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Soultz干热岩发电站访学笔记

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  来源:地源热泵网     发布日期:2018-02-02
核心提示:Soultz-sous-Forêts地热田(下文中简称Soultz地热田)位于法国东北部,是欧洲近年来基于增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems)技术方案的成功案例,它从30多年前的欧盟科研开发项目,通过一步一步地扎实推进和发展,在2013年实现了稳定利用干热岩技术路线的地热发电。

Soultz-sous-Forêts地热田(下文中简称Soultz地热田)位于法国东北部,是欧洲近年来基于增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems)技术方案的成功案例,它从30多年前的欧盟科研开发项目,通过一步一步地扎实推进和发展,在2013年实现了稳定利用干热岩技术路线的地热发电。对于欧洲大陆国家,一般都不太具备像冰岛和意大利这样的丰富火山地热资源。德法合作的Soultz地热项目,证明了增强型地热系统发电的可行性,大大增强了欧洲地热界开发深部干热岩资源的信心。

 


图1:Soultz-sous-Forêts地热田所在的地理位置。

从名字上就可以看出,Soultz-sous-Forêts其实是个法国小镇的名字。它位于法国斯特拉斯堡的北部,德国城市卡尔斯鲁厄的西部。这么说各位中国网友可能对其没有印象。其实它所在的位置就是我们耳熟能详的小学课文《最后一课》中的阿尔萨斯-洛林地区的北部。历史上是德法战争的拉锯焦点。而现在在欧洲一体化的大背景下,Soultz地热田由法国斯特拉斯堡电力公司和德国巴登州能源集团合资拥有,成为了欧洲可再生能源中的一个成功的标志性项目。

由于Soultz地热田扬名在外许久,我也一直想找机会去一看究竟。不久前,在德国海瑞克公司(Herrenknecht AG)魏红女士的牵线搭桥下,有幸陪同地美特公司陈泽民董事长,一起到Soultz地热田一探究竟。

增强型地热系统(EGS)

Soultz地热田的地质结构和传统的火山地热资源有明显的不同。火山地热资源一般是由入侵岩浆或是部分冷却的岩浆房构成的热源主体,由沉积层构成盖层,然后再有导水断层和裂隙构成水热循环的通道。因此传统火山地热资源能否发电,是否有导水性良好的裂隙构造,是最重要的构造制约因素。和传统火山地热资源不同的是,干热岩以及增强型地热系统(EGS)的技术认为,全球有大量的地区存在地热异常,也就是当地的地温梯度值略高于全球平均的35摄氏度每公里。假如存在每1km 45摄氏度的地温梯度,那么在4~5km的深度上,岩层的本地温度就可以轻松达到195-240摄氏度区间。即使是考虑井筒的自然散热,井口的地热水温度也可以达到150摄氏度以上。很多这样的高温岩层本身就存在一定的裂隙和渗透性。如果能够通过工程方法对这些岩层的渗透性进行增强,在深部高温岩层中通过采灌井形成足够高流量的水热循环,那么带出的热量就足够进行商业发电了。

 


图2:Genter博士讲解Soultz干热岩地热电站的技术路线(左),以及Soultz电站生产井,回灌井的布置示意图(右,图片来源:Genter等,2010)


       在图2中,Soultz电站的现任总经理Albert Genter博士正在给我们讲解他们所采用的地热开发方案。图上展示的还是2013年改造前的方案,当时是采用两边两口生产井(红色线),中间一口回灌井(蓝色)的布置。2013年调整后的方案是一采两灌,在生产井上安装了高压循环泵。无论是生产还是回灌井,上部均为垂直井段。到达一定深度后,开始定向造斜,以达到拉开储层中生产井和回灌井间距的目的,保证有足够的岩石体积和裂缝表面积进行换热。Genter博士对于如何在设计时定量确定足够的换热面积和距离,同时又保证不发生热短接这个问题采取了打太极的回答方式,显然这属于他们自己在开发中获得的关键核心技术。 

开发历程

 

图3:Soultz地热田提供的开发历程幻灯片 

在到达Soultz地热田之后,现在的地热田管理方对Soultz的开发历史进行了详细的介绍。Soultz项目始于1987年的欧盟干热岩科研项目。一开始的想法是在没有渗透性的岩层当中通过压裂手段创造裂隙。然后通过80年代末,90年代初的两阶段,4口勘探性钻井发现,Soultz深部的岩层本身存在一定的本底渗透性。 1997年开展了首期对井循环换热实验。在取得一定的经验后,从2001年开始,项目的科研工作内容逐渐开始转向如何实现稳定的井下热流循环,并同时开始引入工业界投资。2008年,在井口边建设了第一套有机朗肯循环(ORC)发电机组,2011年实现首次商业售电。2013年在进行了地面管线和机组的技术改造之后,实现了商业化的连续发电。电站方面提供的数据如下(凭记忆录入,可能略有出入):目前电站有4口井。其中1口为水位监测井(代号GPK1,3.6km深),1口生产井(GPK3),2口回灌井(GPK2,GPK4)。生产井和回灌井的井底深度为5km左右,均采用4开设计,4.5km深度以上一律采用高温水泥固井。4.5~5km为裸井段。生产井与回灌井之间间距为600~650米。通过物探和测井工作,现在确认的储层温度为205摄氏度。Soultz电站在生产井井下300多米处安装了井下螺杆泵(Line Shaft Pump),生产条件下井口地热水流量约为100 m3/h,出水为165摄氏度。地热咸水的含盐量较高,达到100g/L。地热电站采用了意大利Turboden公司的有机朗肯循环(ORC)机组,设计满负荷发电功率1.5MW,根据夏季和冬季的空冷温度不同,扣除电厂自身用电,实际净发电功率在1~1.3MW之间波动。从上面的这些数据可以看出,Soultz从规模上来说并不算很大。我们国内采用螺杆膨胀机组的一些地热发电企业也可以做到这个规模,而且电站的占地面积还要小很多。抛开这个问题不谈,我们来看看Soultz有哪些设计是值得我们借鉴的。

 

井场布置

 

 

图4:Soultz地热田井头布置现场照(黑色部分是井下螺杆泵的电机)

    Soultz的电站和井场布置如图4所示,照片中的右侧远景从左到右是汽轮机组,有机工质储气罐和风扇冷凝器。左侧从左到右是一口回灌井和一口生产井。Soultz的地热水生产水回路其实很短。地热水螺杆循环泵的叶轮直接就装在了生产井里面。看到图4中那个黑色的大疙瘩了么?那是螺杆循环泵的动力电机,通过一根很长的动力轴和井下300多米处的叶轮相连,电机的转速在2200转左右。这使得井口输出的地热水压力最高可以达到40 bar。这样的工艺设计,保证了地热水在地表的换热过程,能够保证不发生闪蒸浓缩过程,避免了地热水中大量矿物质的析出。由于井口压力本身就很高,在换热完成之后,不需要再次加压,地热水直接就进入了回灌井,以高于储层的压力回灌进入地下的花岗岩储层。 可以想见,这样的井下高压泵送装置,成本必然不低。Genter博士透露,这套井下泵送装置本身的价格,就要100多万欧元。那为什么要采用高压循环呢?Genter博士表示,保持地热水循环的高压,首要的原因在于,保持地热水循环压力高于储层压力,是维持高生产流量的必要措施。之前谈到,EGS系统中的地下裂缝,通过人工压裂方式实现了增强。虽然在压裂的时候加入了裂缝支撑剂,但如果压力降低,支撑剂本身可能会逐步溶解,不一定能够在较长的时间下保证裂缝的打开状态。采用高压循环的第二个原因在于,稳定维持5 km深处花岗岩储层的压力,可以避免岩层中已经打开的裂缝再次闭合。井口电机和井下叶轮的设计,还有一个好处就是,泵的叶轮位置处于自然闪蒸面以下。 通过泵叶转动抬升压力之后, 地热水的闪蒸过程就不会在地面管道系统当中发生。由于Soultz的地热水密度在1100 kg/m3 左右,总溶解固体很高。如果发生闪蒸浓缩的话,一是很容易在管道中发生结垢堵塞,二是二氧化碳,硫化氢等酸性气体析出后,会对生产管道产生化学腐蚀。采用井下叶轮泵组,虽然初期投入的成本是高了,但在日常运营过程中,可以减少大量的清理结垢,更换腐蚀管道阀门等劳动密集型工作。像在Soultz当地,雇佣一个熟练的技术工人进行体力劳动,加上各种保险和税费,企业要付出的成本至少要50欧元每小时,这种国情,就要求企业在工艺流程设计之初就考虑到降低劳动强度的问题。

Turboden 发电机组

 

图5:Soultz地热田的换热器和发电机组

    意大利Turboden公司是仅次于美国Ormat的全球第二大地热发电机组供应商。借参观Soultz电站这次难得的机会,我们可以好好观摩一下Turboden的这个ORC机组的设计细节。图5的这张照片基本把这个机组的主要组件都包括在内了。前景部分是地热水和异丁烷(isobutane)工质的换热器。在换热器后方的是一个很小的汽轮机。汽轮机连着的转轴通向那个墨绿色罩子下的发电机。汽轮机的出气口连着那个高处的储气罐。储气罐出来之后通过配平管线分配到各个冷凝器。经过风冷之后的异丁烷工质进入下部细管径的液相管线,然后汇集到冷凝器下面的工质循环泵(图7)。异丁烷经过加压后重新进入换热器,形成一个吸收地热水热量的循环回路。让我们先从图5的左上角看起,逐一检视一下各个设计细节。

为了保证各个冷凝器获得的工质流量是一致的,每个冷凝器的气相进口管路都通过三根支管和总管相连。总管的一端安装了过载安全阀。为了保证总管的水平,同时减少高压气相管路受到风冷机组的震动冲击,管道下的支撑件采用了缓冲器和螺栓上下调整的设计(见图6)。同样的设计在液相工质管线(图7)上也得到了体现。所不同的地方在于,气相管路采用了“顶”的方式,而液相管路采用了“吊”的设计。我猜测,这可能和管道中的工质密度不同有关系。

 
图6:进入冷凝器前的气相工质配平管路设计细节

 

图7:流出冷凝器后的液相工质配平管路设计细节

图8展示的是冷凝器桁架结构另一侧的全景。可以看到各个角落都安装了避雷针。避雷针直接和钢桁架结构相连。虽然雷击的概率很低,但异丁烷高压管线可是不能开玩笑的。从图8中还能看到,工质循环泵直接就布置到了桁架结构的下方。因为这个设备体积也不大,不会影响正常的空气循环。至于冷凝器下方,也正好避免了热晒雨淋可能造成的腐蚀。在图5中,大家可以看到中间那位工程师面前的地面上有一道黄线。这道黄线所划定的区域,包含了所有跟异丁烷工质有关的管线。在参观过程中,我们参观的人员不慎走进了黄线区域,立即就被现场陪同的工程师喊了出来。工程师解释到,因为黄线区域之内的管线主要是异丁烷工质加压管线,所以Soultz电厂规定,进入黄线区域,必须先经过处理易燃易爆工质的安全培训。禁止随便进入,主要是防止外来人员或者设备进入高压管线区域后,由于没有风险意识,而损坏某些关键的阀门管线后造成安全生产事故。从这些细节可以看出,在成熟的地热发电企业,安全生产确实是落实到了生产的各个细节。

 

图8:冷凝器机组另一侧的全景 

压井冷水储备

    在参观电厂的过程中,陈泽民董事长突然对电厂边上的一处设施产生了好奇。这个大罐子位于整个电厂的最高处(见图5最左侧)。罐子的高度大概不及一个人高,里面存满了水,看上去有点像游泳池,可是边上不但没有什么休闲设备(样子很像图9),却堆满了一大包一大包的白色粉末,不知道是什么东西。 于是我们就向现场的工程师进行了咨询。

 

 

图9:盛放压井冷水的储水桶

(这里采用的是外形非常相似的网络图片,图片来源:www.heritagetanks.com.au)

现场工程师告诉我们,这个大水罐的主要作用,是储存压井用的冷水储备。一般在地热田开发的过程中,高生产能力的地热井都会自喷。越是生产能力好的井,自喷能力越好,喷出的地热水的温度也就越高。对于高温地热井来说,自喷的能量一部分来源于地层的压力,而很大的一部分其实来自于闪蒸过程。所谓闪蒸,指的是地热流体在井筒内上升的过程中,随着压力下降到沸点附近,地热水会在井筒内发生沸腾汽化,有一部分液相的水会被转化为水蒸气。由于水蒸气的膨胀做功,会在井筒内进一步把地热水向上推。这种情况下,如果井口没有防喷器或是井口阀门,就会形成不受控放喷。

在地热田中,不受控放喷是非常危险的。工人在接近放喷的地热井时,由于放喷的地热水外围汽化吸热的作用,会感觉喷出的蒸汽温度并不高。而地热井喷出的蒸汽,往往温度在150-200摄氏度左右。这种湿蒸汽的穿透力很强,一旦施工的工人被喷到,很容易造成大面积的烫伤。所以不管是在油气行业还是在地热行业,不受控放喷都是业主方竭力要避免的。那么如果对于一口高温自喷地热井,井口的阀门出现了故障需要更换,怎么才能安全操作呢?

      这时候就需要用到图9中的这个大水罐里的冷水储备了。在成熟的地热田,一般都建有这种储水罐,或者是备有塑料的大储水桶。当对一口地热井进行井头阀门更换或者是进行测井的时候,一般先进行冷水压井作业,就是用大排量高压泵,把储备的15-20吨冷水一次性打进自喷的地热井里面去。压井作业完成后,由于井筒内充满了冷水,地热水的闪蒸过程就不会在井筒中发生。即便在地层压力下,井筒中的水向上流动,从井口处喷出的也是冷水,不容易造成工伤事故。经过冷水压井之后,一般会有及时分钟到几个小时的时间窗口留给井口附近的人员进行设备更换或是相关的测井工作。在Soultz地热田,在大储水罐的边上,堆放的大包白色粉末,其实就是最便宜的工业盐(NaCl)。在压井之前,工人会通过添加工业盐把压井冷水的密度调整到1300 kg/m3。通过增加密度,在井筒中形注入同样高度的冷咸水,可以产生比淡水更好的压井效果。 

对抗结垢

 Soultz干热岩地热田的开发和运行过程,也并不是一番风顺的。在2008年,Soultz就已经安装完成了有机朗肯循环的发电机组。但是一直到2013年才实现稳定向电网售电。在这5年当中,通过欧盟科研经费和地热企业的共同投入,主要解决的就是化学矿物结垢对电站连续发电的影响。

在传统火山型地热田中,化学结垢也是决定电站能够连续运行的关键因素。通常主要的结垢原因有两种。一种是以碳酸钙为特征的钙垢,另一种是氧化硅为主的硅垢。钙垢主要发生在地热生产井的井筒当中,和地热水闪蒸过程紧密相关,受到二氧化碳逃逸造成的地热水pH值变化控制。硅垢常发生于水汽分离器,ORC循环中的蒸发器或换热器,以及回灌井的井筒内等。硅垢的形成主要受到地热水降温之后的二氧化硅溶解度控制。目前国际上对于传统地热田的钙垢和硅垢,已经完成了理论研究,有了一整套对付结垢的成熟化学试剂和加注设备。

 

图10:Soultz电站在井场边储备的化学阻垢剂

Soultz电站所在的干热岩型地热田,它的化学结垢问题就比较特殊。由于是干热岩型地热田,所以地热水是在高压泵的驱动下,在原有地层压力的基础上,通过增加压力来增强原有裂隙的渗透性。加上原位地层所处的180~200摄氏度高温条件,势必造成加速地水岩反应,导致地热水的矿物质含量非常高。Soultz地热水中硅含量不高,属于NaCl型的咸水,但是硫酸根和钡离子的含量较高。早在2008年发电机组初步投产的时候,采用的技术路线是让地热水汽混合物在ORC循环的蒸发器中加热异丁烷工质。投产后所遇到的问题是,当地热水经过蒸发器中,温度下降后,大量的溶解矿物开始析出,对换热效率造成了较大的影戏(见图11)。针对这一问题,Soultz电站在2013年进行了技术改造,新的技术方案是通过井下高压循环泵的安装和调试,通过保持高压,保证在地面管线和回灌井当中,地热水处于液态不发生闪蒸。虽然定制的井下高压泵成本非常高,但是这套系统非常好地解决了干热岩热田水的矿物质析出问题。

目前在Soultz的地热田的运行过程中,仍然需要在地热水中添加一定量的阻垢剂(见图10),主要目的是防止硫酸钡和镭的混晶矿物在阀门和管道转弯处的沉淀。这种化学结垢也是花岗岩地层所特有的析出矿物。 在最近几年中,通过何种手段控制这型矿物在地热发电设备中的析出,是欧洲地热界当前的一个热门研究课题。

 

图11:Soultz电站换热器中观察到的黑丝矿物结晶(左),
以及井下循环泵的在运行一段时间后的严重腐蚀状况(右)
(图片来源:Genter等,2013)

经济性比较

需要说明的是,Soultz电站虽然实现了商业运营,但是在Soultz电站之前的勘探,钻井等高风险部分,是以欧盟以及德法两国科研项目的形式开展的。整个开发过程中,欧盟科研基金,以及德法两国的国家科研基金,都对其进行了长达20多年的持续性科研经费投入。据电站负责人透露,历史上总共投入的科研经费加起来,大约在8000万欧元左右。这其中欧盟委员会投入了3000万欧元,德国和法国政府各自投入2500万欧元。

目前Soultz电站的装机功率是1.5MW,在夏天温度较高的时候,实际发电功率稳定在1.0~1.1MW。在冬季环境温度较低,空冷的效率较高,毛发电功率能上到1.3MW。电站所发电力的10%到15%需要用于厂区内的高压循环泵,异丁烷工质泵,以及风冷机组等用电设备。剩余的大约0.9~1.1MW电力可以卖给当地电网。电厂平时现场值班人员1~2人,全部数据都通过远程操控系统和斯特拉斯堡电网进行共享。全年并网时间,在95%以上。由于法国对于地热这样的可再生能源实行上网电价补贴策略(Feed-in Tarif),所以Soultz电站向当地电网售电的价格可以达到26欧分每千瓦时(约等于每度电2元人民币)。电厂的管理方表示,扣除现场人工,药剂和其他的一些管理成本,对于运营方来说,经济上可以覆盖他们对于电站商业投资部分的还本付息,当然资本回报周期比较长,这对于电力这类基础工业也是常态。


      结语

Soultz电站从单纯的投资回报率角度,可以说并不是一个成功的项目。这个电站之所以在国际地热学界享有这么高的声望,是因为它通过持续的科研投入,开创了一条利用干热岩中的热量进行地热发电的技术路线。通过政府主导的科研投入,明确了干热岩发电过程中会碰到的技术瓶颈。其中一部分的技术问题,通过学术界和企业界的共同努力得到了解决;也存在一些问题,其科学机理尚不清楚,目前正在探索的过程中。由于Soultz项目在2013年成功投入商业化持续运行,干热岩地热资源发电,从一个纯粹的科研方向,变成了具有一定的商业可行性。因此Soultz项目被国际地热界认为是干热岩走向商业化开采道路上的一个重要里程碑。

今年自从央视报道青海共和盆地勘探到干热岩以来,在国内中文媒体和地热专业人员中,掀起了一股关于干热岩的热潮。他山之石,可以攻玉。作为国际地热学术界的一员,笔者希望通过这份访学笔记的发表和传播,让国内的读者对于干热岩资源的开发和利用,有更为深入和形象的理解。最后再次感谢德国海瑞克钻机中国区商务代表魏红女士和地美特公司陈泽民董事长促成这次对Soultz地热田的访问。

参考文献

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)

德国亥姆霍兹环境研究中心 研究员(Staff Scientist)
德国弗莱贝格矿业大学 副教授(Junior Professor)

来源:地热能在线

 
 

 
 
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