浅层地热能开发主要问题(PPT资料整理)
初一 散文 5088字 3175人浏览 处女座旧伤疤

浅层地热能

概念

浅层地热能(shallow geothermal energy ):指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m 埋深),温度低于25℃,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。[河南省规范的定义]

地表以下200 m 深度范围内在当前技术经济条件下具备开发利用价值的蕴藏在地壳浅部岩土体和地下水中温度低于25 ℃的低温地热资源。浅层地热能属于低位热能,适合采用热泵技术加以利用,利用时不产生CO 2、SO 2等污染气体,目

前主要用于城市冬季供暖和夏季制冷。

中国中低温地热资源广布于板块内部的大陆地壳隆起区和地壳沉降区。东南沿海地热带是地壳隆起区温泉最密集的地带,主要包括江西东部、湖南南部、福建、广东及海南省等地。在板块内部地壳沉降区,中国广泛发育了中、新生代沉

积盆地,如华北盆地、松辽盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、渭河盆地、苏北盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地和柴达木盆地等,这些盆地蕴藏着丰富的中低温地热资源。

我国浅层地温能开发利用适宜区为东北地区南部、华北地区(京津冀蒙[呼、包、鄂、乌])、江淮流域(安徽大部、江苏大部、河南东部、湖北中东部、湖南北部、江西北部、浙江北部)、四川盆地。浅层地热能开发主战场:京津冀地区、辽宁、河南、山东、内蒙古、山西。基于我国地质、水文条件和地形地貌不同的地域特点,将我国城市浅层地温能资源的应用环境划分为4类:①滨海型城市,浅层地温能开发利用应优先考虑地埋管地源热泵方式和地表水(江水、海水)地源热泵方式。②平原型城市,冲积平原型城市的浅层地温资源的开发利用一般可采取地下水或地埋管地源热泵方式;冲积三角洲平原城市的浅层地温资源开发利用一般侧重于地埋管地源热泵方式;山前平原城市的浅层地温资源的开发利用原则上讲应侧重于地下水地源热泵方式。③内陆盆地型城市,以地下水地源热泵方式和地埋管地源热泵方式为主;④高原河谷型城市,在深切峡谷区可选择地下水地源热泵方式,山坡地区可选择基岩地埋管地源热泵方式。但是,在进行浅层地热能开发的时候一般首要考虑水源热泵,当地下水资源缺乏的情况下,才适用地埋管地源热泵方式。

目前,中国在利用方式上形成了以天津、陕西、河北为代表的地热供暖,以沈阳为代表的浅层水源热泵供热制冷,以大连为代表的海水源热泵供热制冷。考虑到经济性和可用性,当前定义浅层地温能利用深度一般为200米。我国南方地区以散热方式为主,经济的地埋管施工深度一般为100米左右;北方地区以冬季取热为主要用途,由于浅部地温较低,根据地热增温率,开发利用深度可增加到300或400米。

一、 国外研究现状

瑞士人(1912年)首先提出地源热泵技术;

第一个地源热泵系统在美国俄勒冈州诞生(1946年)

1974年起,瑞士、荷兰和瑞典等国政府逐步资助建立示范工程;

1986年 Tan和Kush 根据线热源理论通过模型近似计算出地源热泵系统长期运行过程中井(孔)周围土壤(岩石)的温度的解析解;

1993~1995年 Mikler和Yuill 利用数值方法分析研究单井回灌的渗流及热交换过程,并取得大量试验数据;

2004年 Rees,Spiler ,Deng 等建立了系统二维、非稳态的数值模型,并利用一维的简化数值模型应用于实际工程计算;

二、 国内研究现状

20世纪50年代 以吕灿仁为代表的学着和专家开始研究浅层地热。

2005~2006年王秉忱、吴学敏、沈梦培等调研我国地热资源的开发利用问题并向国务院提交建议。

2008年《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》(国土资发

[2008]9号),标志我国浅层地热能资源开发利用将步入规范化轨道。

2009年 国土资源部组织开展《全国地热资源潜力评估》工作。

2010年 我国发布首部有关浅层地热能开发的行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》;

2011年29个省会级城市浅层地热能调查评价项目年内分两批实施。第一批包括石家庄、呼和浩特、沈阳、长春、杭州、合肥、济南、郑州、重庆、西安、兰州、乌鲁木齐12个城市。第二批实施的城市包括太原、哈尔滨、上海、拉萨、南京、福州、南昌、武汉、长沙、广州、南宁、海口、成都、贵阳、昆明、西宁、银川17个。港澳台除外。

2012年6月,国家能源局批准组建了国家地热能源开发利用研究及应用技术推广中心,并设立了技术委员会和指导委员会,分三个层次:一个层次是中石化新星,专攻地热能;另一个层次是中石化自己内部的勘探开发研究院——石油工程研究院,包括石油科学炼油研究院、化工研究院等研发力量;再一个层次是,知名大学、科研院所、企业等主要地热能研究团队和专家构成的体系。

2013年初,国家能源局、财政部、国土部和住房和城乡建设部联合发布了 《关于促进地热能开发利用的指导意见》,给地热能这一新能源的开发利用奠定了政策基础。

2014年6月,国家能源局、国土资发出《关于组织编制地热能开发利用规划的通知》,要求近期地热能开发以浅层、中深层地热能为主,远期发展中温地热发电和干热岩发电。

2015年 我国首部专门针对浅层地热能钻探的地方标准《浅层地热能钻探技

术规范》由河南省质量技术监督局正式发布;

起草单位:河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院、河南省深部探矿工程技术研究中心、河南省地热能开发利用有限公司、河南工程学院资源与环境学院、中国地质科学院勘探技术研究所。

主要起草人员:卢予北、张宗恒、洗星海、陈莹、吴烨、李贵明、王现国、董永志、王建华

规范主要内容:规定了浅层地热能地下水源井设计要求和施工要求、垂直地埋管钻孔设计要求和施工要求、工程验收方法。

2016年 国家地热能中心、中石化着手开展《地热能开发技术标准体系研究与规划》,拟在 “十三五”末建成世界上第一套具有自主知识产权的地热能开发技术标准体系;

地热资源开发利用是一门多学科的综合技术,涉及资源勘查与评价、钻井成井工艺、尾水回灌、梯级利用、高效运营、保温与换热、防腐防垢和发电等技术。目前,中国的地热工作者经过多年研发,初步建立了一套与中国地热资源特点相适应的技术体系,指导了地热资源勘查开发实践。

围绕浅层地热能展开调查研究的省市有:北京、天津(2010年止,我国利用地热供暖规模最大的城市、占全国地热供暖总面积的70%)、河北、河南、上海、浙江宁波、辽宁沈阳、江苏泰州南昌、山西、山东、安徽、黑龙江、江西、吉林。80%集中在华北和东北南部地区

三、存在的问题

我国使用最多的两种开发利用形式:水源热泵系统和土壤源热泵系统。浅层地热能开发利用工程的关键技术主要是地下换热装置设计与施工。

1、 引起的环境问题

① 水质:地热水含有重金属和其他有害元素,尾水不经处理直接排放,会对地表水、地下水水质造成污染

② 水温:地热水经一次货多次利用后温度降低,但相对地下水来说尾水温度仍然较高,地热尾水排入地表水体后,水体温度升高,打破原有温度场平衡,进而直接影响该水域生态平衡。

③ 资源问题:有效利用率低:被开采出来的地热能(即从井口得到的热量)只有一部分被利用,即有效利用地热资源量低;

地热尾水回灌因为成本高,很多企业无力支付,选择尾水直接排放地表或地表水体,长期以往,不仅造成地下水浪费,还会使地下水得不到及时补给,直接表现在地下水位下降,并产生地面塌陷或沉降等一系列次生地质灾害。

2、 企业资质参差不齐

对开发、勘查、设计、施工企业未明确设置行业准入条件,致使施工质量良莠不齐。

3、 管理体制不健全

北京市的《关于发展热泵系统的指导意见》和《关于加强地热回灌,保护地热资源的通知》、天津市的《天津市地热利用工程设计标准(试行) 》和《天津市地热回灌地面工程建设标准》、河北省的《河北省地热资源管理条例》、重庆市的《关于加强地热资源管理的意见》、咸阳市的《咸阳市地热资源管理暂行办法》、上海的《上海市浅层地热能管理暂行办法》等。

目前国内发布的地热能源开发相关标准有9项,其中,关于地热能评价勘察规范的2项,浅层地热能供热制冷相关技术标准1项,见表1。(石油行业:国内

共计制定和发布1819项标准——包括国家标准163项,行业标准1656项)

① 对已建工程运行效果、热均衡状况及其对地质环境条件的影响缺乏研究、

监控;

② 缺少明确的监督管理部门,分工不明确,管理存在越位、错位和不作为的混乱情况;

4、 核心技术水平不高

(1)地下水源井技术是地下能源采集系统的核心和关键。

① 地下水源热泵井管材选择

现在成井管材主要使用水泥管和螺旋钢管(钢板卷焊式桥式镀锌过滤管和普通钢管组合)。前者虽耐腐蚀,但抗冲击、抗弯曲、抗拉强度极小,后者强度虽极高,但是易腐蚀结垢。

新技术:PVC-U 塑料管(优点:耐腐蚀、不结垢、轻便、寿命长等)抽水井和回灌井首选。但是,在施工过程中存在的问题和风险有2点:PVC-U 塑料管材料密度小(1400Kg/m3),仅是钢材密度的18%左右,故,在井内充满泥浆的环境下浮力较大,下入困难;其物理力学性能指标远远低于钢管,故,在下管、投砾或洗井抽水过程中,井管内出现过大压差或遭受冲击力时,容易出现塑料井管爆裂事故。目前,国巧外供水管井使用的PVC-U 塑料管多数在50-100m 之间,并旦成井口径较小。

② 钻井(孔)结构设计

井的滤层厚度要按照不同地层来设计,即钻井口径与成井管径的间隙在松散地层和基岩地层各有不同要求。

(2)回灌技术

影响回灌的主要因素:

① 成井工艺:井身结构、钻井液、洗井方式、成井工艺

② 回灌系统综合作用:地面净化系统、回灌方式、抽灌井间距

③ 回灌流体与储层相互作用:物理作用、化学作用、储层砂粒移动

(3)热贯通

由于回灌水与原始含水层温度存在的差异,在导热和对流等作用下,回灌水会导致抽水井温度有不同程度的升高或降低,这种现象就是“热贯通”。粗颗粒(卵砾石、砂砾)地层抽灌井间距约100m ,细颗粒地层(粉、细砂)间距不低于50m 。实际情况是,因为场地大小的限制,抽灌井间距在5-20m ,由此造成热贯通和地下水污染,轻则增加运行费用,重则导致机组瘫痪。

5、 政策扶持力度不够大

① 对地热供暖企业给予一定的财政补贴。目前,在地热供暖收费方面,大部分城市仅参照燃煤锅炉供暖收费,忽略了生态效益,地热供暖收费标准总体上偏低,许多供暖项目由于经济效益低下而无法实施。

② 制定地热发电上网电价补贴政策。目前,国家对风能、太阳能发电上网电价出台了补贴政策,但对地热发电还没有相关优惠政策。建议参照其他可再生能源发电的上网电价补贴,制定地热发电上网电价补贴政策。 住房城乡建设部2009年启动可再生能源建筑应用城市示范,对纳入示范的城市,中央予以资金补助基准为每个示范城市5000万元,对推广应用面积大,技术类型先进适用,能源替代效果好能力建设突出,将相应调增补助额度,但每个城市最高不超过8000万元。

③ 对于地热尾水回灌,按回灌井费用的一定比例给予企业适当的配套资金投入。地热尾水回灌一般采用“一采一灌”或“一采几灌”,即打一口生产井需要配套打一口回灌井或几口回灌井,给生产企业增加了沉重的额外成本,许多企业不堪重负,把尾水直接排放,结果造成了环境污染和资源快速枯竭。

2011年,河南省平原区面积占据全省面积一半,平原区广泛分布浅层地下水,资源量达131.79×108m ³,大部水温15~18℃,富水性中等~极强,单井出水量一般100~120m³/h,部分地区120~200 m³/h,甚至达到200~300 m³/h,具有良好的回灌条件。水质除硬度超标外,基本满足地源热泵水质要求。具有丰富浅层地热能储量的城市就有郑州、开封、新乡、濮阳、许昌、漯河、周口、焦作、安阳、洛阳、南阳等,目前,浅层地热能开发的面积超过1600万平方米。

2015年郑州已有浅层地热能空调用户50多家,地能空调井200余眼,井深一般100m 左右。

河南省地源热泵应用情况统计表

中石化集团在浅层地热方面的开拓

提出 2013年,中石化集团公司明确将地热能业务作为集团一个单独产业进行整体规划;

代表公司 新星公司作为中石化集团清洁能源专业公司的发展定位;

调查 2015年,据中石化新星石油有限公司统计,我国浅层地热能资源量相当于95亿吨标准煤,现每年开发利用量相当于3.5亿吨标准煤,实现减排5亿吨

CO 2。

发展 2015年3月,中冰地热技术研发中心,中石化新星公司为中方依托单位; 2016年5月,国家能源局国家标准化委员会授权中石化组建“能源行业地热能专业标准化技术委员会”