干热岩供热技术的经济性与可行性研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 166 干热岩供热技术的经济性与可行性研究 林红艳 西安深恒节能科技有限公司，陕西 西安 710000 摘要：摘要：干热岩供热技术在我国能源消费结构中占比低，对环境保护影响较小，经济性较好，有推广应用的良好基础。但与常规能源相比，干热岩供热技术投资巨大，目前在国内的实际应用成本很高。本文对干热岩供热技术进行了概述以及干热岩供暖的特点和优势进行了分析，并提出了干热岩供热技术的应用技术路线以及对干热岩供热技术的经济性进行了分析，结果表明：干热岩供热技术在我国能源消费结构中占比低，但经济性较好，具有推广应用的良好基础。关键关键词：词：干热岩供热技术；经济性；可行性 中图分类号：中图分类号：TU995 0 引言 干热岩是指埋于地下较深、温度较高的热岩体，具有开采难度大、开发成本高等特点，目前在地热资源勘探和开发方面仍存在一些技术难题。干热岩资源主要分布于北美和欧洲，由于其分布集中，开发利用成本高、成本回收周期长、运营管理难度大等原因，目前干热岩利用仍处于初级阶段。在我国，由于干热岩开发利用技术还不够成熟，以及对环境影响和经济利益的权衡，导致干热岩在国内的应用还处于起步阶段。1 干热岩供热技术 干热岩供热是一种新型的地热利用技术，它利用干热岩中蕴含的能量来替代常规的火力发电，具有较强的环保性，是一种低成本、环境友好型的清洁能源，可实现对地热资源的“零碳”开发。干热岩供热技术是指以干热岩中蕴含的热能为热源，通过干热岩钻探、地埋管换热和热电厂等工程技术，实现对地热资源进行有效开发和利用。这种技术具有广泛应用前景，如城市建筑供暖、工业供热、温室农业等。目前我国干热岩供热技术研究尚处于初级阶段，需要针对目前干热岩勘探开发技术难度大、成本高等问题进行进一步的研究和探索，促进干热岩供热技术更好地应用于我国不同区域。干热岩供热技术的研究开发可分为两种模式：一种是直接利用干热岩中蕴含的热能，另一种是间接利用干热岩中蕴含的热能。前者指将干热岩直接加热作为热源，后者指通过水/油/蒸汽热交换器将干热岩中蕴含的热量传递到大气或地下水源中，再将该热量转换为热能发电或供热。如果是利用干热岩中蕴含的热能，则需在地热系统中增加一套换热器，将地热水与干热岩直接进行换热。由于干热岩供热技术需要投入大量资金建设地热供暖系统，因此这种利用方式一般适用于新建建筑，而对于已经建成的建筑则需要进行改造，以满足未来人们对供暖系统的要求。干热岩是指在地表以下 2-6 公里范围内无水、无水蒸气、无水、无水蒸气的干热岩，其热能主要以不同类型的变质岩和晶粒岩为主，这些热能主要来源于地壳内部的热核反应。据联合国新能源的相关报道，全世界的地热资源，在 5 公里深的地下，大约是 49001012吨的标准煤。中国拥有世界上 16.7%左右的地热资源，是一个十分重要的资源。在干热岩供暖工程中，钻进深度通常不超过 2.5 公里，该深度岩层最大温度在 70-75之间。由于干热岩质采暖工程的给水温度普遍较低，所以适合使用地面辐射采暖或通风口的建筑物。图 1 显示了干热岩浆供暖系统的工艺流程。利用钻机在一定深度的岩石地层中钻出，将封闭的金属埋管换热器置于井内，利用其内部的循环介质与地层进行换热，然后再与地表热电厂的换热器进行换热（或由热泵提升给水温度），从而实现对建筑物的供暖。在供暖的早期阶段，可以采用直接供热方式（阀门1、5 开启，阀门 24 关闭），地埋管换热器内循环介质与地下干热岩换热后，进入地面热力站的换热器，供热回水经换热器与循环介质换热升温后，作为供热供水供给用户。在供暖严寒期，使用的是间接供热方式（阀中国科技期刊数据库 工业 A 167 门 24 打开，阀门 1、5 关闭），经过换热器与循环介质换热升温后的热水不会直接供给用户，而是通过阀门 2 进入热泵机组冷凝器，将其进一步提升，再通过阀门 3 作为供热供水供给用户。加热后的回水经阀 4流入热泵装置的蒸发装置，冷却后再流入热交换器，一次循环完成。从而使回收水中的余热得到充分的利用，达到大温差的目的。图 1 干热岩供热系统流程 15.阀门 2 干热岩供暖的特点和优势 利用地热资源，能源高效利用 干热岩作为一种高效清洁能源，具有不受气候限制、温度可控、发电效率高等优点。如我国的鄂尔多斯盆地是全球最大的干热岩基地，地表温度可达 6080，是世界上最适宜开发干热岩的地区之一。干热岩供暖在我国有着广阔的市场前景。另外，干热岩中蕴藏着丰富的热能和水资源，如中国新疆地区就有大量的地热资源可供利用。干热岩开发的一个重要前提是需要保持地下水温不变，而地热资源主要是靠水热交换来实现热量交换，所以如果要获得稳定的干热岩，就必须在地热系统中安装一个蒸发器，以实现地热资源的再利用。这也是干热岩供暖技术与其它地热技术相比最大的优势所在。2.1 缓解能源紧张，改善生态环境 干热岩供热可有效解决我国能源供需矛盾，缓解能源紧张，改善生态环境。在常规供暖方式中，由于存在城市热网系统规划不合理、热源单一、供热面积有限等问题，使得城市供热系统的能源利用效率普遍较低，造成了能源浪费。干热岩供暖是一种清洁、高效的供暖方式，其利用干热岩中的热能来满足建筑物所需的热量需求，属于地热利用中的低温热源部分，在这种供热方式中，水通过泵和热网加热大地深处的岩石和地下水，以热能形式被转移到建筑物中用于供暖。与传统供热方式相比，干热岩供暖技术只需较低的初投资、维护费用及运行费用，使得其在经济上具有优势。而较高的能源效率，能有效减少燃煤造成的大气污染，保护环境，有效降低城市热网建设成本，促进城市建设可持续发展，并且可实现区域清洁供暖，缓解城市能源紧张局面。2.2 提升清洁能源使用比例 根据能源局的数据，目前我国天然气、电能、生物质能等清洁能源使用比例仅为 25%左右，相比发达国家30%以上的清洁能源使用比例，还有很大的提升空间。干热岩供暖技术不消耗一滴水、不排放一粒灰尘，是目前唯一能够替代燃煤锅炉和燃气锅炉的清洁供热技术，因此发展干热岩供暖技术对于减少大气污染物排放、改善大气环境质量具有重要意义。干热岩供暖是一种与水无关的供热方式，仅通过开采地下热水获得热量，不会破坏地下水的平衡。干热岩开发过程中产生的热废水、矿坑废水等废弃物并不会造成环境污染，对于保护生态环境具有重要意义。3 干热岩应用技术路线 目前，国内外对干热岩应用的技术路线主要有“井下钻取”、“地面钻采”和“井下管输”等三种技术路线。（1）“井下钻取”是指在干热岩开采井中进行钻孔，以达到干热岩中的地热流体，然后利用热传导方式，将地热流体注入干热岩中，通过抽水井进行回灌，从而使井筒中的地热流体温度升高，达到开采干热岩的目的。该技术需要在地下钻凿一个或多个高温地热流体的井筒，同时在井下进行钻孔并安装专用设备进行抽采工作，井下设备安装完成后将其提出地面进行回灌工作。该技术投资大、难度高、成本高，在技术和经济上具有一定的风险。（2）“地面钻采”是指在干热岩开采井下安装专用设备，通过循环方式，将地热流体注入干热岩中，利用该技术可以实现对干热岩进行规模化开采。该技术需要在地下钻井进行干热岩开采，并在地面建设一个或多个抽灌系统，将开采出的高温地热流中国科技期刊数据库 工业 A 168 体进行抽采后注入地下，通过抽水井进行回灌工作，从而实现对干热岩的规模化开采。该技术投资较大、成本较高，但在技术和经济上具有一定的优势。（3）“井下管输”是指将高温地热流体从井下引入地面进行回灌或抽采，再将其输送至地热发电站发电或供暖。该技术需要在井下安装专用设备并连接至地面管道系统进行抽采工作。该技术具有投资小、成本低、建设周期短等优势，但目前技术的可靠性还有待进一步验证。干热岩是一种宝贵的资源，将干热岩开发利用起来，可以解决我国能源紧张的问题，促进我国地热产业发展和能源结构调整。而我国目前已建成的干热岩地热项目多分布于西部地区，但其建设规模和经济效益都有待进一步提高，目前已建成的干热岩地热项目仅为开发规模的一小部分。如果能够采用先进的干热岩开采技术，合理制定干热岩开发利用政策，科学合理地配置干热岩地热资源，充分利用其环境和经济效益优势，实现干热岩地热资源的高效开发利用，将会产生巨大的经济效益和社会效益。我国干热岩开发利用潜力巨大，但目前存在着干热岩开发技术不成熟、相关政策支持不足等问题。随着干热岩勘查、钻井、回灌及换热等技术的不断发展和完善，我国干热岩开发利用技术将会得到更大的提高。4 技术经济性分析 干热岩供暖系统的关键是有效开发干热岩资源，其中包括干热岩井、管道等设备的建设，以及干热岩层的开采，其主要成本包括前期勘探费用、钻井费用、回灌费用、压裂和回灌设备建设费用、系统运营管理费用等。其中，干热岩钻井的钻井成本约为 20003000 美元/百万千瓦时（约合人民币 160220 元/千瓦）；管道设备建设成本约为 80009000 美元/千米（约合人民币811 元/千米）；回灌设备建设成本约为 70008000 美元/千米（约合人民币 1015 元/千米）。由于干热岩资源分布广泛，不同地区的干热岩开发利用成本差异较大。我国干热岩资源主要分布在华东、华北和华中地区，但由于干热岩资源开发利用成本较高，因此需要对干热岩开发利用进行成本测算，以便准确评估干热岩开发利用的经济性。干热岩应用技术路线分为两种：一种是高温地热发电技术路线，另一种是低温地热发电技术路线。高温地热发电技术路线利用的是地热水直接发电，其单位发电成本较低；低温地热发电技术路线则利用的是低温地热水进行间接发电，其单位发电成本较高。两种技术路线的经济性分析结果表明，在同等条件下，高温地热发电技术路线的经济性较好；低温地热发电技术路线的经济性稍差。在不同地区的干热岩开发利用成本中，地热能发电成本最高，为 36.36 美元/百万千瓦时（约合人民币 307.21 元/千瓦），其次为高温地热发电技术路线，为 37.33 美元/百万千瓦时（约合人民币288.06 元/千瓦）。高温地热发电技术路线单位发电成本比低温地热发电技术路线低约 1 元/千瓦时。在同等条件下，高温地热发电技术路线的单位发电成本比低温地热发电技术路线高约 1.5 元/千瓦时，因此在干热岩供热技术中，高温地热发电技术路线具有更好的经济性。干热岩开发利用具有较高的技术和经济可行性，但目前大规模推广仍存在一些问题。由于干热岩资源分布不集中，需要在不同地区布置大量的钻井，而且每个钻井需要 23 年时间，同时还需要建设压裂、回灌等装置，所以干热岩的开发利用成本较高，目前干热岩开发利用成本为 3050 美元/百万千瓦时（约合人民币160220 元/千瓦）。而且干热岩开发利用所需要的大量水资源无法进行有效回收，如果不进行有效地处理就直接排放，不仅会造成严重的环境污染，还会给水资源的可持续利用带来巨大压力。在当前全球气候变化以及能源转型的大背景下，干热岩资源的开发利用已刻不容缓。5 结论与建议 干热岩开发利用技术目前处于初期阶段，具有一定的技术优势，但技术成本仍处于较高水平，制约了干热岩开发利用的大规模推广应用。目前国内干热岩利用项目主要集中在北京、天津、河北等北方地区，以供暖为主，但在南方地区很少采用。因此，干热岩在南方地区的大规模推广应用还需要做好技术、市场和政策等方面的工作。针对干热岩开发利用存在的问题，应加大对干热岩开采技术的研发力度，提高我国干热岩开发利用的自主创新能力和核心竞争力。结合北方地区地热资源中国科技期刊数据库 工业 A 169 丰富的特点，加大对北方地区地热资源调查评价工作力度，积极开展试点示范。加大对干热岩利用技术的支持力度，加强干热岩研究基础设施建设，为干热岩开发利用提供必要的保障条件。再有就是加强对干热岩利用项目的成本效益分析，通过政策引导、技术创新和商业模式创新，不断降低干热岩开发利用成本。加强对干热岩开发利用的宣传力度，让公众更加了解干热岩开发利用技术并加强与国际组织的交流与合作，借鉴国外先进经验，加强国际合作与技术交流，提高我国干热岩技术水平。参考文献 1 冯晓燕,晏可奇.浅析干热岩资源的开发与利用J.第八届全国土木工程研究生学术论坛,2011(7).2 马鹏鹏.干热岩勘探开发技术现状和发展J.中国石油和化工标准与质量,2019,39(11):2.3 荆铁亚,赵文韬,郜时旺,等.干热岩地热开发实践及技术可行性研究J.中外能源,2018,23(11):6.4 蒋方明,黄文博,曹文炅.干热岩热能的热管开采 方 案 及 其 技 术 可 行 性 研 究 J.新 能 源 进展,2017,5(6):9-10.5 王学忠.干热岩辅助采油可行性研究J.中国工程科学,2011,13(3):3-4.6 肖鹏,窦斌,田红,等.开采海洋区域干热岩的可行性探讨J.海洋地质前沿,2018,34(8):60-64.