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地热能利用回顾与展望
李汉炎 张启(天津大学天津地热研究培训中心,天津300072)
 
O引言
1904年,意大利首次利用Larderel1o地热田的蒸汽发电,机组容量15kW。如果把它看作地热能进入实
用能源行列的起点,那么,地热能的工业开发利用已经走过了将近一个世纪的历程。在最近的四分之一世纪
期间有越来越多的国家,包括工业发达国家和发展中国家,得到一个共同认识:地热能资源是可供选择的替
代能源。
能源供应对于一个国家的经济活动和国防活动具有潜在的制约影响。对于任何一个国家来说,地热是本
土资源,对它开发利用的时间、规模和分布容易控制,不必担心卷入运输或主权的争端,而且,地热资源的潜
力可以满足国家长期发展的需要。因此,地热资源的开发利用有利于提高国家能源系统的独立性和安全性。
地热能开发利用对环境的有害影响小。对于地热能开发利用所产生的环境效应的知识还有待长期积累
和深化认识。但是很明显,大型地热电站的硫氧化物和二氧化碳排放量只有燃煤电站的百分之几,基本上不
产生氮氧化物,而且采用回灌技术可以避免土壤和地面水体受污染。因此,地热能作为替代能源不论是用于
发电还是直接热利用,都能大幅度削减温室气体排放量,减轻对环境的不利影响。
水热型地热热储的开发技术和利用技术是成熟的,设备运行可靠。现代地热电站的可用系数达95%或
更高。热储的开发规模可以根据需求而扩大,利用方式多样,发电和直接热利用可以有不同的组合。因此,地
热能的开发利用有助于满足国家的能源需求,支持经济发展。
地热能开发利用的技术在不断发展。新的技术发展可望降低地热能的开发费用,增进地热能生产的稳定
性和长期性。一些人士认为,地热能这个现今还是生僻的技术专业术语,在下一个世纪中将成为妇孺皆知的
口头用语,地热能将在21世纪可持续能源体系中占有相当明显的比重。
我国地热能开发利用兴起干70年代初,目前直接热利用的设备热功率2443MW,排名世界各国之首。
在我国新能源和可再生能源(1996一2010)发展纲要中地热能的主要任务为“继续扩大利用西藏及其它地区
的地热资源,解决地热腐蚀、结垢和回灌等技术问题,进一步扩大地热直接利用和发电利用”。和其它可再生
能源的主要任务相比较,上述地热能的主要任务还没有提出明确的发展要求。
120世纪末期的地热能开发利用
从世界范围来看,地热能的开发利用仍然处在示范阶段,积累地热能的知识,探索获取方法和提高利用
技术,关注开发利用对环境的影响、热储可持续性的成本,开展国际合作研究。一些发展中国家开发利用地热
支持经济发展。
1.1地热能开发利用方兴未艾
全世界至少有83个国家开发利用地热资源或有意开发,约有50个国家统计了地热能利用的数量;全世
界1997年底的地热发电装机容量为7950MW,分布在如下20个国家:
美国 2850MW 冰岛 51MW
菲律宾 1780MW 肯尼亚 45MW
墨西哥 743MW 中国 32MW
意大利 742MW 土耳其 21MW
日本 530MW 俄罗斯 11MW
印度尼西亚 528Mw 葡萄牙(亚速群岛)8MW
新西兰 364MW 法国(哥德洛普岛)4MW
萨尔瓦多 105MW 阿根廷 0. 7MW
尼加拉瓜 70MW 澳大利亚 0. 4MW
哥斯达黎加 65MW 泰国 0. 3MW
上述地热发电容量中还有危地马拉和罗马尼亚的容量未统计在内。根据Ronald Dipippo在《地热和地
热发电技术指南极中译本,1988)一书中引用的数据,1979年:月的世界地热发电装机容量为1499. 9MW,
分布在中国、萨尔瓦多、冰岛、意大利、日本、墨西哥、新西兰、菲律宾(4.2MW)、土耳其、前苏联和美国等11
个国家。据统计,地热发电在1978年至1985年期间的年增长率曾高达17%,以后面临石油和天然气降价的
挑战,但是与其它能源发电相比仍然维持相当高的增长率。
地热直接热利用已从传统的小型单项利用进展到成规模的工程应用。全世界分布在38个国家中的地热
直接利用设备热功率为9047MW,最大的利用项目采暖占33%,沐浴、游泳和医疗等占19%,温室占14%,
热泵占12%,养殖占11%,工业应用占9%,农产品干燥占:%,融雪占:%,年利用的能量为120000TJ,折合
365万吨石油当量。今后的开发最有可能在具有下列条件的地方或应用领域:资源和用户地理位置配合(相
距1叭m以内)、热负荷和冷负荷密度高的地方(大子36Mw/km2)、食物和谷物脱水(特别是在常常发生谷
物霉坏的热带国家)、气候较冷地区的温室、控制最佳生长养殖(包括气候温暖地区)、供暖与降温用土壤热源
和地下水热泵。
从地热能开发利用状况和投资增长状况看,地热能开发利用方兴未艾。在地热发电装机容量为10MW
以上的15个国家中有6个发展中国家,在装机容量100MW以上的乞个国家中工业发达国家和发展中国家
各占4个;直接利用设备热功率超过10MW的30个国家中工业发达国家12个(共计4920Mw),热功率超
过100MW的有13个国家(2个发展中国家,4个中欧和东欧国家,工业发达国家7个),而热功率500MW
以上的国家4个:中国2443Mw,匈牙利638Mw,冰岛1443MW,美国1874MW(根据Stefansson和
Fridleifssonl9%年提供的数据,1997年总热功率为9963MW,前四位为中国、美国、冰岛和日本,匈牙利为
第五位);1973年至1992年的20年期间全世界在地热方面的总投资约220亿美元,其中投资超过2000万
美元的国家有30个,超过2亿美元的国家12个,投资超过10亿美元的国家有5个;在前10年(1973一
1982)期间政府投资46亿美元而私商投资30亿美元,在后10年期间政府投资比前10年增加扬%而私商投
资比前10年增加了160%;无论工业发达国家还是发展中国家都普遍利用地热发电,政府和私商的投资信
心反映了地热能在世界能源体系中已显露头角。
1.2工业发达国家发挥示范作用
冰岛1997年的一次能源消费量为254.=万吨石油当量,其中48.=%由地热能供应(水电供应17.6%,
依赖进口的石油降低至占31.9%,煤占2.4%);地热发电的发电量约占全国发电量的6%,到2000年将超
过15%;采暖是地热能直接利用最大的项目,占77%,地热采暖的费用只是燃油采暖的20%一30%,用地热
采暖代替石油采暖(燃油消费已不足3%)估计每年节省1.=亿美元,即入均400美元;Kisilidian硅藻土厂是
世界上利用地热蒸汽最大的工业用户之一。85%的住宅采用地热采暖,首都雷克雅未克几乎全部利用地热水
采暖;而1970年全国约50%人口利用地热采暖,地热能在采暖消费量中不到45%,除少量电(水电)采暖外,
其余的50%以上依靠进口石油。冰岛的地热能消费量在一次能源总消费量中占有如此大的比例是世界各国
中罕见的,地热发电量占全国发电量的比例在工业发达国家中也是罕见的,采暖地热化更有示范意义。
美国是地热发电装机容量最多的国家。据美国可再生能源1996年度报告的评述,美国目前在地热发电
方面围绕日常运行和维护展开工作,形成了可用系数很高(常常高于95%)而稳定的电力供应;蒸汽系统的
供应设备、透平发电机组有时出于提高经济性的考虑作更新换代,强调提高效率和可靠性;在俄勒岗、爱达荷
和加利福尼亚等州一些地方的地热区域采暖系统已经运行了几十年;投入使用的土壤源地热热泵已达50万
套,冬天采暖夏天降温可以削减尖峰用电负荷40%。Geysers地热田是美国也是世界上最大的地热发电基
地,以安全、发电成本低和环境影响小著称,已有近40年的历史。它也是一个现场研究基地。把地热资源以
外的水注入热储以维持压力和产热量是Geysers地热田在过去15年间最大的技术成就。美国在西部9个州
进行了地热资源(至少50C)和社区(位于地热资源8km范围内)配对的研究,鼓励这些社区开发利用地热,
已有256个配对社区。
美国地热资源理事会月刊(GRC Bul1. )1998年第6期的研究与开发专栏介绍了能源部地热工艺处为实
现能源部的国家能源系统综合战略,于1998年6月制定了地热能发展计划策略。能源部的综合战略包括5
个目标:改进能源系统的效率;保证能源系统可靠性(减少美国经济受石油供应中断影响的薄弱环节,保证能
源系统可靠性、灵活性和紧急反应能力);推动重视卫生与环境价值的能源生产与使用;扩大未来能源的选
择;全球问题(经济、安全、环境)的国际合作。地热工艺处的职责是和地热产业界结成伙伴致力于把地热作为
可持续的、环境方面合理、经济上有竞争力的能源用于国内和世界能源供应。让地热能在2010年以前在全世
界优先担负起替代污染能源的重任,这是制定发展计划策略的着眼点。地热能发展计划策略包含5个方面目
标:
国内电力生产——到2010年,用地热能供应700万美国家庭(1800万人口)需要的电力,使地热发电成
为最受欢迎(经济上和环境上)的电力发展方案。
直接利用和地热热泵——到2010年,把地热能直接利用和地热热泵的应用扩大到供应700万个家庭需
要的采暖、降温和热水。
国际地热开发——到2010年,用美国的地热工艺设备在发展中国家至少装备10000Mw以满足发展中
国家:亿人口的基本电力需求。
科学与技术——加速地热科学与技术的进步以保证美国继续为世界地热之先导。
未来地热资源——开发新工艺以满足美国未来非运输能源需求的10%。
达到上述目标将产生如下的累积效益:刺激国内610亿美元投资于所有的地热设施,获得国外地热发电
投资160亿美元的市场,在美国产生160万人年的新就业机会,削减美国二氧化碳排放量8000万至:亿吨
碳(80至100MMTC),削减全球二氧化碳排放量190至230MMTC,联邦土地上的地热工程向政府缴纳的
矿区使用费增加1.8亿美元。
日本的地热开发利用是“阳光计划”(1974)的一部分。但是,许多有远景的重要地热区都位于国家公园
内,土地使用严格限制,加以日元汇率居高、石油价格低以及初投资冒风险,阻碍着地热发电容量增长。根据
日本地热协会1997年度报告,1996财政年度未(截至1997年3月31日)的地热发电装机容量为530MW,
仅占全国发电总容量的0.2%;2010年的目标是装机容量达到2800MW,占全国发电总容量的:%。地热的
开发研究活跃,正在进行的研究项目有:推进地热开发的普查、小型双循环发电示范试验、裂隙型热储勘探方
法的开发、深层热储的调查、开发10MW双循环示范电站、地热井MW级系统的开发、干热岩发电系统的开
发、深层热储钻井与生产工艺的开发、环境调查。
新西兰是世界上首先利用液体水为主的汽水混合地热流体发电的国家,Wairakei电站的第一台机组于
1958年底投入运行。世界上利用地热能的另一最大工业用户是Tasman纸浆和造纸厂,利用Kawerau地热
电站双循环机组排出的170C地热水,通过蒸发器产生洁净蒸汽用于处理木柴、蒸制纸浆和造纸烘干。新西
兰将地热资源与其它矿产资源(如煤、铁等)同土地、空气、森林、生态、水资源及环境与自然景观资源等一起
实施管理,资源开发和环境保护紧密结合。
法国在过去的30年中特别注重发展低烩地热能用于区域采暖,目前地热能用于20万套住宅的采暖及
热水供应。地热供暖规模宏大,管理自动化,现场井然有序,环境清洁优美。开发商为满足居民对不产生污染
的地热采暖日益增长的兴趣,曾委托制作两套各13分钟的盒式录像带,一套供公众,一套供学校儿童,解释
地热的原理、世界各地地热显示和各种开采方法,也介绍一些具体技术,包括现场和各种设备的镜头及卡通。
欧共体示范和THERMIE计划框架内批准的109项研究与开发项目在1992年底以前实施,其中区域
采暖42项,发电11项,温室14项,工业和工艺加热15项,渔业养殖6项,综合利用21项,每年替代能源在
12万吨油当量左右(主要是区域采暖和发电),其它支持地热能开发的项目有JOUtE、ALTENER、PIM、
HORSOUOTA和PHARE。
1.3发展中国家开发地热能支持经济发展
菲律宾政府大力推进开发本土电力资源以降低对进口石油的依赖。1976年开始了商业性地热钻井,到
80年代中期地热发电装机容量取代了意大利排名世界第二,对石油的依赖由70年代初的95%降低到50%
左右。1996年的地热发电装机容量和发电量占全国总量的比例分别为13%和23%,国家电力公司制定的15
年电力发展规划中2005年以前新增发电容量的18%依靠地热发电。
印度尼西亚的电力需求在80年代期间迅速增长,国家电力公司的售电量在19781979年为4. 3Twh,
到了1992一1993年为41. 9TWh,同期的装机容量由2300MW增至10900MW,而电器普及率仍很低,只有
29.9%。印尼是一个石油输出国,选择了地热能作为替代能源而成为世界上开发地热的一个热点。DarceI L。
Hulse在印尼石油协会第24届(1995)年会上从电力市场、政府对环境保护和减少石油消耗量的政策等方面
讨论了政府的平衡能源政策,反映了地热能开发利用在印尼经济发展中的作用。第一个25年长期发展计划
期间的GDP年平均增长率为7%,2020年结束的第二个25年长期发展计划的目标要维持这一经济增长率。
按此增长率,经济将每10年翻一番,能源总消费量将由1993年4.5亿桶油当量水平增长到2018年20.4亿
桶石油当量。印尼处于由资源型经济向以制造业为基础转变的经济转型期,电力需求急剧上升。1994年的总
发电能力为13777MW,设以后25年间电力需求的年平均增长率为7%,到2020年的发电容量应达到
75000Mw。各工业集中地区相距甚远,除了爪哇一已厘岛电网之外,目前没有连结负荷中心的输电系统,因
而限制了发展大型电站,电站的分布要靠近各自的负荷中心。这造成地热发电可以在电力市场中作一番竞争
的理想环境。印尼政府在1992年的气候改变框架协定上签了字,承诺控制、减少或防止温室气体排放量增
长。推动地热能开发利用支持了这一承诺。琅西大学环境与法律学科中心1991年发表的研究报告用环境污
染的厂外费用来估计应用地热能的环境效益。按照烧煤发电每兆瓦时排放5, 44kgSO2和952. 3kgCO2的排
放量水平估计,一座250MW电站的环境污染厂外费用烧煤发电时(经烟气除硫和静电除尘)为4800万美元
/年,使用烧天然气的联合循环时为1700万美元/年,而用地热能发电时为37万美元/年。推动开发地热能不
仅是一项环境保护方面的决策,而且有很好的经济效益。以印尼1993年的GDPI447. 05亿美元为例,分析使
用不同能源发电对GDP的影响。如果建造1000MW燃煤电站,投资假定为18亿美元,煤矿增采费用3亿美
元,则三年建造期间每年为扩大国家生产能力的投资支出为7亿美元,连同相关的政府支出3700万美元,合
计使GDP增加0. 51%;电站竣工投产后的产值将使GDP增加0. 48%。如果改为建地热电站而出口相当数
量的煤,设地热电站建造和地热田开发费用为20亿美元,则合计使GDP增长0.7%,投产后连同煤炭出口
将使GDP增加0; 63%。全国每年发电用油约1.4亿桶,如果90年代期间没有新的石油资源发现并且投产,
到2000年将需要进口石油了。因此,如果用地热电站代替燃油电站并且仍然出口煤炭,则1000MW地热电
站投产后可使GDP增加0. 77%,每年节省进口石油2. 04亿美元。在第二个25年长期发展计划期间新增的
60000MW发电容量中如果有19000MW用地热发电,经济效益将相当可观。印尼计划到2003年的地热发电
装机容量增加到1255Mw,到2020年估计为2500MW(此外还有乡村电力与小规模开发的74Mw),燃用石
油发电的机组容量由1993年2210MW减少到2008年607MW。
哥斯达黎加把2000年90%的电力来自可再生能源的目标作为“绿色”经济增长总体计划的一部分。
1995年:月统计,运行的地热电站容量为60MW,年发电量为447Gwh,分别占全国总量的6%和9%;到
2000年的地热发电装机容量预计为170MW,年发电量为1226Gwh,分别占全国总量的10%和14.6%,而
地热发电与水电合计的装机容量占全国容量的87.4%,年发电量将占全国发电量的88.3%。
萨尔瓦多的地热电站在1975年至1993年的19年运行期间,年发电量一直占全国总发电量的14%以
上,其中1976年至1985年期间的年发电量占全国的25%以上,1981年曾达到43.6%。
Tsvi Meidav对于中美洲可持续能源开发的研究认为,可再生能源电力工程对当地经济增长有积极的
影响。根据世界银行的研究,一次工业每花:美元至少产生另外3美元的二次和三次经济活动。例如建造电
站可能需要扩充当地水泥厂,一项地热或其它可再生能源工程的建造阶段需要雇用200来劳动力和其他人
员,也就带来了衣食住行和培训等服务与建设以及其它效益好的经济活动。100MW的地热发电工程将产生
5000万美元的当地承包需求,并且有更大数目的二次和三次作用。他用船载柴油机电站和燃煤电站的例子
作为对比。船载电站拖到港口接入电网用进口燃料发电,除了满足电力的急需之外对当地经济没有比较明显
的影响。而150MW燃煤电站每年的CO2排放量大约100万吨,还有其它污染物,环境影响不容忽视。据估
计,中美洲目前电力需求的年增长量在150MW至200MW之间,推动可再生能源的开发对经济增长将有重
大贡献。
Rohit Autar根据新西兰地热公司于1995年6月发表的斐济、文努亚图、巴布亚新几内亚、索罗门群岛
和西萨摩亚等太平洋岛屿国家地热田资源数据和开发可能性的报告认为,有充分瑰由开发地热资源替代小
规模发电需要的矿物燃料。此外,与当地主要生产相关的一些小型工业不断增长,如斐济的食糖加工工业,也
能从开发的地热资源中得益。地热能的其它直接利用,如文努亚图的制盐、巴比亚新几内亚的烘干椰肉、可可
染色、棕桐油加工和许多农产品加工业,能够节省生物质和现在使用的矿物燃料。这些岛国小型加工工业的
扩大可以产生出口收入,可以减少对环境有害的气体排放量,地热资源的利用可以达到最大程度。
1.4技术研究开发开展国际合作
随着地热能开发利用在世界范围的发展,形成了地热能这门能源新学科,地热产业作为新兴的能源产业
崛起,国际地热协会(1GA)于1989年正式成立。协会组织有关的学术界、产业界和教育界的组织和专家以及
政府部门与国际机构开展国际间交流与合作,传播地热知识与技术。每5年举行一次的世界地热大会提供了
研讨地热能本质认识和地热能开发的公共论坛。国际能源机构(IEA,联合国经济合作与发展组织的机构,设
在法国巴黎)结合1995年在意大利举行的世界地热大会组织了地热专家组的第一次会议,把地热能纳入
IEA启动的一项新的可再生能源合作计划。随后的两次会议确定了地热能部分的8项合作课题:
1.地热能开发的环境影响;=.浅位地热资源与热泵;亚.干热岩;w。深层地热资源;V,地热能利用
的可持续性;w。地热发电循环;W;地热流体的地球化学;硼,工业工艺利用的低恰地热资源。
IEA制定了这次地热能研究与技术合作计划的执行协定。一开始在协定上签字的有美国、日本、新西
兰、瑞士、英国和欧共体,以后又有墨西哥、澳大利亚和希腊签了字,并且成立执行委员会,根据协定指导研究
和技术开发项目。根据协定,各课题领域的参加者将贡献各项目需要的人员、设施、资源及其它支持。参加的
人员可以来自大学、国家实验室或研究所、商业公司、联合体、专业协会和同业协会、集团和其它从事地热研
究和技术开发的机构。
地热能研究和技术合作计划的目标是鼓励和推动地热资源在经济方面和环境方面都能可靠地持续开
发,鼓励各种层次的国际合作以保证地热资源的平衡开发,提供讨论、研修、会议和其它的科学与技术性质集
会以详细交换信息,帮助进行国际间协调研究人员、工程师和地热专业人员的努力以避免重复,使资源和专
家有效利用和达到最大效益,提高对地热能资源的认识和加强全球范围的研究和技术开发、实施和实践等活
动的数据与成果的交流,推动地热开发和利用的改进。
2成本、环境影响和可持续性
地热能成本、开发利用对环境的影响和热储的可持续性是地热界关注的三大问题,决定着地热能的替代
作用和在能源市场上的竞争力。
2.1地热能显示了市场竞争力
石油与天然气的国际市场价格低廉和许多国家电业解除了专营体制都使地热能面临市场竞争的挑战,
但是,地热发电对许多国家仍然是成本最低的发电方案。
Custavo Calderron(泛美开发银行首席能源专家)在1995年世界地热大会上阐述了发展中国家开发地
热能源的优势。根据世界银行和中美洲及一些加勒比海岸国家决策者在制定发展计划时所用的数据,可以得
出几种能源发电的单位装机容量投资费用和基本负荷发电成本的平均值:水力发电(容量70MW一450Mw)
为2700美元/kW和0. 080美元/kWh,地热发电为2650美元/kW和0. 045美元/kWh,蒸汽发电(30Mw一
125MW燃油和燃煤)为1850美元/kW和0. 075美元/kWh,柴油机发电为1540美元/kW和0. 080美元/
kWh。地热发电的投资费用与水力发电相近,而发电成本低于常规的发电方案。泛美开发银行(IDB)为批准
三项地热电站工程的贷款计划所作的一系列经济论证中,对于电力需求低幅、中幅和高幅增长的不同情况都
把地热发电纳入最低成本计划。根据IDB的记录,地热发电的投资回报率大约在16.4%到21. 76%之间,均
高于IDB可接受的回报率12%。这些数据表明地热能对一些发展中国家相当有吸引力。
不断降低成本才能提高经济竞争力。美国近5年的统计表明,地热发电成本由于应用新的勘查技术降低
了3%;进一步提高竞争力的关键技术包括如下5个方面:采用小口径勘探井及与之相应的测试工具以降低
钻探成本,开发井下裂隙测绘、圈定隐伏热储的技术,提高地热井的生产能力,缩短工程周期,提高热储工程
模型、管理模型技术。这反映了西方国家地热工业通过开发研究和改进现有技术以降低勘探开发利用成本,
从而提高地热能的竞争力。
美国GRCI997年会设专题讨论降低地热成本问题,一些论文集中讨论地热电站工程各主要部分的费
用使用效果优化。
地热能将来要抗衡什么样的市场竞争价格呢?Tom Hinrichs认为,美国下个世纪最初年代的预期市场
价格将由新型燃用天然气的联合循环电站建造与运行成本所确立,以燃煤电站的发电成本确立最高价格。固
定成本将在1。5美分/kWh至3.O美分/kWh之间,如果天然气的价格仍然如预计保持在低价位,则能源耗
费的成本将可能在2.O美分/kWh至2.5美分/kWh的范围内,那么市场价格可能在3.5美分/kWh至5.5
美分/kWh的范围内。显然,地热田的开发和电站的经营必须使投资与运行费用有明显的降低才能满足竞争
的价格水平。
Bob Greider认为,要使地热电站在经济上能够与矿物燃料电站竞争,要求全面控制各种支出。地热勘探
支出必须限制在为了有效预测准备开发的地热热储大小与质量所需要的那些费用;综合的能量利用与发电
方式有利于与矿物燃料发电竞争;货币的时间价值和降低失败风险则要求在获得营业收入之前限制项目研
究的费用;工程设计(从第一口勘探井到最后的输电设施)必须加强全部帐面费用的控制;利用减税制度结合
预算控制也可以降低工程总费用。可以预计,将来的工程中非燃料部分的费用将降低。Greider从技术、资金
利用和经济各方面提出了地热能开发和生产费用的各部分比例;勘探约占工程总费用的5%,开发井和生产
设施约占50%,电站和输电设施约占45%,并且对各部分的费用作了分析。
在勘探方面,Jim Combs评述了各种对地热开发经济有效的探测方法,并且按照费用由低到高把探测方
法大致分为下列各组:
地质、水文和地球化学
红外和磁法航测、重力与微地震监测
AMT、CSAMT和EM测深
MT测深
小口径钻孔和试验
为获得地热勘探所需要的数据,Combs建议每平方公里测点分布密度如下:航空磁测按800mX400m网格,
设4个重力测量站,AMT测深设4个站,MT测深:个站;EM测深:个站,=个微地震记录站和:眼小口径
钻孔。他认为,尽管地热勘探的预算在地热电站工程总费用中是很小的一部分,可能只抵得上一口生产井,但
是用他建议的诊断勘测方法和小口径钻孔技术可以把确定一处经济上有价值热储的勘探费用至少降低
50%,。
在费用较大的钻井方面,David Glowka讨论了钻井技术的研究开发在降低生产井费用方面可能起的作
用。Sandia实验室目前开发下列各方面的仪器设备和技术:泥浆环流漏失诊治技术、硬岩石钻头、高温测量、
数据无线遥测、小口径钻孔技术、地热钻井组织研究、钻井系统的研究。G1owka认为,总体说,上述各方面生
产井费用的降低目标加在一起将超过Sandia计划目标的25%,目标是合理的,如果达到,地热电站的费用将
降低10%至15%。
John Pritchett认为,热储工程在改进地热发电工业竞争地位方面至少有三方面作用。首先,正在开发的
一些技术可以减少资源初步查明的地热田进一步确定生产初期特性有关的费用,例如使用小口径钻孔于勘
探和初步评价,可以比常规的钻井活动节省很大费用,因为勘探用的小口径钻孔也可以作为生产监测井使
用。其次,在热储开采利用时使用那些勘探用的常规测量来监测热储可以得到更多的历史对比数据,从而改
善热储模型的可靠性。早已知道,地面微重力变化的情况可供了解热储补给的数量和特点。电测量(包括自
然电位和电阻)的变化以及地震技术看起来也是有可能利用的。在地热田生产期间增进了解地下实际发生的
种种情况将可以作为改进开采策略的依据,减少钻补充井的需要,推迟或避免冷水侵入生产井和延长热储寿
命。最后,如果形成一套按时间顺序描述地热田实际行为与工程研究关连的定量范例,而将来有越来越多符
合这些范例的成功事例,必将增强投资者对整个地热工业的信心。
Doug Jung讨论了生产井地面设备与设施的设计。地面设备与设施包括地热流体由井口输送到电站有
关的管路、阀门、分离器与控制设备,和由电站返回回灌井的管路。Jung认为,生产井地面设备与设施的费用
通过精心规划和应用开发的新技术到2000年有可能降低30%,所建议的研究包括改进测量、两相流量计、
井口节流阀、蒸汽质量和纯度的连续监测、减轻透平结垢、设施优化、两相流引射器或蒸汽喷射器、分离器、滤
砂器、消音器等。
在地热电站的运行维护方面,Dean Cooley认为,地热电站改进运行、提高效率和降低运行与维护费用
对于提高地热能竞争力会有相当大的影响,并且提出地热电站经营者应加以讨论的一些问题,例如:人工或
用计算机密切监控与管理负荷以提高或优化净发电量,利用电力业由专营到竞争过渡期间改革法所提供的
竞争优势,密切注意其它能源(天然气)发电的费用和分析地热发电的优势,寻找能分摊成本的革新项目(如
Geysers的污水口灌)以降低蒸汽生产费用,更换电站设备(如透平转子及改善密封)以提高效率,组织控制
在环境控制费用方面(特别是化学药品与废弃物)的革新,考虑不停机定期清洗的方法以防止主凝汽器和较
小的辅助换热器换热面污秽,通过优化降低劳动力费用和审慎研究方面的投资以降低发电费用。
DarreII Gallup和Kevin Kitz报告了燃烧法利用H25或利用元素硫现场生产H250,的研究开发项目的
进展,试验证实了在地热田现场生产酸以控制结垢的可行性,投资费用基本上与其它脱除硫化氢的工艺相同
或更低。目前运行中使用硫酸或盐酸调整地热卤水pH值来抑制结垢,而从电站设备排放的不凝气体中回收
H28生产H230,可以免除购买酸及运输的费用。
提高地热电站转换效率可以在不增加资源消耗的条件下增大产出或减少需要的生产井数量。 Roriald
Dipippo讨论了提高转换效率的问题和方向,归纳了用双循环、多用途和直接利用与发电联合循环等提高资
源总利用率的措施,也提出了Kalina循环和混合(矿物燃料与地热能)循环设计的优点。
尽管未来的电力市场价格并不确定,但是上述讨论可以确认降低地热电站工程费用和发电成本有不小
的潜力,这些潜力是以正在进行的各项研究开发为基础的,经过切实努力将逐步变成现实。美国加州能源委
员会规定地热发电在1998一2002年由电力专营到市场竞争过渡期的目标成本为3美分/kwh,能达到的生
产商将得到奖励成本:美分/kWh,促进地热发电能在下一世纪达到新的竞争力水平。
2.2地热能开发利用走向与环境融合
一处地热田的开发与利用过程会对局部地域环境造成重大影响。有许多文献报道了地热田开发利用的
环境影响和寻求经济治理的研究。Joseph Kestin主编的《地热和地热发电技术指南K中文版1988)的环境研
究一章,根据各种文献对所造成的环境影响、污染物种类与危害、治理与监测等作了较全面的介绍和讨论。
目前开发利用的地热资源大多数是含液体为主的水热型资源,钻井取出大量地热流体供利用。地热田开
发与生产过程可能带来的环境影响可以粗略描述如下。在勘探、钻井和地面设施建设活动中清理与修筑道
路、钻井泥浆流失、管道敷设、建筑材料堆放、机械设备运行等使地面和植被受到干扰和破坏,产生尘埃、淤
泥、固体废弃物、植物碎屑、排烟和噪音,也可能散发一些污染物质。在生产井和发电设备运行活动中井口定
期排放、分离器排出液体、管路泄漏、凝汽器排放不凝汽体和凝结水,冷却塔排出雾状空气和排污水,空气或
废水处理排出物等都可能排出污染物。排出的H25污染环境空气,排出的卤水和废热污染地表水、土壤和地
下水,也可能产生噪音(闪蒸和放空)。地面管网、高耸的厂房与构筑物以及排放的气水影响景观(天然风景和
名胜古迹)。过分开采地热流体引起水位下降和地面沉降也时有所见。
勘探、钻井与地面设施建造活动产生的影响是暂时性的,通过加强管理,它们在地热开发总过程中造成
的后果极其微小。不断完善管理和改进技术与设计可以使生产井和发电设备运行产生(包括一部分钻井活
动)的环境影响得到最经济的治理和控制。
各国环境方面的法规有许多条款都涉及地热的开发利用活动。例如,日本涉及地热开发的法规有自然环
境保护法、自然公园法、森林法、地面滑动防止法、关于防止急倾斜地崩坏灾害的法规、砂防法、有关鸟兽保护
及狩猎的法规、文化资源保护法、温泉法、都市规划法、关于农业振兴地域保养的法规、工业用水法、水产资源
保护法、公害对策基本法、噪音限制法、振动限制法、恶臭防止法、关于防止农用地土壤污染的法规等。
美国有1969年国家环境政策法案、1970年地热蒸汽法案、1974年联邦非核能研究和开发法案,1974年
地热能研究和开发法案等,能源部也颁发了地热开发项目环境报告书编写准则。冰岛的环境法规定,凡地热
开发毛产量超过25MW,或净产量超过10MW,者都必须提交有关环境影响的详细评估。各国立法和制定相
关法规旨在扶持地热资源的开发和全面保护环境,使地热资源的开发利用有序化。无序开发不仅不能控制对
环境的影响,而且还要浪费或破坏地热资源。
空气含低浓度硫化氢时已产生令人不舒服的恶臭味。地热流体排放出的不凝气体所含硫化氢已有多种
脱除工艺,大多采用Stretford I艺把H多转换为元素硫产品。美国CaIEnergy’ s Caso地热电站1994年装
备了LO一CATI系统达到H25排放量高标准管理,并且生产农用级硫。前面提到的燃烧法把H25转换为
H259的新工艺更为经济,K, Hirowatari等用生物反应酸化作用控制地热水结垢和对钢材腐蚀的方法中报
告了应用喜温嗜酸菌把地热流体排放出的H28氧化生成H多0,的基本试验和放大试验。不凝气体中的CO。
也受到关注,不宜直接进入大气。物理吸收和化学吸收两种工艺可以脱除不凝气体中的CO2和H2已提纯了
的CO2(脱除H23可以代替购买瓶装CO2用于提高温室内的CO2浓度,有效刺激温室作物增产。新西兰
Kawerau一处总面积5250m’地热温室利用地热流体中的CO2(提纯后)种植辣椒。
目前多数地热田把利用后的废水(分离后浓度较高的卤水和蒸汽凝结水)经过处理后回注地下热储层,
使废水和地表环境隔绝,阻止对地表植物、土壤和水体产生化学污染和热污染。废水回灌也缓解了已观察到
的地面沉降和动水位下降增大现象。动水位下降增大会造成不同水层的水混合。冰岛不断注意到大量抽水
或蒸汽引起冷水侵入,供应的地热水温度和化学成分都有变化。冰岛Hrisey地热田5号生产井由于地表冷
水混入导致碳酸钙高度过饱和而沉积。
菲律宾Upper Mahiao蒸汽循环与双循环联合125MW地热电站的设计,为使电站融合于环境,电站采
用如下工艺:维持地热流体高于大气压力,不必使用真空泵和抽气器引出不凝气体;使用空气凝汽器,使发电
设备的安装高度降低,不必另外消耗水(冷却),不必使用化学药物,没有冷却塔顶冒水汽;用过的地热流体全
部回灌。意大利1991年开始陆续投入运行单机容量60MW的Valle Secolo地热电站注意改善建筑外形,恢
复乡村环境。美国加州北端Meedicine湖地区将兴建Fourmile Hill和Telephone Flet两处二级闪蒸地热电
站,附近为国家森林公园,透平、发电机及控制室都用金属结构厂房屏蔽以减轻噪音,并且涂成和周围森林相
配的颜色,冷却塔分成7至10组,与厂房(约21m)差不多高;计划运行10年之后退役,场地恢复原貌:两工
程分别由一家环境咨询公司和环境管理协会进行环境评估。
综合利用加废水回灌可以把地热资源开发利用对环境的不良影响降到最小。根据地热流体的恰值和温
度,把发电结合采暖、干燥、温室、沐浴及水产养殖等加热利用组合起来,把排放的废热减至最小;利用废气中
的H25生产元素硫或硫酸,生产提纯的CO2;从废水中提取有价值的物质;最后,废水回灌热储层。生物化学
技术可以用于清除、浓缩和回收地热废水中的有毒物质和有价值金属,以及把残渣变为有商业价值的产品。
美国Salton Sea地热田新装了一套由发电后的高含盐地热流体提取锌试验设备,还有可能提取其它金属,如
试验成功,这一地热田将扩大至1000MW以上,综合利用将增大地热发电工程的投资,但是综合利用的收益
将分摊发电的成本。、
地热能应用于各类生产时排放污染物质和温室气体的排放量比燃用煤和石油时少得多,容易达到高效
率治理。因此,地热能替代矿物燃料是达到经济与环境协调发展的重要选择之一。发展中国家迅速实现工业
化对能源的需求持续大幅度增长,而能源问题受到环境方面问题严重困扰,选择地热能等可再生能源替代矿
物燃料的方案可以缓解像工业发达国家已经遇到过的麻烦。
2.3地热能——可持续开发的能源
前面介绍过美国地热能纲要战略计划,计划提出开发新工艺以利用水热型、干热岩、地压型和正常地温
梯度等各种地热资源满足社会的能量消耗需求。据估计,美国地热资源按地壳的天然热能蕴藏量为70X
106EJ(E一10”))按美国目前的耗能水平相当于75万年的供应量;而全世界各大洲的地壳地热能资源至少
20倍于美国,即在1400X106EJ以上。地壳是巨大的天然热库,但是,地热能资疯要满足可持续目标则必须
使取出的总热量和天然补充的总量平衡。在地球漫长历史中的短暂期间,地壳可以视为有热量源源散失和补
充的近似平衡系统。可以用几个只表示数量级的粗略数字作一分析。地壳自地表自然散失于宇宙空间的热
量平均每年约为1000EJ,源源补充地壳的热量来自于地球内部中长半衰期放射性元素蜕变产生的热量,平
均每年约为2000EJ,还有数量大一倍多的地球转动热。在这样的平衡系统中,如果全世界的一次能源消费量
全部由取自地壳的地热能供给,而全世界一次能源年消费量由目前,比如说500EJ的水平逐年增加,则经过
几十年就可以达到和地表自然散失的热量相当了。地球散失的热量(包括自然散失和开采)在很短时段内成
倍增长会不会引起地壳热平衡状况显著变化而严重影响人类生存的环境呢?还没有查找到专门资料,不敢妄
言。如果上述问题成立的话,那么,尽管地壳的热容量巨大,地热能作为可持续能源的开采规模应当有个限
度,例如全世界一次能源消费量的10%由地热能供应则问题会缓和得多。
经济可持续发展应当不威协人类赖以生存的良好环境。从这方面看,不论是从整体上说还是从局部(一
处地热田),地热能开发的可持续性问题也是与环境协调发展的一个方面问题。目前开发的主要是水热型地
热资源,有不少地热田花不少力气解决由于过量开采而导致热储压力和产量下降的问题。新西兰wairakei
地热田第一套机组于1958年11月投入运行,A、B两厂的装机容量曾经达到192. 6MW,全负荷发电导致热
储压力到了60年代末期已由表压5. 86MPa降低到4MPa,通过限制高压井口压力、放弃热水闪蒸系统和各
种运行调整,到了80年代才使热储压力达到相对稳定,但流体温度仍然每年下降约0.5℃,水位降深约
200m。美国Geysers地热田从”55年起大规模商业开发,大多数生产井的出口压力在3. 4MPa以上,发电
设备总容量到1989年为1967MW;但是从1987年起,蒸汽压力和发电能力逐渐下降,到90年代中许多生产
井的压力已经降到1. 36MPa以下,以后由于改进回灌和其它运行调整使许多生产井产量有所恢复,目前的
最高发电能力约为1100MW;萨尔瓦多Ahuachapan地热田安装了95MW发电设备,1981年开始运行,1982
年中止回灌之后蒸汽压力下降,目前设备以平均负荷系数0. 45运行;意大利Larderell的Val1e Seco1o热储
大量开采引起蒸汽压力在70年代未下降到0. 5MPa,1979年开始回灌后才又恢复到0. 7MPa,仍然远低于
1942年记录的热储原有压力3.0MPa;印度尼西亚Kamonjang地热田1983年运行以来,虽然回灌也免不了
产量年下降约3%;冰岛在热储管理方面摒弃为经济效益而大量快速开采的战略,采用回灌、生产和工艺设
备三者协调,收到热储长寿和可持续生产的效益,没有地热田因热储枯竭而废弃。
Geysers地热田的输水与注水工程值得着重记述一番。输水工程把Lake Cocmty居民区排出的污水经
二级处理后输送到Geysers地热田东南部注入地下热储。输水与注水工程酝酿于80年代未,一是为了缓解
Geysers地热田蒸汽产量下降需要增加回灌水量,而很大一部份蒸汽凝结水在冷却塔中蒸发散失了;一是
Lake County几个社区处理后的市政污水经常超量排人附近的鲁西安河,需要新的排放方法。输水工程除改
进污水处理站之外还包括47km输水管和6个泵站,输水管口径0. 51m,日输送水量近3万m3。6个泵站总
功率538kw,最后一级提升水位近490m进入注水区。全部工程建成后,社区污水排人河流的排放量可以降
低到2%,远低干许可的5%;输水通过现有的井注入地下深处的蒸汽田热储,帮助恢复产汽量,六套发电设
备可望因此而增产70MW;有一部分流量代替从鲁西安河及其支流抽水灌溉农田,河流恢复更大的天然水
流有利于回游鱼群栖息产卵;工程于1995年10月破土动工,1997年10月竣工,输水走廊重新植树绿化。初
步表明,注水经过60天约有75%变成蒸汽;目前正在检验由Santa Rose引水(拟议中的第二条输水工程)至
地热田中心注水的可行性;而地热田自60年代发电以来只用了热储总量的百分之几,据保守估计,其余
500℃以上的热能储量相当于300亿桶石油。这项注水工程恢复地热田产量效果的考察和热储流体循环的研
究尚待时日,但是它被誉为真正的可持续能源系统,涉及到邻近区域的环境与生态控制。
Tom F1ynn认为,生产的地热流体不作回灌或回灌不当必将导致热储过早枯竭;历史饱含采矿业兴衰
的循环,当矿石采完或矿脉零落,开采作业停止了,当地经济消失,人们迁往他处,因此地热能可持续生产必
须是“提取热量”的概念而不能是采矿式的;如果现在建设的地热电站能够采用改进了的热储管理,配合以蒸
汽后置双循环的联合工艺设备新成果,必将收到热储长期持续生产、环境效益和运行方便的效果。
井下换热器(DHE)的系统是完全闭合的循环,只取出地热资源的热能而不取出地热流体。井下换热器
系统原理验证的现场试验作为美国太平洋高技术研究国际中心和日本工程推进协会的合作项目于1991年
在夏威夷进行。在日本Hijiori和Nigorikawa两处3000m深普通井用井下换热器的单井热输出分别为
4. 7MW和6. 3MW,若应用于湿热岩(亚水热型)时单井热输出有可能达到经济上可行的10MW;DHE系统
在获取能量和保护环境方面可以说将是各种地热开采方法中贡献最大的一种,研究的第一个目标是开发利
用温度接近350C的湿热岩,并且逐步应用于其它潜在的地热资源,一步步通向利用岩浆热储。
美国干热岩(HDR)研究开始于70年代,新的现场试验人工破碎4km深处花冈岩,1990年至1995年水
循环试验最后的成功记录为生产185C热水(6. 57L/J,水损失率7%,现场现已关闭;美国能源部的干热岩
计划转向了增强地热系统,在渗透性大的水热型资源和没有什么渗透性的干热岩之间的亚水热型资源带,渗
透性不够大而且水量不足,需要增强;莱茵地堑西边的Soultz一sousForots现场有法国、德国、英国、意大利、
瑞士和瑞典的科学家参加研究,为期6个月的水循环试验很成功,循环系统由2眼深约4km的钻孔和位于
沉积岩之下的晶质岩自然破碎带组成,天然的渗透性加以水力破碎增强,成为湿热岩试验;日本在山形县
Miori和秋田县Ogaclu两处现场为期两年的流动试验将于2000年开始。
美国加州Mammoth Lakes附近Long Valley火山口勘探井进入第三阶段钻探,希望确定这一地区地下
岩浆到底有多深;一旦精确确定岩浆位置,勘探井将变成岩浆换热系统原型和材料试验的工程实验室;各方
面更想了解Long Valley火山口在该地区的未来能源方面能起什么作用。
地热能在21世纪可持续发展一2000年世界地热大会的主题。
3我国地热能开发利用状况
我国有利用温泉的久远历史记载。70年代初,地质学家倡导把地热作为可再生能源利用,到1990年我
国的非电利用地热能消费量已跃居世界第二位。20多年来,我国在地热能开发利用方面建立了西藏羊八井
地热发电示范基地、天津地热区域采暖示范基地、静海(天津市)、雄县(河北省)、新郑(河南省)和福建省农科
院等4个农业利用示范基地、雄县与汝城(湖南省)热田科学管理技术示范县,开展了地热资源评价,高温地
热开发研究,地热温室利用技术,地热水产养殖、越冬、繁殖及高产技术,地热采暖、干燥及孵化技术,地热利
用工程关键技术,地热水对环境影响及防治,地热综合利用与管理等的研究与推广,形成了一定的开发利用
规模和地热产业。目前,地热开发利用的数量在全国一次能源消费量中,从统计数字上讲还微不足道,但是,
在开发利用地热能的那些农村以至县(市)发挥了重要作用,活跃了当地经济,也改善了生活条件。农村能源
匾乏,而地热能的利用技术相对来说是比较容易掌握的。
3.1地热发电支持边羽地区发展举足轻重
我国地热发电从70年代初开始,经历了19701985年期间以中低温试验电站为主和1985年以后发展
商业应用的高温地热电站两个阶段。
在70年代初建成的中低温试验电站中以江西温汤试验电站规模最小。温汤电站容量50kW,地热水温
度67℃,采用双循环系统,使用了向心式汽轮机,向地下热水通道注入地表冷水(河水)使附近地热水生产井
获得了自流压头,利用山泉小河坡降地形造成了3m水头的自流冷却水源,整个发电系统只有一台5kW的
”工质循环泵,可以不需要外电源启动。电站小巧、运行灵活,供当地夜间照明,当时这个小山村缺电,没有生产
负荷。以后,电站归属附近的小水电站之后停止运行。
湖南灰汤地热电站是70年代建成的一批电站中唯一继续运行的电站,电站容量0. 3MW,自1979年投
入连续运行以来,尽管由于当地地热资源开发缺乏统一管理,争水干扰迫使电站降低出力运行(有时甚至被
迫停机),仍然有50%发电量上网,部分缓解地区电网的枯丰效应,并且获得一定的经济效益。广东丰顺地热
电站是我国第一座闪蒸式试验电站,1982年又新增:台0; 3MW闪蒸发电机组,1984年并入当地电网运行,
该机组在统计的10年中年运行小时数大部分在7300小时以上,有几年达到8000小时以上。这两座电站都
是并入当地以小水电为主的地区电网,电价偏低,经济上仍然尚可维持。它们也表现出了地热电站可用系数
高、运行稳定和运行成本低的特点。如果能开发出中高温地热流体供建造MW级电站以增强地方电网,在正
常情况下会有更好的经济效益和社会效益。广东省一带使用柴油发电机组为数不少,可以在地热资源适当的
地方建立地热电站接替其中一部分即将退役的机组。
目前,我国中高温地热电站主要集中在西藏。西藏的总装机容量28. 18MW(羊八井25. 18MW、朗久
2MW和那曲IMw),并且带动了地热采暖和温室(种植蔬菜)面积约9万m2;羊八井电站的发电量占拉萨电
网的40%以上,对缓和能源紧缺状况举足轻重。《羊八并地热电站研究》一书详细介绍电站建设与运行前十
年中在地质勘探、热田构造模式、资源评价、钻井工艺、电站设计、抗垢与防腐、热田开发对环境的影响等各方
面展开的研究活动。
汪湘等在1995世界地热大会上阐述了我国2020年之前的地热发电发展战略与预测。在国家电网和区
域电网达不到的西藏高原、滇西和川西地区,矿物燃料短缺而高温地热资源丰富,优先开发地热资源,建设地
热电站与小水电联合,从根本上解决这些地区的电力供应,地热发电的成本接近于小水电而远低于柴油发
电,年运行小时数达7500小时,高于柴油发电的5000小时和小水电的3000小时。根据全国地热发电装机容
量从1982年到1994年由7MW发展到25. 18Mw(台湾省未统计在内,下同),平均年增长率为12%。随着经
济改革,能源部门将进行各方面的改革,包括企业管理改革、电价和优惠政策等,地热发电可望在2020年之
前有迅速的发展,预计2020年的地热电站装机容量将达到400Mw一585MW,主要集中在西藏和云南,其它
地区少量。
3.2京津地热区域供热已形成规模产业
在全国地热产业化技术经济研讨会暨能源研究会第四届地热专业委员会会议(1998年11月)上,任湘
代表第三届专业委员会所作的工作总结中指出,全国地热供暖面积近800万m2,有地热疗养院400余所,40
几处温泉旅游度假村。
天津市地热区域采暖由于近年的房地产业兴旺而加快发展。在70年代至80年代,开发利用的热储层位
浅,地热水温度低,用途单一,大部分用于工业,如汽车发动机厂将拢℃地热水用于磷化车间,津福木业有限
公司用48C地热水加工木材、纤维板以及作为锅炉补给水,毛织厂用53℃地热水清洗毛毯提高着色率等及
棉纺四厂、食品四厂等20多个厂用于工艺过程和生活用热水;90年代之后,开采层位由第三系转向基岩热
储,采出的地热水温度最高可达97C,多用于供暖,并且由单一用途转变为综合利用;根据1997年的统计,
全市已注册运行的地热生产井共计144眼,以采暖为主的约有90眼,区域供暖面积450万”l开采相对集
中在市区东南部地区(市区7个区中的河东和河西皈单热供暖面积已占总供暖面积的30%)、塘沽区、大港
区。武清县和静海县的开发规模正在逐步扩大, ==
天津塘沽地区的地热区域采暖开始于1980年,现已经发展到较高的开发利用水平。到1997年底,溜沽
地区(包括开发区、保税区)共开凿深200am的地热井26眼,年采水量500万m3左右,多数用于供暖,地热
区域供暖面积83万m2,有130个机关、学校、幼儿园和事业单位及6000多户居民共约12万人可以用地热
温泉水沐浴,还开发了地热矿泉水、水产养殖、地热游泳馆、温泉宫等产业;1994年,塘沽地热开发利用作为
我国政府与冰岛政府的合作项目得到北欧投资银行和北欧发展基金提供278万美元优惠贷款;合作项目主
要内容为开凿3眼深2000m左右的地热井、建立计算机控制的供暖供水系统、建立塘沽地区热储模型、建立
塘沽地热试验研究中心及人员培训等,1996年底已完成。开凿的3眼优质高产地热井中,两眼地热井与其地
面配套设施采用引进的技术和设备,自动调节供水温度和流量、控制管网压力的平衡及运行中采取系列措施
减轻系统腐蚀。
另一眼地热井及与其配套的地面设备采用国产设备,基本达到了与国外设备相同的自动监控水平和运
行可靠程度。
天津市随着地热区域供热规模扩大,发展起来一批地热工程配套的设备生产厂家与安装队伍、开发企
业、研究单位,如蝶泉地热开发有限公司、泰丰热力公司等多家热力公司投资区域供热。甘泉集团公司生产地
热井潜水泵、全自动恒压供水变频调速控制设备和除砂器等各种井口装置,极大地促进了地热开发利用与管
理有序发展。’
北京已有地热开发单位82家,开发利用主要集中在东南城区和小汤山,地热供暖面积达42万m2,八达
岭温泉度假村、新侨饭店等十多家星级饭店宾馆都用上了温泉;以温泉著名的龙脉疗养院开展一水多用,在
13万m2土地上建了39座设有室内游泳池的高级度假疗养别墅,有不同温度的娱乐健身项目,例如北京最
大的国际标准室内温泉游泳池以及温泉中药桑拿浴、蒸汽浴、雾浴、雨浴等60多种,并且配有温泉垂钓中心、
高尔夫球场、网球场、蒙古跑马场、射箭场、多功能大厦、名人俱乐部等。小汤山地区开发地热种植养殖业,建
有300多亩地热温室种植特菜,为涉外饭店宾馆、友谊商店、首都机场航空食品公司等一年四季提供大量适
合的多种叶菜,园林局的地热温室大棚鲜切花基地每年产鲜切花近800万支。不少单位地热浴池向大众开
放,此外还开发地热用于康乐保健。
华北各省以河北省开发利用地热能的规模较大。雄县城镇已有20万m’地热采暖工程,地热开发公司
准备从匈牙利引进技术和资金来实现县城120万m’地热采暖工程;深州市城区已建成25万m’地热供暖
工程和温泉游泳馆,在2003年以前要完成地热供暖面积160万m2,中长期规划中利用地热解决城区272万
m2建筑物的采暖。衡水市区地热供热项目已经启动,项目内容包括钻12眼地热井和3眼回灌井,建3台
10. 5MW调峰锅炉及配套设备,铺设供热管网60km,实现供暖面积130万m2,计划2000年完工。
我国在地热供热技术方面已取得新进展。井下换热器供热系统在怀来县温泉疗养院采暖试验已圆满完
成,地热井深102m,温度79C,采用U型管式井下换热器,井中并排放置对流增速管,输出热功率约
0. 2MW。以地下水为热源的地热热泵已在东北投入试运行。这两项技术都没有把地热水抽到地面上,不会引
起地下水位下降、地面沉降和地面环境污染等问题。
第四届地热专业委员会主任张振国在阐述今后工作方针时指出,北方高纬度寒温带地区将以地热供热
为主,培育开发利用的新生长点,推进新的开发地区,例如先期开发大庆地区1000一2000m深的地热资源,
形成大庆石油的接替产业和地热开发基地,然后向哈尔滨一长春地区推进,推动松辽盆地地热资源综合开发
利用;以辽东半岛、山东半岛为主的环渤海地区建立以地热能供热、温泉旅游、康复疗养为特色的地热开发利
用和服务体系,与地缘经济、优美的自然景观、海洋环境协调发展。
3.3地热农业利用示范活跃了农村经济
80年代后半期,我国建立了静海县、雄县、新郑县(河南省)和福州市等4处地热水梯级利用的农业利用
示范点。静海县团泊村基地有种植、养殖、孵化及工业加工综合项目,侧重地热设施的合理配置、提高热能利
用率和环境监控。雄县以蔬菜生产为主,侧重蔬菜基地经营管理技术,提高温室利用率,此外还有罗非鱼养殖
和皮革加工。新郑县以水产养殖为主,利用0℃地热水梯级水产养殖,元鱼越冬养殖池排放水供罗非鱼越冬
养殖,最后排水灌溉农田(水质符合灌溉标准),此外还有矿泉水开发和洗浴利用,福州市的示范基地设在福
建省农科院,以综合利用项目研究为主,研究南方地热温室苗床模式和温室供热方案,微机调控地热温室群
的温湿度满足不同作物生长的条件另1进国外观叶花卉、良种葡萄苗、热带香料作物等花果木快速育苗,食用
菌栽培,微机调控鱼池温度以创造热带食用鱼正常孵化、优化和高密度冬繁的条件及地热温室营养液栽培的
设备和控制系统的研制。
地热农业利用示范在改革开放的形势下推动一些农村利用地热发展经济。以河北省为例,地热水温度一
般为40C至90C,截至1991年底,全省地热种植面积483亩,主要分布在隆化、雄县、高阳、河间、献县、固
安、辛集等地农村,主要种植蔬菜、花卉育苗和生产食用菌等;雄县文家营浅牛1号井的19,4亩温室,年生产
蔬菜7.左万公斤和食用菌0.65万公斤,年产值9.4万元,利润4.7万元:隆化县七家镇71亩热地(热储埋
藏浅,地面温度较高,大棚内不装加热设备冬天可以种植蔬菜)年产值达90万元。高阳县地热温室生产的蘑
菇出口J在辛集、高阳等地还利用地热水加工皮革、羊毛烘干、食用菌烘干和蔬菜脱水。如今有的已发展成为
河北省有代表性的·产业,例如隆化县七家镇地热蔬菜种植面积已有500多亩(各个温室由农户自行管理),县
有关部门进行种植技术指导,产前产后一条龙服务,成为全省最大的地热温室蔬菜种植基地。沧州地区在中
捷友谊农场、南大港农场和黄哗县有规模较大的地热亲虾繁育基地、罗非鱼等水产养殖基地。河间县中林花
卉总公司用地500多亩,种植鲜花供北京等城市,年产值200万元,成为北方最大的鲜切花基地;雄县的保定
世柱园艺有限公司占地120亩可年产鲜切花360万支,销售到京、津、石家庄等大城市。
陕西省长安县东大乡也是一个例子。东大乡位于西安市南郊30km,有地热养殖、疗养、娱乐场所11家,
促进了经济发展,也解决了农村青年就业问题。
干燥是地热能农业利用中一项广泛应用的工艺,特别是南方多阴雨天气,农副产品容易发芽霉变。广东
邓屋1979年建成面积37m’的小麦烘干和催芽两用室,烘干时地热水(s2℃)加热地板可使板面温度达到
53C,催芽时地热水引入室内明沟维持室温28C一30℃,烘干时间6小时而太阳光下晾晒需要3天,催芽时
间比常规方法缩短一半。福建省连江县贵安村1986年建造的烘道式香菇干燥装置,地热水8=℃,热风温度
可在30C一65℃范围内调整,18至20小时可使含水率下降到11%。河北省高阳县1992年建立的温泉洗毛
厂采用了改进的带式干燥机,地热水108C,最高干燥温度可以达到95℃。广东省佛岗县农产品地热烘干厂
使用热风式干燥设备,地热水65C,热风最高温度可达61C。河北省辛集市地热开发公司建造了地热一太阳
能干燥室,夏季干燥农副产品,冬季作为温室培育平菇菌种。此外还有通用的双通道烘干装置、干燥颗粒物的
流态化干燥机等,干燥设备排出的地热水都供下一级综合利用。
在北方,许多地方地热水在60℃左右,不论是地热温室还是太阳能温室都主要用于冬天种植。为了充分
利用设备,发展了地热能与太阳能互补的兼用温室,冬天种植,夏季干燥。兼用温室在一般的太阳辐射情况下
补充适量地热能可以保证一般干燥强度(例如干燥周期为15小时),在强大阳辐射情况下单靠太阳能就能保
证一般干燥强度,也可以补充地热能以增强干燥,阴雨天和夜间完全依靠地热能可以进行弱干燥,即干燥周
期24小时。河北省昌黎县龙家店镇也采用了地热能与太阳能互补的温室石3℃的地热水供温室种植蔬菜、鸡
舍增温和生活用热(冬季敬老院采暖和生活用热水及居民浴室),温室、鸡舍和采暖排水送入养鱼池,鱼池尾
水与鸡粪排入沼气池可提高产气量,沼气用于鸡舍照明,部分沼气池水用于喂鱼,沼气池渣作为农田肥料,形
成了地热能一太阳能一生物质能综合利用系统。
3.4地热能利用带动县(市)经济发展
湖北省英山县位于大别山南麓,在城关镇周围分布有十多个地热点。自1988年经过十多年努力,地热利
用逐步扩大到农业、工业、养殖、医疗、旅游、体育、科研和居民生活等8个方面109个项目,成为山区县经济
的特色产业,英山县城关镇正式改称为英山县温泉镇。英山县现有养殖水面近百亩,有东汤河的45亩水产技
术推广站和北汤河35亩水产良种场,人工繁殖名优品种,以出售苗种为主,兼养成鱼平均年产值1. 37万元/
亩,安置从业人员60多人。县麻纺厂位于五个规划区中的西汤河工业、文体区,利用地热水调整麻纺车间温
度和湿度,提高加工麻线的质量,每吨产品成本降低400元,棉织厂、皮革厂等利用地热水进行漂纱、汰纱、烘
干、漂洗、脱毛、脱脂等工艺,每年节约标准煤2.3万吨。东汤河、西汤河和北汤河三个自然村用地热利用设备
的尾水每村种养了十多亩水浮莲种苗(越冬),每年供应种苗20多万公斤,收入20多万元,并摸索出小面积
“稻一稻一莲”高产栽培模式,每亩平均年收入8000一10000元,成为这些村的固定产业。县温泉疗养院康复
医院位于北汤河康复疗养区,占地3.2万m2,建筑面积:.2万m2,拥有固定资产1200多万元,设有高档病床
150多张,大中型医疗理疗设备32台套。县温泉游泳跳水馆占地1.6万m2,建筑面积6000m2,是湖北省体委
定点的游泳、跳水冬训基地,向国家队输送了一批又一批优秀运动员,而且该县近十年来在全省跳水、践泳比
赛中获奖牌200多枚,实施国家的《全民健身计划纲要》向社会开放,每年接待游泳健身10万人次;先后兴建
了温泉山庄、温泉宾馆、温泉馆店、温泉浴池等一批集食宿、娱乐、健身为一体的综合性休闲、度假、会议的服
务产业,年营业收入上千万元。地热科学实验站设农业、水产和医疗三个科研组,1991年引进优质热带鱼进
行人工孵化,每年可以提供罗非鱼苗40万尾、革胡子鳅鱼苗30万尾、淡水白娼鱼苗20万尾,年创产值50多
万元。城区居民已有30%住户用上地热生活用水,仅此一项每年减少采伐薪柴2190万公斤,可使3.2万亩
林地封山育林,相当于每年营造5500亩水土保持林。实施地热化城市建设以来,共创办开发利用地热资源的
各种企业和经济实体120多个,增加就业1700多人,创产值3亿多元,获利税5千多万元;实施科学管理,保
护地热资源,不兴办有污染的企业,不破坏林木和绿色植被,新建地热设施不绿化不开业,县地热公司10年
来先后植树:万多株,种草坪1100多m2,购买和安装排污设备5台套,减少了污染,有效地保护了森林资源
和生态环境;今后十年将继续开发东北西温泉,综合开发南温泉,建设地热供水基地、名优特水产种苗基地、
高效农业农作物种子培育基地、地热旅游区(结合毕升、吴家山、桃花冲等森林公园及英布墓、皋陶墓等古迹)
和轻纺工业基地(充分利用盛产的桑蚕扩建媒丝厂、绢纺厂、麻纺厂为主体的轻纺工业,年产优质蚕丝1500
吨、优质麻纱800吨,实现轻纺工业总产值2.3亿元)等五大基地,形成工业生产、农业科研、居民生活(城区
居民地热生活热水覆盖率达到90%)、医疗康复、游泳跳水和旅游服务等六大系列的地热产业发展格局,使
总产值达到9.2亿元,年节约标准煤10万吨。
湖南省汝城县位于湘、粤、赣三省交界的南岭北侧,有热水圩地热田距县城47km和暖水地热田距县城
8km,地热利用采取“一农业、二医疗、三旅游”的步骤;地热农业利用方面主要建立水稻原种生产基地、珍贵
苗木快速繁殖基地和鱼苗苗种及特种水产种苗基地;热水圩热田建有全光照玻璃温室4幢计2480m2,主要
用于杂交水稻“三系”亲本提纯生产原种,满足彬州地区11个县(市)310多万亩杂交水稻种子需要,每年可
以增产粮食0. 78亿公斤,还支援其他省市部分种子;每年秋冬还接受其他县(市)和农业科研单位的水稻、棉
花种子纯度鉴定;利用热地面种植原产于亚热带的苦丁茶,1996年县地热农用研究所用8.6亩热地面产苦
丁茶216kg,收入16. 18万元,1997年荣获巴黎名优新产品(技术)国际博览会最高金奖和全国(HN)新技术、
新产品展览会金奖,苦丁茶种植面积现已扩大到71.3亩;采用全日照地热加温间歇喷雾技术建立苦丁茶种
苗基地,已繁殖苦丁茶苗4万多株;温室种植蔬菜调节当地蔬菜市场;现有地热增温养殖温室367m2,尾水利
用的露天鱼池3367m2,养殖特种水产品,每平方米年收入达134元:建有烘干室23m’用于稻谷等农副产品
烘干,苦丁茶平板烘干床6m2。今后将进一步发展种植业、养殖业和种子、种苗工程,兴建现代化地热育种温
室10一15亩,花卉温室或大棚5亩,特种水产种苗保种繁殖面积扩大到15一20亩,苦丁茶种植面积扩大到
1000亩,发展温室蔬菜,发展具有湘南山水风情特色的旅游、疗养、康乐等第三产业。
福建省已有安溪、同安、连江、德化等县引温泉进城关,用以改善投资环境和提高人民生活条件。
4关于我国发展地热能的思考
地热能的开发利用需要纳入环境经济规划。一个地区的环境经济规划不限于单个生产单位的环境影响
评价,它包括整个地区通过改进工艺、提高能源利用率、产生的污染物治理和采用地热能这类不产生污染或
少污染的替代能源等措施削减污染物排放量的计划。削减计划的实施直接改善地区的环境质量,或者在保证
环境质量的条件下把削减的一部分污染物排放量转让给最急需产品的生产发展。因此,一个地区的环境经济
规划是为了协调地区经济与环境的良性发展。环境经济规划优化确立了优化的能源结构,成为其中一部分的
地热能开发利用才成为经济与社会发展的需求,地热能的开发利用才能发挥最大的作用。游离在环境经济规
划之外就地热能来谈地热开发利用的这种个案开发利用,虽然也取得经济效益和环境效益,但是它不决定于
经济与社会的需求,随机性大,而且也会有决策不当的情形。
我国以煤为主的能源结构将延续相当长的时期,然而已面临煤炭消费产生的污染对经济可持续发展的
制约,只有调整能源结构,增加优质能源、新能源和可再生能源的比重才能适应经济发展和环境保护的要求。
尽管我国煤炭蕴藏丰富,毕竟是不可再生的有限资源。多开发利用一些清洁的可再生能源就能够少用一些煤
(许多用途不一定要用煤),且不论多留一些煤给后世而后世会有更好的利用办法,眼前就能减少一些污染物
排放量,这不仅可以缓和经济发展对环境保护的压力,而且直接减少可观的污染治理费用。只有把地热能开
发利用纳入环境经济规划,才能充分有效地发挥地热能的替代作用。
我国地热资源以水热型为主,除西藏、云南外,温度较低,但分布面很广,适合直接热利用。因此,今后我
国地热利用应以发展地热直接热利用为主。
我国地热能开发利用开始于70年代初,那时有过一番宣传活动,如今20多年过去了,地热的话题只限
于开发利用的专业圈子里。然而,今后中低温资源开发利用不论在城市或农村都是贴近老百姓生活的事情,
而且还有进一步待做的事情,例如与温泉有关的矿产资源的开发利用。因此,地热资源开发利用的科学普及
工作不可忽视。科学普及不仅要达到大众认同,而且要达到能源界、环境保护界、经济界、产业界和教育界认
同。只有广泛的认同才能通过环境经济规划发挥地热能的替代作用和保护好地热资源。
地热能是各国的本上资源,然而地热资源开发利用技术的研究开发有许多国际合作活动。我国也和一些
国家进行合作,不断有地热专家来工作和考察研讨。今后我国可以派专家参加国际合作项目,特别是参加一
些现场试验研究项目。参加国际合作可以增进直接了解和感受国际上地热开发利用动向和技术发展。腾冲
的火山区是研究地球深部热活动的一个极为难得的窗口,也可以组织国际合作项目进行考察研究。
 
 
 
 
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