我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究

中國石化集團新星石油有限責任公司國家地熱能源開發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心 ■ 谷雪曦李欣

我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究

中國石化集團新星石油有限責任公司
國家地熱能源開發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心 ■ 谷雪曦*李欣

介紹了近年來我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)現(xiàn)狀，分析了該產(chǎn)業(yè)存在的主要問題，并提出了相應(yīng)的發(fā)展對策。

地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)；技術(shù)系列；發(fā)展對策

0　引言

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有儲量大、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高等特點，開發(fā)利用地熱能有利于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、改善環(huán)境，對于未來能源供應(yīng)與節(jié)能減排有巨大潛力。

地熱能可以劃分為淺層地熱能、中深層地熱能及干熱巖3大類。淺層地熱能主要通過地源熱泵開發(fā)，用于供暖/制冷。中深層地熱能按開發(fā)利用目的，可分為中低溫地熱能(25 ℃≤溫度＆lt;150 ℃)及高溫地熱能(溫度≥150 ℃)，其中，中低溫地熱能主要用于地熱能直接利用。

1　我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國開發(fā)利用溫泉已有2000多年的悠久歷史，是世界上利用地熱資源最早的國家之一。我國地熱能直接利用方式包括地源熱泵、地熱供暖、溫泉洗浴、溫室大棚等。近20年來，我國地熱能直接利用裝機容量及年利用量居世界首位，其中，地源熱泵是地熱能直接利用最主要的方式。2014年底，隨著開發(fā)利用技術(shù)的發(fā)展，地熱供暖首次超過溫泉洗浴成為中低溫地熱資源最重要的利用方式，如圖1所示[1]。我國地熱能開發(fā)利用的能源性、技術(shù)性得以突出。

圖1　2014年底我國主要地熱能直接利用方式占總裝機容量及年利用量百分比

1.1地源熱泵供暖/制冷

我國在20世紀90年代末開始發(fā)展地源熱泵，2004年迅速發(fā)展，年增長率持續(xù)超過30％。目前，我國31個省/自治區(qū)/直轄市均有地源熱泵系統(tǒng)工程，有超過7000個地源熱泵供暖/制冷項目?？傮w上看，地源熱泵項目主要集中在我國華北和東北南部地區(qū)，包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市，約占全國的80％。建筑物類型主要集中在辦公樓、賓館、醫(yī)院、商場、學校和住宅等。至2014年底，我國地源熱泵機組總裝機容量為11.78 GWt，地熱能年利用量為100311 TJ/a[1]。

至2015年底，我國地源熱泵供暖/制冷面積達5億m2。沈陽市有超過4300萬m2建筑使用地源熱泵供暖/制冷，北京約有4000萬m2，山東省約有3000萬m2。非傳統(tǒng)集中供暖區(qū)的長江中下游、江淮之間的冬季集中供暖已提上日程，地源熱泵發(fā)展面臨難得的機遇。

1.2中低溫地熱能直接利用

1.2.1地熱供暖

至2015年底，我國中低溫地熱供暖面積達到1.02億m2，地熱供暖涉及陜西、河北、山東、遼寧、北京、天津、黑龍江、河南、山西等十幾個省/直轄市。其中，天津中低溫地熱供暖面積約為2000萬m2，河北省地熱供暖面積約為1800萬m2，隨后依次是山東、陜西、北京、河南等地。至2014年底，我國地熱供暖開發(fā)利用地熱能裝機容量為2946 MWt，地熱能年利用量為33710 TJ/ a[1]。地熱供暖以天津市、陜西省、河北省為代表，目前已成功打造了“雄縣模式”與“咸陽模式”。

1.2.2溫泉洗浴

地熱水中富含豐富的礦物質(zhì)，具有珍貴的醫(yī)療價值。至2014年底，我國溫泉洗浴開發(fā)利用地熱能裝機容量為2508 MWt，地熱能年利用量為31637 TJ/a[1]，以北京和東南沿海為代表。

1.2.3溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖

隨著經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，地熱能更多的用于溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖，利用技術(shù)也不斷提高，很多高水平的溫室大棚在北京、天津等大城市和濱海地區(qū)出現(xiàn)。至2014年底，我國溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)利用地熱能裝機容量分別為154 MWt和217 MWt，地熱能年利用量分別為1797 TJ/a和2395 TJ/a[1]，以華北平原為代表。

2　我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1地熱資源勘查技術(shù)

地熱資源勘查技術(shù)主要包括地球物理勘探法、地球化學勘探法和遙感法。目前，我國地熱資源勘查技術(shù)以電法、大地電磁法為主，勘探深度不超過2000 m。地熱資源勘查技術(shù)總體上比較成熟，已在西藏、天津、北京、陜西、河北、河南、山東、四川、新疆等地區(qū)地熱資源勘查中得到了廣泛應(yīng)用。今后的發(fā)展趨勢是整合現(xiàn)有的地質(zhì)、物探和化探等多種地熱勘查技術(shù)，優(yōu)化評價方法，針對不同類型的深層(＆gt;2000 m)地熱田形成有效的資源綜合勘查技術(shù)，提高地熱勘探開發(fā)成功率，有效降低勘探成本。

2.2地熱資源評價技術(shù)

地熱資源評價方法包括熱儲體積法、地表熱流量法、類比法、解析模型法、統(tǒng)計分析法、數(shù)值模擬法、可采系數(shù)法等[2]。在開展評價工作時，依據(jù)地熱資源類型和研究程度，選擇一種或幾種適合的評價方法。

目前，地熱資源評價技術(shù)以熱儲法最為成熟，得到了廣泛應(yīng)用。國土資源部于2009年組織開展的《全國地熱資源潛力評估》工作中，采用放熱量法計算評價對流型地熱資源量，采用熱儲法、類比法計算評價傳導型地熱資源量，基本掌握了我國地熱資源的分布特征，初步選定了地熱開發(fā)有利目標靶區(qū)。未來的發(fā)展趨勢是深入研究不同類型地熱資源的成藏模式和發(fā)育機理，分析成藏主控因素，總結(jié)不同類型地熱資源的富集規(guī)律。

2.3地熱鉆井成井技術(shù)

針對不同深度、地層和巖性特點，我國基本形成了適合不同熱儲類型的井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、低密度流體鉆井、熱儲層物化特性錄井及有效儲層評價等中低溫地熱井鉆井工藝技術(shù)。在中低溫地熱井成井技術(shù)方面，已根據(jù)砂巖孔隙型和基巖裂縫型等不同儲層性質(zhì)形成了適合高效開發(fā)的多種井身結(jié)構(gòu)，并鉆成了目前我國最深的地熱井(咸陽人民銀行井，井深4250 m)，井口出水溫度達到126 ℃。在高溫地熱井鉆完井技術(shù)方面，我國在肯尼亞OLKARIA地區(qū)完成了一批高溫地熱井，最高地層溫度達到了350 ℃，初步形成了高溫定向鉆井、井筒降溫、鉆頭選型、空氣泡沫鉆井液等高溫地熱井鉆井技術(shù)。未來的發(fā)展趨勢是繼續(xù)開展高溫地熱井鉆完井技術(shù)探索研究和試驗應(yīng)用，形成高溫地熱井成井工藝及配套技術(shù)。

2.4換熱器換熱技術(shù)

在地熱開發(fā)中，主要利用板式換熱器進行換熱。通過優(yōu)化換熱器板型、流道、板間距，提高換熱器傳熱效率，使換熱器在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積上傳遞最多的熱量。今后的發(fā)展趨勢是針對不同地區(qū)的地熱水水質(zhì)開展換熱技術(shù)研究，優(yōu)化換熱器類型及換熱材質(zhì)。

2.5地源熱泵技術(shù)

按能量采集系統(tǒng)形式的不同，地源熱泵技術(shù)分為地下水源熱泵技術(shù)、地表水源熱泵技術(shù)和土壤源熱泵技術(shù)[3]。目前，地源熱泵的能效比可達到4.5～5.0。

今后，通過深入研究地埋管換熱器的傳熱機理，研發(fā)新型熱泵技術(shù)(如CO2熱泵)、高性能鉆孔回填材料，實現(xiàn)熱泵系統(tǒng)熱平衡，提高系統(tǒng)能效比。

2.6地熱資源梯級利用技術(shù)

根據(jù)“品位對口，梯級利用”的用能思想，地熱資源梯級利用技術(shù)可實現(xiàn)地熱發(fā)電、建筑供暖/制冷、溫室種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖和溫泉洗浴的梯級利用，大幅度提高地熱能的利用效率。目前地熱資源梯級利用技術(shù)已應(yīng)用在河北博野。

2.7地熱尾水回灌技術(shù)

1982年初在北京城區(qū)地熱田東南部進行的回灌試驗是我國最早的地熱回灌項目。目前，天津市、陜西省的地熱回灌已經(jīng)具有一定規(guī)模，山東、河南等地也開展了回灌技術(shù)應(yīng)用。砂巖儲層高效回灌技術(shù)一直是世界性難題，中國石化開展了回灌技術(shù)攻關(guān)，對陜西咸陽、山東樂陵和商河等地砂巖熱儲層進行噴砂射孔改造并對回灌尾水進行多級處理，采用自然回灌的方式，大幅度提高回灌率。目前，咸陽、樂陵地區(qū)兩口回灌井的回灌率均高于80％。

今后需結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、儲層物性特征開展砂巖回灌試驗研究。從精準識別回灌層、解決地層堵塞問題、優(yōu)化地面配置設(shè)備等方面進行研究，提高地熱尾水回灌的效率，減少地熱尾水的直接排放，保證砂巖地區(qū)地熱能開發(fā)的良性循環(huán)及可持續(xù)發(fā)展。

2.8智能管理、高效運營信息化系統(tǒng)技術(shù)

通過建設(shè)監(jiān)測站網(wǎng)，實時監(jiān)測、評價系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能耗，采取氣候補償、熱平衡調(diào)節(jié)、自動控制等技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)運營，提高熱效率，降低運行成本，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。目前，我國已在咸陽、雄縣地區(qū)多個換熱站實行自動化運營監(jiān)測。今后將繼續(xù)完善以地理位置為平臺，集開發(fā)過程管理、運營動態(tài)監(jiān)測、地熱可持續(xù)利用分析、信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能于一體的信息化管理系統(tǒng)。

3　我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)存在的問題

3.1資源勘查程度低

迄今為止，我國尚未進行全面系統(tǒng)的地熱資源調(diào)查評價工作，對我國地熱資源潛力的認識尚停留在估算水平上，對地熱區(qū)(田)的勘查評價僅限于北京城區(qū)、天津城區(qū)、河北雄縣、西藏羊八井等少數(shù)區(qū)段。目前，經(jīng)資源儲量管理部門審批可供進一步勘查開發(fā)規(guī)劃的地熱田為103處，約占已發(fā)現(xiàn)地熱田的1/3；已開展或正在開展淺層地熱能調(diào)查的城市僅占我國地級以上城市的1/10。資源的不落實影響國家和各級政府地熱能資源開發(fā)利用的宏觀決策，并影響企業(yè)實施具體的地熱能工程項目。

3.2設(shè)備制造業(yè)水平低

地熱能直接利用設(shè)備包括地源熱泵、中低溫發(fā)電系統(tǒng)、高效地熱鉆探設(shè)備、換熱器、尾水回灌設(shè)備和地熱水處理設(shè)備等。相比于國外地熱設(shè)備，國內(nèi)生產(chǎn)的設(shè)備存在效率相對較低、耐用性相對較差、新技術(shù)應(yīng)用相對較少等問題。

3.3管理體制不完善

地熱能開發(fā)利用管理職能分散在國土、住建部等部門，管理體系的不完善限制了地熱能資源的開發(fā)利用，也導致地熱能開發(fā)中出現(xiàn)問題后無法得到有效解決。

3.4國家扶持政策力度不夠

地熱資源開發(fā)技術(shù)要求高，投資和風險大，需要政府加大資金投入，促進技術(shù)研發(fā)，推動地熱資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。美國、德國、日本、冰島等國家在財政補貼、稅收減免、貸款擔保、專項資金和關(guān)鍵技術(shù)研究等方面都有實質(zhì)性的具體措施；而我國對于地熱產(chǎn)業(yè)的投入遠遠不夠，地熱供暖及地源熱泵產(chǎn)業(yè)雖已得到國家政策扶持，但力度還不夠，而且對于中低溫地熱資源的開發(fā)利用，目前我國尚無相關(guān)優(yōu)惠政策出臺。

4　我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策

4.1加強地熱資源勘查研究

建議國家出面組織開展全國地熱資源勘查，在全國地熱資源開發(fā)利用現(xiàn)狀普查的基礎(chǔ)上，按照不同類型地熱資源，在具有開發(fā)利用潛力且勘查程度較低的地熱區(qū)(田)開展地熱資源勘查，查明我國主要地熱區(qū)(田)地質(zhì)條件、熱儲特征、地熱資源的質(zhì)量和數(shù)量，評估我國地熱資源潛力，為地熱直接利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定資源基礎(chǔ)。

4.2加強設(shè)備研發(fā)、制造能力

提高地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)設(shè)備的制造能力和關(guān)鍵設(shè)備的自主研發(fā)能力，如熱泵、換熱器等。爭取到“十三五”末，培育出一大批地熱能直接利用高端設(shè)備的制造企業(yè)和新型地熱材料的研發(fā)機構(gòu)。

4.3加強完善地熱行業(yè)法規(guī)、標準規(guī)范和監(jiān)管體系建設(shè)

加強管理，建議盡快出臺國家層面的、有針對性的地熱資源管理法規(guī)，實現(xiàn)我國地熱資源開發(fā)利用的法制化管理。形成的管理辦法應(yīng)包括地熱水探礦權(quán)許可證辦理、地熱水采礦許可證辦理、地熱水資源補償費征收與管理、市場供應(yīng)價格、環(huán)境保護措施等方面。建立和完善地熱行業(yè)標準規(guī)范，推行資格認證、規(guī)劃審查和許可制度，建立熱能利用的市場和環(huán)境監(jiān)測體系。

4.4完善地熱優(yōu)惠扶持政策

建議國家出臺專門的優(yōu)惠扶持政策，包括地熱供暖企業(yè)財政補貼政策、砂巖回灌配套補貼政策、地熱供暖設(shè)備用電采用居民用電價格政策等，推動地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

5　結(jié)論

我國地熱資源豐富，地熱市場需求巨大，面對國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、降低能耗、應(yīng)對氣候變化、治理霧霾的發(fā)展形勢，地熱直接利用產(chǎn)業(yè)有廣闊的發(fā)展前景。但該產(chǎn)業(yè)存在著資源勘查程度低、設(shè)備制造業(yè)水平低、管理體制不完善、扶持政策不到位等問題，制約了地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文針對我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題，提出了相應(yīng)的發(fā)展對策，希望促進我國地熱能直接利用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，到“十三五”末，實現(xiàn)地熱能利用量達到5000萬噸標準煤[4]、打造數(shù)十個“無煙城”的目標。

[1] 鄭克棪, 董穎, 陳梓慧, 等. 我國加速地熱資源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)——2015世界地熱大會我國國家報告[J]. 地熱能, 2015, (3): 3-8.

[2] Q/SH 1050 011-2015, 水熱型地熱資源評價方法[S].

[3] GB 50366-2005, 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 國家能源局, 財政部, 國土資源部, 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 促進地熱能開發(fā)利用的意見[N]. 我國石化報, 2013-02-28.

2016-01-25

谷雪曦(1989—)，女，碩士、助理工程師，主要從事地熱能勘探、開發(fā)利用戰(zhàn)略規(guī)劃方面的研究。guxuexi.xxsy@sinopec.com