升級為MIT-HDR模型[5]，到了90年代，該模型又被修改為一個Windows版本，使其更廣泛地為地熱界所使用[6]。該模型正式為人所知是在著名的“地熱能的未來”報告中使用的MIT-EGS模型[7]。

2012—2014年，MIT-EGS模型被康奈爾大學研究團隊的其他成員修改后開發(fā)了GEOPHIRES（v1.0）。除了納入電力生產(chǎn)（直接使用和熱電聯(lián)產(chǎn)）之外的不同最終用途之外，還更新了內(nèi)置資本和運維成本的相關(guān)項，并實現(xiàn)了新的經(jīng)濟模型（標準貼現(xiàn)平準化成本模型）、熱儲模型（百分比熱衰減模型）和井孔模型（Ramey傳熱模型）。使用GEOPHIRES（v1.0）工具的其他案例包括紐約和賓夕法尼亞州的深層地熱區(qū)域供熱系統(tǒng)潛力分析[8]、康納爾大學[9]以及該校一個混合地熱-生物質(zhì)能的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行的評價[10]。

GEOPHIRES軟件的開發(fā)演化過程[11]。

1.2? GEOPHIRES的模型結(jié)構(gòu)

顯示的是更新的GEOPHIRES v2.0的操作方案，這些組成部分中模擬熱儲、井筒和電廠的成本和經(jīng)濟模型，通過Python語言進行了實現(xiàn)。

GEOPHIRES v2.0需要輸入約6大類共80個參數(shù)：資源參數(shù)、工程參數(shù)、熱儲參數(shù)、財務(wù)和運行參數(shù)、資本成本參數(shù)以及運維成本參數(shù)。如果用戶未提供某個參數(shù)，軟件會提供一個默認值。根據(jù)所選擇的利用類型，默認的技術(shù)經(jīng)濟評價輸出結(jié)果為LCOE（以￠/kWhe為單位）和LCOH（以￥/MMTBU為單位）。為方便地提供輸入?yún)?shù)和讀取輸出結(jié)果，系統(tǒng)提供了支持Windows的圖形用戶界面（GUI，使用VB9.0編寫）。GUI和Python代碼之間通過一個輸入文件和輸出文件（.txt文本文件）進行通訊。用戶可以繞過GUI執(zhí)行批處理，如以優(yōu)化為目的的仿真、蒙特卡洛統(tǒng)計分析或參數(shù)敏感性分析。GEOPHIRES v2.0還具有繞過內(nèi)置的熱儲模型和從一個外部熱儲模擬器或?qū)嶋H電廠數(shù)據(jù)讀取溫度曲線的選項。

1.3? GEOPHIRES v2.0的更新內(nèi)容

GEOPHIRES v2.0的模型結(jié)構(gòu)、內(nèi)置熱儲模型、電廠轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟模型基本與v1.0版本相同。這些模型和相關(guān)性都在文獻[12]中有詳細的介紹。GEOPHIRES v1.0和v2.0前后兩個版本的比較分析如表1所示。最具意義的更新是系統(tǒng)源代碼從FORTRAN77和90轉(zhuǎn)換為Python3.5。轉(zhuǎn)換的原因主要有以下幾個方面：①最初的FORTRAN代碼可讀性差，容易出錯，而且由于有很多GOTO語句、邊界不清的參數(shù)和全局變量導致難以修改;②Python有一個更加活躍的用戶群體，有很多文檔可查閱，并且受到了強大的非盈利編程愛好者的支持;③使該軟件成為開源和對開發(fā)者有效的目標需要使用類似Python這樣受到廣泛歡迎的編程語言;④Python內(nèi)置了諸如numpy和mpmath這樣的庫使某些算法和計算更為簡便（如通過多平行裂縫熱儲模型計算產(chǎn)出溫度進行的逆拉普拉斯變換）。

在GEOPHIRES v1.0中，只有內(nèi)置的分析模型對于模擬熱儲是有效的。這些模型包括多平行裂隙模型[13]、一維線性熱延展模型[14]、單裂隙熱衰減模型[15]和溫度衰減百分比模型[12]。在GEOPHIRES v2.0中，增加了通用的熱儲生產(chǎn)溫度剖面導入的選項。這些溫度數(shù)據(jù)可由某個文本文件的列向量提供，如從正在運營的地熱工廠或者來自類似如TOUGH2[16]中單獨的熱儲模擬器的輸出結(jié)果。GEOPHIRES v2.0和TOUGH2之間的直接通訊當前正在被實現(xiàn)。

其他還包括將成本相關(guān)性從2012年更新至2017年的美元標準。鉆井成本的最新數(shù)據(jù)來自美國能源部（DOE）GeoVision研究的油藏管理和開發(fā)任務(wù)組。除核電廠外，使用IHS Markit北美電力資本成本指數(shù)（NAPCCI）將發(fā)電廠成本關(guān)聯(lián)項更新至2017年。根據(jù)勞動力統(tǒng)計局（BLS）公用事業(yè)就業(yè)成本指數(shù)，勞動力成本更新到2017年。用于補償補給水的水成本更新為3.5美元/1 000加侖，這是通過調(diào)查美國西部目前工業(yè)規(guī)模的水費而獲得的代表性價值。

在將源代碼轉(zhuǎn)換為Python的同時，還進行了一些其他的更新，包括：①允許用戶選擇時間步長，而不是將值固定為3個月;②允許任意數(shù)量的注入井和生產(chǎn)井，而不是預先定義的井配置（對井、三井或星型）;③使用Colebrook-White相關(guān)計算管道中流體的摩擦系數(shù)，而不是使用常數(shù)值;④使用內(nèi)置的溫度依賴相關(guān)計算水體黏度，而不是使用恒定值;⑤將熱溫度衰竭模型的百分比從指數(shù)線性下降到線性下降，以更好地匹配野外觀測到的溫度下降數(shù)據(jù)。

2018年實施的其他升級包括GEOPHIRES v2.0和TOUGH2的直接耦合（在每個時間步長），應(yīng)用于注入井（而不僅僅是生產(chǎn)井）的Ramey井筒模型和具有多個段的地層，依賴于季節(jié)地面工廠的運行（例如，冬季只有地熱區(qū)域供熱）以及國家可再生能源實驗室（NREL）的Peregrine超級計算機上使用高性能計算功能。

2? GEOPHIRES應(yīng)用案例研究

本研究提供了兩個案例研究來介紹GEOPHIRES v2.0的仿真功能，所有輸入?yún)?shù)如表2所示。案例1是2 000 m深處的熱液資源，用于亞臨界干冷二元循環(huán)發(fā)電廠的發(fā)電。井口生產(chǎn)溫度始于145 ℃，年降幅約為0.5%/年。不考慮季節(jié)性環(huán)境溫度變化。這種溫度輸出和衰減是美國西部與雙工質(zhì)循環(huán)工廠耦合的熱液系統(tǒng)的代表值，恒定的生產(chǎn)率和注入指數(shù)假設(shè)為20 L/（s·bar）。案例2是用于向工業(yè)應(yīng)用提供直接使用熱量的增強型地熱系統(tǒng)（EGS）資源。資源溫度為150 ℃，深度為3 000 m，相當于約45 ℃/km的地熱梯度（假定環(huán)境溫度為15 ℃）。45 ℃/km的梯度代表了整個美國西部廣泛使用的典型中等資源[7]。熱儲輸出結(jié)果是基于Fox等進行的單機TOUGH2模擬，該溫度曲線通過文本文件導入GEOPHIRES v2.0。井口溫度通過應(yīng)用Ramey的井筒熱傳導模型來計算。該經(jīng)濟模型基于Los Alamos國家實驗室開發(fā)的內(nèi)置BICYCLE生命周期平準化成本模型。財務(wù)輸入?yún)?shù)（如通貨膨脹率、貼現(xiàn)率和利率）是基于Tester等的案例研究和Geothermal Vision Study中使用的參數(shù)。

案例1（水熱資源）假設(shè)井口溫度從145 ℃開始，以每年0.5%的速率下降;案例2（EGS資源）假設(shè)溫度曲線來自利用TOUGH2進行的多裂隙計算結(jié)果。兩個案例利用GEOPHIRES v2.0進行的技術(shù)經(jīng)濟仿真結(jié)果如表3所示。

案例1是一個小型地熱電廠（僅8 MWe裝機容量），井場由三口生產(chǎn)井組成，產(chǎn)出中等地熱流體，生產(chǎn)溫度僅為140 ℃。該水熱型地熱電廠的平準化成本12 ￠/kW·h降至有報道的水熱型地熱廠LOCE值的范圍之內(nèi)。由國際能源署（IEA）、核能署（NEA）和經(jīng)合發(fā)展組織（OECD）聯(lián)合出版的《發(fā)電成本預測》2015版中，估計美國地熱雙工質(zhì)循環(huán)地熱電廠的平均LOCE為12 ￠/kW·h。這個數(shù)值假定7%的貼現(xiàn)率，而在該案例中將加權(quán)的貼現(xiàn)率設(shè)為8.8%。透明成本數(shù)據(jù)（OpenEI 2017）列出的水熱型地熱系統(tǒng)LOCE值的取值范圍在3～14 ￠/kW·h。對于雙循環(huán)閃蒸地熱電廠的數(shù)值，貼現(xiàn)率假定為7%。在過去的幾年里沒有顯著的成本變化，而且假定的熱儲參數(shù)達標了平均水熱條件，因此LCOE值被預期為近似。

案例2是一座裝機熱容量為29 MWth的大型地熱直接利用設(shè)施。作為對比，在美國地熱直接利用設(shè)施平均裝機容量為區(qū)域供熱5 MWth、溫室3 MWth。例如，Boise區(qū)域供熱系統(tǒng)的裝機容量超過30 MWth并且還在繼續(xù)擴大。與發(fā)電不同，直接利用的經(jīng)濟性很大程度上取決于終端利用的類型和必要的地面基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量，這使驗證LCOH值變得復雜。例如，住宅集中供熱系統(tǒng)需要大型的地面管網(wǎng)，但僅僅運行一半的時間（比如冬季），這就將會與距離井口更近的單一的工廠全年用熱相比具有更加顯著的LCOH值。此外，案例2使用的是EGS資源，目前運行的數(shù)量很少。更多類似的研究是利用GEOPHIRES v1.0完成的，估計了工業(yè)EGS應(yīng)用的LOCH值，并發(fā)現(xiàn)LOCH值在4.0～8.1￥/MMBTU，依靠假定的技術(shù)水平，案例2中的LOCH出于該值范圍的上限。值得注意的是，與案例2相比，假定在相對較低的回灌溫度50 ℃（相對于70 ℃）、更高的地熱梯度50 ℃/km（相對于45 ℃/km）以及較低的貼現(xiàn)率7%（相對于8.8%）等條件下，所有這些都會降低LOCH值。

3? 結(jié)論

本研究介紹了當前美國地熱技術(shù)經(jīng)濟模擬工具GEOPHIRES的最新更新。該工具的最初版本從2012年開發(fā)到2014年，升級將會持續(xù)整個2018年。GEOPHIRES v2.0結(jié)合了內(nèi)置的成本相關(guān)項、熱儲、井筒、地面工廠和經(jīng)濟生命周期模型，以評估一個地熱工廠的技術(shù)和經(jīng)濟性能。仿真輸出結(jié)果包括裝機容量，終身用電量和產(chǎn)熱量，前期投資成本以及能源的平準化成本。終端利用的選項包括發(fā)電，直接利用和熱電聯(lián)產(chǎn)。迄今為止實現(xiàn)的主要升級包括將源代碼從FORTRAN轉(zhuǎn)換為Python，更新各種成本相關(guān)項，可以選擇導入測量或外部模擬的熱儲輸出，并且在選擇模擬時間步長和注入井、生產(chǎn)井的數(shù)量方面具有更大的靈活性。并通過兩個案例研究，一個發(fā)電、一個直接利用，展示了GEOPHIRES v2.0的仿真能力。GEOPHIRES v2.0的其他幾項升級計劃將在未來幾個月內(nèi)實施。這些升級包括GEOPHIRES v2.0和TOUGH2之間的直接雙向通信，Ramey應(yīng)用于多段層位和注入井的井筒熱傳輸模型，以及高性能計算能力（處理計算密集的地下模擬和批處理模擬）。

研究使用EGS技術(shù)經(jīng)濟仿真工具GEOPHIRES一方面對于分析研究中國干熱巖地熱能開發(fā)與利用的關(guān)鍵影響因素和完善技術(shù)經(jīng)濟評價理論與方法具有借鑒作用;另一方面，對于開發(fā)編制適應(yīng)中國國情和資源特點的干熱巖項目技術(shù)經(jīng)濟仿真軟件具有重要的指導意義。

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