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Soultz干熱巖發電站訪學筆記

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  來源:地源熱泵網     發布日期:2018-02-02
核心提示:Soultz-sous-Forêts地熱田(下文中簡稱Soultz地熱田)位于法國東北部,是歐洲近年來基于增強型地熱系統(Enhanced Geothermal Systems)技術方案的成功案例,它從30多年前的歐盟科研開發項目,通過一步一步地扎實推進和發展,在2013年實現了穩定利用干熱巖技術路線的地熱發電。

Soultz-sous-Forêts地熱田(下文中簡稱Soultz地熱田)位于法國東北部,是歐洲近年來基于增強型地熱系統(Enhanced Geothermal Systems)技術方案的成功案例,它從30多年前的歐盟科研開發項目,通過一步一步地扎實推進和發展,在2013年實現了穩定利用干熱巖技術路線的地熱發電。對于歐洲大陸國家,一般都不太具備像冰島和意大利這樣的豐富火山地熱資源。德法合作的Soultz地熱項目,證明了增強型地熱系統發電的可行性,大大增強了歐洲地熱界開發深部干熱巖資源的信心。

 


圖1:Soultz-sous-Forêts地熱田所在的地理位置。

從名字上就可以看出,Soultz-sous-Forêts其實是個法國小鎮的名字。它位于法國斯特拉斯堡的北部,德國城市卡爾斯魯厄的西部。這么說各位中國網友可能對其沒有印象。其實它所在的位置就是我們耳熟能詳的小學課文《最后一課》中的阿爾薩斯-洛林地區的北部。歷史上是德法戰爭的拉鋸焦點。而現在在歐洲一體化的大背景下,Soultz地熱田由法國斯特拉斯堡電力公司和德國巴登州能源集團合資擁有,成為了歐洲可再生能源中的一個成功的標志性項目。

由于Soultz地熱田揚名在外許久,我也一直想找機會去一看究竟。不久前,在德國海瑞克公司(Herrenknecht AG)魏紅女士的牽線搭橋下,有幸陪同地美特公司陳澤民董事長,一起到Soultz地熱田一探究竟。

增強型地熱系統(EGS)

Soultz地熱田的地質結構和傳統的火山地熱資源有明顯的不同。火山地熱資源一般是由入侵巖漿或是部分冷卻的巖漿房構成的熱源主體,由沉積層構成蓋層,然后再有導水斷層和裂隙構成水熱循環的通道。因此傳統火山地熱資源能否發電,是否有導水性良好的裂隙構造,是最重要的構造制約因素。和傳統火山地熱資源不同的是,干熱巖以及增強型地熱系統(EGS)的技術認為,全球有大量的地區存在地熱異常,也就是當地的地溫梯度值略高于全球平均的35攝氏度每公里。假如存在每1km 45攝氏度的地溫梯度,那么在4~5km的深度上,巖層的本地溫度就可以輕松達到195-240攝氏度區間。即使是考慮井筒的自然散熱,井口的地熱水溫度也可以達到150攝氏度以上。很多這樣的高溫巖層本身就存在一定的裂隙和滲透性。如果能夠通過工程方法對這些巖層的滲透性進行增強,在深部高溫巖層中通過采灌井形成足夠高流量的水熱循環,那么帶出的熱量就足夠進行商業發電了。

 


圖2:Genter博士講解Soultz干熱巖地熱電站的技術路線(左),以及Soultz電站生產井,回灌井的布置示意圖(右,圖片來源:Genter等,2010)


       在圖2中,Soultz電站的現任總經理Albert Genter博士正在給我們講解他們所采用的地熱開發方案。圖上展示的還是2013年改造前的方案,當時是采用兩邊兩口生產井(紅色線),中間一口回灌井(藍色)的布置。2013年調整后的方案是一采兩灌,在生產井上安裝了高壓循環泵。無論是生產還是回灌井,上部均為垂直井段。到達一定深度后,開始定向造斜,以達到拉開儲層中生產井和回灌井間距的目的,保證有足夠的巖石體積和裂縫表面積進行換熱。Genter博士對于如何在設計時定量確定足夠的換熱面積和距離,同時又保證不發生熱短接這個問題采取了打太極的回答方式,顯然這屬于他們自己在開發中獲得的關鍵核心技術。 

開發歷程

 

圖3:Soultz地熱田提供的開發歷程幻燈片 

在到達Soultz地熱田之后,現在的地熱田管理方對Soultz的開發歷史進行了詳細的介紹。Soultz項目始于1987年的歐盟干熱巖科研項目。一開始的想法是在沒有滲透性的巖層當中通過壓裂手段創造裂隙。然后通過80年代末,90年代初的兩階段,4口勘探性鉆井發現,Soultz深部的巖層本身存在一定的本底滲透性。 1997年開展了首期對井循環換熱實驗。在取得一定的經驗后,從2001年開始,項目的科研工作內容逐漸開始轉向如何實現穩定的井下熱流循環,并同時開始引入工業界投資。2008年,在井口邊建設了第一套有機朗肯循環(ORC)發電機組,2011年實現首次商業售電。2013年在進行了地面管線和機組的技術改造之后,實現了商業化的連續發電。電站方面提供的數據如下(憑記憶錄入,可能略有出入):目前電站有4口井。其中1口為水位監測井(代號GPK1,3.6km深),1口生產井(GPK3),2口回灌井(GPK2,GPK4)。生產井和回灌井的井底深度為5km左右,均采用4開設計,4.5km深度以上一律采用高溫水泥固井。4.5~5km為裸井段。生產井與回灌井之間間距為600~650米。通過物探和測井工作,現在確認的儲層溫度為205攝氏度。Soultz電站在生產井井下300多米處安裝了井下螺桿泵(Line Shaft Pump),生產條件下井口地熱水流量約為100 m3/h,出水為165攝氏度。地熱咸水的含鹽量較高,達到100g/L。地熱電站采用了意大利Turboden公司的有機朗肯循環(ORC)機組,設計滿負荷發電功率1.5MW,根據夏季和冬季的空冷溫度不同,扣除電廠自身用電,實際凈發電功率在1~1.3MW之間波動。從上面的這些數據可以看出,Soultz從規模上來說并不算很大。我們國內采用螺桿膨脹機組的一些地熱發電企業也可以做到這個規模,而且電站的占地面積還要小很多。拋開這個問題不談,我們來看看Soultz有哪些設計是值得我們借鑒的。

 

井場布置

 

 

圖4:Soultz地熱田井頭布置現場照(黑色部分是井下螺桿泵的電機)

    Soultz的電站和井場布置如圖4所示,照片中的右側遠景從左到右是汽輪機組,有機工質儲氣罐和風扇冷凝器。左側從左到右是一口回灌井和一口生產井。Soultz的地熱水生產水回路其實很短。地熱水螺桿循環泵的葉輪直接就裝在了生產井里面。看到圖4中那個黑色的大疙瘩了么?那是螺桿循環泵的動力電機,通過一根很長的動力軸和井下300多米處的葉輪相連,電機的轉速在2200轉左右。這使得井口輸出的地熱水壓力最高可以達到40 bar。這樣的工藝設計,保證了地熱水在地表的換熱過程,能夠保證不發生閃蒸濃縮過程,避免了地熱水中大量礦物質的析出。由于井口壓力本身就很高,在換熱完成之后,不需要再次加壓,地熱水直接就進入了回灌井,以高于儲層的壓力回灌進入地下的花崗巖儲層。 可以想見,這樣的井下高壓泵送裝置,成本必然不低。Genter博士透露,這套井下泵送裝置本身的價格,就要100多萬歐元。那為什么要采用高壓循環呢?Genter博士表示,保持地熱水循環的高壓,首要的原因在于,保持地熱水循環壓力高于儲層壓力,是維持高生產流量的必要措施。之前談到,EGS系統中的地下裂縫,通過人工壓裂方式實現了增強。雖然在壓裂的時候加入了裂縫支撐劑,但如果壓力降低,支撐劑本身可能會逐步溶解,不一定能夠在較長的時間下保證裂縫的打開狀態。采用高壓循環的第二個原因在于,穩定維持5 km深處花崗巖儲層的壓力,可以避免巖層中已經打開的裂縫再次閉合。井口電機和井下葉輪的設計,還有一個好處就是,泵的葉輪位置處于自然閃蒸面以下。 通過泵葉轉動抬升壓力之后, 地熱水的閃蒸過程就不會在地面管道系統當中發生。由于Soultz的地熱水密度在1100 kg/m3 左右,總溶解固體很高。如果發生閃蒸濃縮的話,一是很容易在管道中發生結垢堵塞,二是二氧化碳,硫化氫等酸性氣體析出后,會對生產管道產生化學腐蝕。采用井下葉輪泵組,雖然初期投入的成本是高了,但在日常運營過程中,可以減少大量的清理結垢,更換腐蝕管道閥門等勞動密集型工作。像在Soultz當地,雇傭一個熟練的技術工人進行體力勞動,加上各種保險和稅費,企業要付出的成本至少要50歐元每小時,這種國情,就要求企業在工藝流程設計之初就考慮到降低勞動強度的問題。

Turboden 發電機組

 

圖5:Soultz地熱田的換熱器和發電機組

    意大利Turboden公司是僅次于美國Ormat的全球第二大地熱發電機組供應商。借參觀Soultz電站這次難得的機會,我們可以好好觀摩一下Turboden的這個ORC機組的設計細節。圖5的這張照片基本把這個機組的主要組件都包括在內了。前景部分是地熱水和異丁烷(isobutane)工質的換熱器。在換熱器后方的是一個很小的汽輪機。汽輪機連著的轉軸通向那個墨綠色罩子下的發電機。汽輪機的出氣口連著那個高處的儲氣罐。儲氣罐出來之后通過配平管線分配到各個冷凝器。經過風冷之后的異丁烷工質進入下部細管徑的液相管線,然后匯集到冷凝器下面的工質循環泵(圖7)。異丁烷經過加壓后重新進入換熱器,形成一個吸收地熱水熱量的循環回路。讓我們先從圖5的左上角看起,逐一檢視一下各個設計細節。

為了保證各個冷凝器獲得的工質流量是一致的,每個冷凝器的氣相進口管路都通過三根支管和總管相連。總管的一端安裝了過載安全閥。為了保證總管的水平,同時減少高壓氣相管路受到風冷機組的震動沖擊,管道下的支撐件采用了緩沖器和螺栓上下調整的設計(見圖6)。同樣的設計在液相工質管線(圖7)上也得到了體現。所不同的地方在于,氣相管路采用了“頂”的方式,而液相管路采用了“吊”的設計。我猜測,這可能和管道中的工質密度不同有關系。

 
圖6:進入冷凝器前的氣相工質配平管路設計細節

 

圖7:流出冷凝器后的液相工質配平管路設計細節

圖8展示的是冷凝器桁架結構另一側的全景。可以看到各個角落都安裝了避雷針。避雷針直接和鋼桁架結構相連。雖然雷擊的概率很低,但異丁烷高壓管線可是不能開玩笑的。從圖8中還能看到,工質循環泵直接就布置到了桁架結構的下方。因為這個設備體積也不大,不會影響正常的空氣循環。至于冷凝器下方,也正好避免了熱曬雨淋可能造成的腐蝕。在圖5中,大家可以看到中間那位工程師面前的地面上有一道黃線。這道黃線所劃定的區域,包含了所有跟異丁烷工質有關的管線。在參觀過程中,我們參觀的人員不慎走進了黃線區域,立即就被現場陪同的工程師喊了出來。工程師解釋到,因為黃線區域之內的管線主要是異丁烷工質加壓管線,所以Soultz電廠規定,進入黃線區域,必須先經過處理易燃易爆工質的安全培訓。禁止隨便進入,主要是防止外來人員或者設備進入高壓管線區域后,由于沒有風險意識,而損壞某些關鍵的閥門管線后造成安全生產事故。從這些細節可以看出,在成熟的地熱發電企業,安全生產確實是落實到了生產的各個細節。

 

圖8:冷凝器機組另一側的全景 

壓井冷水儲備

    在參觀電廠的過程中,陳澤民董事長突然對電廠邊上的一處設施產生了好奇。這個大罐子位于整個電廠的最高處(見圖5最左側)。罐子的高度大概不及一個人高,里面存滿了水,看上去有點像游泳池,可是邊上不但沒有什么休閑設備(樣子很像圖9),卻堆滿了一大包一大包的白色粉末,不知道是什么東西。 于是我們就向現場的工程師進行了咨詢。

 

 

圖9:盛放壓井冷水的儲水桶

(這里采用的是外形非常相似的網絡圖片,圖片來源:www.heritagetanks.com.au)

現場工程師告訴我們,這個大水罐的主要作用,是儲存壓井用的冷水儲備。一般在地熱田開發的過程中,高生產能力的地熱井都會自噴。越是生產能力好的井,自噴能力越好,噴出的地熱水的溫度也就越高。對于高溫地熱井來說,自噴的能量一部分來源于地層的壓力,而很大的一部分其實來自于閃蒸過程。所謂閃蒸,指的是地熱流體在井筒內上升的過程中,隨著壓力下降到沸點附近,地熱水會在井筒內發生沸騰汽化,有一部分液相的水會被轉化為水蒸氣。由于水蒸氣的膨脹做功,會在井筒內進一步把地熱水向上推。這種情況下,如果井口沒有防噴器或是井口閥門,就會形成不受控放噴。

在地熱田中,不受控放噴是非常危險的。工人在接近放噴的地熱井時,由于放噴的地熱水外圍汽化吸熱的作用,會感覺噴出的蒸汽溫度并不高。而地熱井噴出的蒸汽,往往溫度在150-200攝氏度左右。這種濕蒸汽的穿透力很強,一旦施工的工人被噴到,很容易造成大面積的燙傷。所以不管是在油氣行業還是在地熱行業,不受控放噴都是業主方竭力要避免的。那么如果對于一口高溫自噴地熱井,井口的閥門出現了故障需要更換,怎么才能安全操作呢?

      這時候就需要用到圖9中的這個大水罐里的冷水儲備了。在成熟的地熱田,一般都建有這種儲水罐,或者是備有塑料的大儲水桶。當對一口地熱井進行井頭閥門更換或者是進行測井的時候,一般先進行冷水壓井作業,就是用大排量高壓泵,把儲備的15-20噸冷水一次性打進自噴的地熱井里面去。壓井作業完成后,由于井筒內充滿了冷水,地熱水的閃蒸過程就不會在井筒中發生。即便在地層壓力下,井筒中的水向上流動,從井口處噴出的也是冷水,不容易造成工傷事故。經過冷水壓井之后,一般會有及時分鐘到幾個小時的時間窗口留給井口附近的人員進行設備更換或是相關的測井工作。在Soultz地熱田,在大儲水罐的邊上,堆放的大包白色粉末,其實就是最便宜的工業鹽(NaCl)。在壓井之前,工人會通過添加工業鹽把壓井冷水的密度調整到1300 kg/m3。通過增加密度,在井筒中形注入同樣高度的冷咸水,可以產生比淡水更好的壓井效果。 

對抗結垢

 Soultz干熱巖地熱田的開發和運行過程,也并不是一番風順的。在2008年,Soultz就已經安裝完成了有機朗肯循環的發電機組。但是一直到2013年才實現穩定向電網售電。在這5年當中,通過歐盟科研經費和地熱企業的共同投入,主要解決的就是化學礦物結垢對電站連續發電的影響。

在傳統火山型地熱田中,化學結垢也是決定電站能夠連續運行的關鍵因素。通常主要的結垢原因有兩種。一種是以碳酸鈣為特征的鈣垢,另一種是氧化硅為主的硅垢。鈣垢主要發生在地熱生產井的井筒當中,和地熱水閃蒸過程緊密相關,受到二氧化碳逃逸造成的地熱水pH值變化控制。硅垢常發生于水汽分離器,ORC循環中的蒸發器或換熱器,以及回灌井的井筒內等。硅垢的形成主要受到地熱水降溫之后的二氧化硅溶解度控制。目前國際上對于傳統地熱田的鈣垢和硅垢,已經完成了理論研究,有了一整套對付結垢的成熟化學試劑和加注設備。

 

圖10:Soultz電站在井場邊儲備的化學阻垢劑

Soultz電站所在的干熱巖型地熱田,它的化學結垢問題就比較特殊。由于是干熱巖型地熱田,所以地熱水是在高壓泵的驅動下,在原有地層壓力的基礎上,通過增加壓力來增強原有裂隙的滲透性。加上原位地層所處的180~200攝氏度高溫條件,勢必造成加速地水巖反應,導致地熱水的礦物質含量非常高。Soultz地熱水中硅含量不高,屬于NaCl型的咸水,但是硫酸根和鋇離子的含量較高。早在2008年發電機組初步投產的時候,采用的技術路線是讓地熱水汽混合物在ORC循環的蒸發器中加熱異丁烷工質。投產后所遇到的問題是,當地熱水經過蒸發器中,溫度下降后,大量的溶解礦物開始析出,對換熱效率造成了較大的影戲(見圖11)。針對這一問題,Soultz電站在2013年進行了技術改造,新的技術方案是通過井下高壓循環泵的安裝和調試,通過保持高壓,保證在地面管線和回灌井當中,地熱水處于液態不發生閃蒸。雖然定制的井下高壓泵成本非常高,但是這套系統非常好地解決了干熱巖熱田水的礦物質析出問題。

目前在Soultz的地熱田的運行過程中,仍然需要在地熱水中添加一定量的阻垢劑(見圖10),主要目的是防止硫酸鋇和鐳的混晶礦物在閥門和管道轉彎處的沉淀。這種化學結垢也是花崗巖地層所特有的析出礦物。 在最近幾年中,通過何種手段控制這型礦物在地熱發電設備中的析出,是歐洲地熱界當前的一個熱門研究課題。

 

圖11:Soultz電站換熱器中觀察到的黑絲礦物結晶(左),
以及井下循環泵的在運行一段時間后的嚴重腐蝕狀況(右)
(圖片來源:Genter等,2013)

經濟性比較

需要說明的是,Soultz電站雖然實現了商業運營,但是在Soultz電站之前的勘探,鉆井等高風險部分,是以歐盟以及德法兩國科研項目的形式開展的。整個開發過程中,歐盟科研基金,以及德法兩國的國家科研基金,都對其進行了長達20多年的持續性科研經費投入。據電站負責人透露,歷史上總共投入的科研經費加起來,大約在8000萬歐元左右。這其中歐盟委員會投入了3000萬歐元,德國和法國政府各自投入2500萬歐元。

目前Soultz電站的裝機功率是1.5MW,在夏天溫度較高的時候,實際發電功率穩定在1.0~1.1MW。在冬季環境溫度較低,空冷的效率較高,毛發電功率能上到1.3MW。電站所發電力的10%到15%需要用于廠區內的高壓循環泵,異丁烷工質泵,以及風冷機組等用電設備。剩余的大約0.9~1.1MW電力可以賣給當地電網。電廠平時現場值班人員1~2人,全部數據都通過遠程操控系統和斯特拉斯堡電網進行共享。全年并網時間,在95%以上。由于法國對于地熱這樣的可再生能源實行上網電價補貼策略(Feed-in Tarif),所以Soultz電站向當地電網售電的價格可以達到26歐分每千瓦時(約等于每度電2元人民幣)。電廠的管理方表示,扣除現場人工,藥劑和其他的一些管理成本,對于運營方來說,經濟上可以覆蓋他們對于電站商業投資部分的還本付息,當然資本回報周期比較長,這對于電力這類基礎工業也是常態。


      結語

Soultz電站從單純的投資回報率角度,可以說并不是一個成功的項目。這個電站之所以在國際地熱學界享有這么高的聲望,是因為它通過持續的科研投入,開創了一條利用干熱巖中的熱量進行地熱發電的技術路線。通過政府主導的科研投入,明確了干熱巖發電過程中會碰到的技術瓶頸。其中一部分的技術問題,通過學術界和企業界的共同努力得到了解決;也存在一些問題,其科學機理尚不清楚,目前正在探索的過程中。由于Soultz項目在2013年成功投入商業化持續運行,干熱巖地熱資源發電,從一個純粹的科研方向,變成了具有一定的商業可行性。因此Soultz項目被國際地熱界認為是干熱巖走向商業化開采道路上的一個重要里程碑。

今年自從央視報道青海共和盆地勘探到干熱巖以來,在國內中文媒體和地熱專業人員中,掀起了一股關于干熱巖的熱潮。他山之石,可以攻玉。作為國際地熱學術界的一員,筆者希望通過這份訪學筆記的發表和傳播,讓國內的讀者對于干熱巖資源的開發和利用,有更為深入和形象的理解。最后再次感謝德國海瑞克鉆機中國區商務代表魏紅女士和地美特公司陳澤民董事長促成這次對Soultz地熱田的訪問。

參考文獻

Albert Genter, Xavier Goerke, Jean-Jacques Graff, Nicolas Cuenot, Gérard Krall, Marion Schindler, Guillaume Ravier (2010) Current Status of the EGS Soultz Geothermal Project (France). Proceedings World Geothermal Congress 2010Bali, Indonesia, 25-29 April 2010.

Albert Genter, Nicolas Cuenot, Bernd Melchert, Wilfried Moeckes, Guillaume Ravier, et al.(2013) Main achievements from the multi-well EGS Soultz project during geothermal exploitation from 2010 and 2012. European Geothermal Congress 2013, Jun 2013, Pise, Italy. 10
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 作者:邵亥冰 (Haibing Shao)

德國亥姆霍茲環境研究中心 研究員(Staff Scientist)
德國弗萊貝格礦業大學 副教授(Junior Professor)

來源:地熱能在線

 
 

 
 
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