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因地制宜:地热开发与管理的真谛
发布日期:2021-11-09
[摘要]:地热学是一门学科,地热开发属于能源技术,地热的开发管理不是简单的行政管理,要遵循科学、依靠技术。今年非常及时地提出的“因地制宜开发利用地热能”是一个遵循地热学科规律、发挥地热能技术优势的绝妙方针和策略。

因地制宜:地热开发与管理的真谛

郑克棪

中国地热产业工作委员会


地热学是一门学科,地热开发属于能源技术,地热的开发管理不是简单的行政管理,要遵循科学、依靠技术。今年非常及时地提出的“因地制宜开发利用地热能”是一个遵循地热学科规律、发挥地热能技术优势的绝妙方针和策略。


1.因地制宜的提出:正确而及时


我国节能减排方针的贯彻实施和提倡清洁供暖的形势,给我国地热行业发展注入了新的动力,地热开发利用掀起了一阵阵高潮。近些年来伴随着高潮的大浪,我们听到了不少新的口号,各地也出台了诸多的管理,于是在信息发达的当今,这又引发了地热行业各界的思虑:中国地热的下一步该如何适从?将走向何方?


幸喜2021年年初以来我们听到了新的声音,强调了可再生能源和地热开发利用的“因地制宜”。


年初,国家能源局以(国能发新能〔2021〕3号)发布《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》,提出“因地制宜推广各类可再生能源供暖技术”。


今年3月12日新华社受权全文刊发《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》。纲要指出“十四五”及未来时期,我国要加快构建现代能源体系。推进能源革命,建设清洁低碳、安全高效的能源体系,提高能源供给保障能力。其中也提到了因地制宜开发利用地热能。


今年8月16日国家能源局局长章建华在人民日报发表署名文章《服务保障碳达峰碳中和目标如期实现》指出,坚持可持续发展战略,大力推进非化石能源迭代发展,稳步加快替代力度和节奏,切实让绿色低碳发展的成色更足、分量更重。加快发展风电光伏产业。积极稳妥发展水电、核电,开工建设一批重大工程项目。因地制宜发展生物质能、地热能等其他可再生能源。


因地制宜开发地热资源的提法绝对正确。地球是世界最大的不均质体,世界各地储存地热资源的地热田全都处在不同的地质条件(可有相似,但不同的地热系统)中,地热开发不可能服从某个统一的模式,地热管理也决不是一刀切,按国际《地热学》来说是:各地热田应按照自身热储工程的特点来发挥其最大的利用效益。这就是因地制宜。


2.充分利用优势资源:关于对流和传导


在中国地热产业发展大潮中,从业企业和机构在市场经济中会遇到各种各样的问题和局面,他们不得不面对,而且要予以解决,还要给出自圆其说的说明。鉴于不少企业和机构尚缺高端的地热技术人才,又为了在市场竞争中表示自身的先进,这些年来已出现了诸多他们自创的新名词,有的还申请了专利。我们曾在一些专业研讨会上展开辩论,批评借用“干热岩”名义的不正确叫法,劝阻了企业不要误导概念,共同促进地热行业的健康成长。此后又有些不规范的叫法出现,企业自称“无干扰”(地热学中查无此名)、“取热不取水”等,有的政府部门还听信而选择了作为决策,实际上这受了非专业的误导,混淆了基本物理概念对流和传导的巨大差异。


为了说明热对流和热传导的差异,我们来看2个例子。


北京城区1974年钻成京热16号地热井1299m深,出水56.5C,出水量1342m3/d。该井用于地热供暖28000m2,供暖尾水温度降至35C,其产出的热功率是1398kWt。这样的地热抽水利用方式是热对流取热。


河北省唐山马头营于2020年钻成3000m干热岩井,井底温度119C,利用重力热管,地面获得最高90C饱和水蒸汽,产出热功率近200kWt。这是取的热传导热,虽然井深了2.3倍,温度高了2.1倍,但取得的热功率却只有上例抽水井对流热的七分之一。


国外地热能源技术教科书中有热传导和热对流的对比图(图1),图中热传导是一个常量,是不随横轴渗透率变化的一条水平线;但热对流是一条曲线直上云霄,其随渗透率的增加呈指数增长(横坐标是指数刻度)。

现在,多地政府文件中提倡“取热不取水”,似乎是“中国发明”,“世界第一”,可以不回灌、等于解决回灌难题了。


图1  热传导与热对流的对比


实际这并非什么中国“创新”,国外40多年前就有,叫Downhole Heat Exchanger (DHE)井下换热器,美国爱达荷州波伊西市各家庭独栋花园住房200-300 m2,一家一个装置,钻个100m井,80C,地热温度高,供暖面积小,不成问题,冬季供暖解决了(如图2)。他们不用抽水和回灌就是为了省事,一个家庭应用的热量足够了,条件适用,这就是“因地制宜”。


    

图2  美国波依西井下换热器家庭供暖


但我们的“取热不取水”要应用到一栋楼,一个小区,应用面积大,地下温度不高,井还得钻2000m深(全国很多地方都达不到2000m 能有70C的条件),取出这么点热远远不够,使用热泵增大几倍仍还不够,还必须加个贮热箱(大于200m3)。这样的“取热不取水”就变成了实质上的抛弃可用的2000kWt对流热不用,非要提倡300kWt的传导热,还算是避免了回灌难题,你怎么不计算一下你的成本呢?传导热的成本绝对比对流热高出多倍!

问题还发生在政策制定部门,将“中深层地岩换热清洁供暖技术”入选国家级推广目录。拒绝高效对流取热,提倡低能传导取热,仅从字面认定了“取热不取水”,典型的不是因地制宜。


今年8月,某地某局还出台了《关于进一步加强……无干扰供热技术推广……》的通知,还说这“简称干热岩”,通知末尾还附有“未使用干热岩供热整改清单”。另外,还有某地方记者报道当地政绩的中深层无干扰地热能供热项目投产等新闻,虽说记者不懂专业,但这些事态反映出同一个问题:这是当地捡起了好听的,而丢掉了实用的。这些都不是因地制宜。


3.充分发挥资源优势:关于地热回灌


前不久,行业内报道了甘肃省张掖钻成地热井自流78C,出水量6000m3/d,水头达1.5MPa。这是一眼高产地热井,如果热水利用到尾水35C温度,则其可利用的热功率为12.5MWt,这样高产的地热井在所有地热井中的比例不到5%。


网络报道后不久,笔者本人接到了甘肃省地矿局水勘院来的电话。据对方介绍,这是省地勘基金投入钻的井,计划作地热供暖、旅游开发和设施农业开发利用。但是张掖市政府不准开发,说必须做回灌才能开发。他说当地是新近系砂岩热储,孔隙率11~13%,渗透性低,热储压力又大,不知如何做回灌。


笔者答复,地热回灌应该是因地制宜进行。笔者举了世界最早、最大地热开发的意大利、新西兰和美国的例子。世界第一个地热发电的意大利拉德瑞罗电站1913年商业运行,1979年开始回灌,前期60多年没回灌,感觉增产潜力吃紧了,才去回灌。世界第二个地热发电的新西兰怀拉基电站1958年商业运行,70年代中后期产能有所下降了,才去回灌,前期近20年没回灌,宽度2米的数百米明渠将尾水中的二氧化硅沉淀到渠壁上,尾水再排放入河。世界第三个地热发电的美国盖瑟尔斯电站1960年商业运行,1973年就做成世界最大地热发电,1983年开始回灌,其实当时地热电站产能还再直线上升,但热储的高压有所减小,就可以回灌了。


图3  世界顶级地热发电站的发电进程和回灌实施


这些地热田为什么拖了几十年没回灌?因为热田开始生产的时候热储压力很大,井口3~5MPa,即30~50个大气压的高温热流体喷出来,没法回灌。它那么高压喷出来,你至少得再增加2个大气压的压力才能把它顶回去吧,需要消耗刚产出的功率,值得费大劲去做吃力不讨好的事吗?等到多年后热储压力下降了,也需要回灌来补充和增压了,回灌就顺理成章了。回灌的理念需要早有考虑,计划要做,但开始开采监测着,到需要的时候提前试验,再实施回灌。


因此,笔者对甘肃省地矿局水勘院回复:张掖市政府的要求不是因地制宜,不符合今年的政策要求。热水从地热井口15个大气压自流喷出来,回灌得用17个大气压才能顶回去;现在100余平方千米才一眼井,没有必要强调回灌;将来井多了,压力降低了,再做回灌;现在地热供暖、旅游开发和设施农业开发利用先做起来,发挥地热利用的效益;你地热水的总溶解固体含量5克/升,对排放尾水所含超标的成分处理合格后,合格的排放水可以作其它利用。这样做就是今年国家强调的因地制宜。


4.因地制宜:充分体现了地热的内涵


因地制宜是强调了遵循地热能自身特性来科学合理开发利用资源,并实施专业的地热管理。


地热资源的分布受地质条件约束控制,各地有温度高低,热水中矿物质含量有多寡,它们分别适宜各自不同的可利用方式。因地制宜就是根据当地资源的具体情况,采用不同的开发利用方式。比如,高温地热可以发电;发电后温度降低了可以供暖;温度不够了可以采用热泵。热水矿物质少的可直接送入管线供暖;但矿物质多的有腐蚀和结垢问题,要用热交换器换热后再输送。


清洁供暖可再生能源供暖也是,笔者曾撰写文章说过选择最佳供暖方案要做技术和经济可行性分析,技术效率差不多的就选更经济便宜的。如果(水热型)地热资源条件好的地区,地热供暖最适宜(效率高,又经济),但若那里地热条件不好,不适宜钻地热井,那就选其他方法。空气源热泵的效率(COP)比地源热泵低,但空气源热泵便于安装施工,所以偏南方地区可以用空气源热泵,但若用在严寒的北方就效率太低,用电成本太高,宜优先考虑地源热泵。


因地制宜可以说是地热利用应遵循的基本属性(原则)。


因地制宜原则还涉及到地热资源管理,这是适用我国中低温地热田大范围分布的中国式管理办法。国外高温地热发电开发,一个公司承担一个地热田的开发,自成系统,不与邻家牵扯。地热电站发电运行的同时,热储工程专业的工程师就在负责各项监测和构建模型拟合,随时以数据指导开发方案和必要调整。缺了监测、少了回灌,都是自作自受影响可持续开发,热储工程的岗位就得负这个责,无法推脱,就决不马虎,成为铁律。


中国的地热管理要针对一个热田有许多家开发,地热管理的现状就有点乱。各地的管理机构地热管理处,有属于自然资源(地矿)系统的,有属于水务系统的,还有属于建设系统的。《矿产资源法》将地热归为液体能源矿产,要颁发探矿证和采矿证。水务系统说地热属于地下水,要据《水法》核发取水许可证。地热开采要兼具两证,已够麻烦。近期某地政府又出一招:称出于生态环境和地下水保护考虑,派城管去执行监督和部署热水井的关停。当地自然资源部门和水务部门原有地热井的登记在册,不让他们去执法,是怕他们袒护地热井用户?必须让自然资源部门和水务部门交出清单,而让城管去“公正”执法?笔者认为,地热管理应该专业管理,尊重地热资源开发的因地制宜原则,尽量简化,越管越复杂繁琐总不是方向。


(注:原文刊登于2021年10月刊《中国地热》杂志)


责编:zf




 
 
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