水熱系統(tǒng)

水熱系統(tǒng)是由水源(包括初生水、巖漿水以及大氣環(huán)流水等)、熱源、熱儲(chǔ)層、冷熱水環(huán)流通道以及在其中作對(duì)流循環(huán)的地?zé)崃黧w所構(gòu)成的體系。

根據(jù)水在對(duì)流系統(tǒng)中存在的狀態(tài)，可以把水熱對(duì)流系統(tǒng)分為五種類型。如圖《水的沸騰曲線》所示。在地下，水的沸騰溫度隨著深度的加深而增加，曲線的位置就是地下某個(gè)深度發(fā)生沸騰的地方。在曲線的下方，水以液態(tài)方式存在，在曲線上方，水以氣一液兩相狀態(tài)存在。

水熱系統(tǒng)溫水系統(tǒng)

有的水熱系統(tǒng)無論在地表，還是在深部，水都是以液態(tài)存在，也就是說不可能發(fā)生沸騰，這種水熱系統(tǒng)就稱為溫水系統(tǒng)。世界上絕大部分溫泉都可能是屬于這種溫水系統(tǒng)。它是在缺少年輕火成侵入體地區(qū)所發(fā)育的環(huán)流系統(tǒng)，它可以由大氣降水在傳導(dǎo)區(qū)域熱流機(jī)制下的深循環(huán)過程產(chǎn)生。

形成這種系統(tǒng)的先決條件是存在足以使水發(fā)生循環(huán)的高滲透率的斷層或破碎帶。熱水的溫度主要取決于區(qū)域熱流量的大小和深循環(huán)的深度。

水熱系統(tǒng)熱水系統(tǒng)

如果水在地下深處以熱水形式存在，只是當(dāng)它上升到地表附近時(shí)，才發(fā)生沸騰，這時(shí)在地表也有沸泉出露。但是，他們的沸騰深度很淺，常常只有十幾米，有時(shí)也可深達(dá)數(shù)百米，但是僅發(fā)生在井管之中或熱儲(chǔ)層的頂部，整個(gè)熱儲(chǔ)層含有的還是液態(tài)的水，這種水熱系統(tǒng)就稱為熱水系統(tǒng)。兩者的差別在于后者出現(xiàn)于活火山附近。我國西藏羊八井地?zé)崽锞褪且粋€(gè)熱水系統(tǒng)，其地下的沸騰深度，在熱田南部僅有十多米，往北才逐漸加深。

水熱系統(tǒng)兩相系統(tǒng)

如果地下沸騰帶比較深，那么，儲(chǔ)熱層中不僅含有熱水，也含有大量的水蒸氣，這種水熱系統(tǒng)就稱為兩相系統(tǒng)。在世界上許多已開發(fā)的高溫地?zé)崽锒紝儆趦上嘞到y(tǒng)。它們沸騰帶的深度可達(dá)上千米深。沸騰帶愈深，含水蒸氣的量愈大。因此壓力也比較大。沸騰帶的深度不同，熱田的特征也不同。

水熱系統(tǒng)蒸氣系統(tǒng)

如果在儲(chǔ)熱層中所含的全部是干蒸汽，則可以稱為蒸汽系統(tǒng)。目前，在世界上已確定的蒸汽系統(tǒng)為數(shù)不多，它們是意大利的拉德瑞羅(245℃)，美國的蓋瑟爾斯(245℃)和印度尼西亞的卡瓦卡瑪江。在235℃時(shí)的水蒸氣具有最高的熱焓值，達(dá)到669．8kCal/kg。另外，有人認(rèn)為日本的松川地?zé)崽镆矊儆谶@一類。

水熱系統(tǒng)地壓系統(tǒng)

當(dāng)沉積盆地具有深埋的、充滿水的滲透層，它們被后來的細(xì)粒沉積物嚴(yán)密地封閉起來，滲透層埋得很深，可達(dá)4 000—5 000米，水溫只有150℃～180℃，壓力卻極高，典型孔隙壓力值大體等于100MPa，所以稱為地壓系統(tǒng)。在地壓系統(tǒng)中的地?zé)崃黧w，除了含有大量的熱能和機(jī)械能以外，還含有大量的甲烷。地壓系統(tǒng)首先是在墨西哥灣勘探石油時(shí)發(fā)現(xiàn)的，目前還沒有開發(fā)，主要是工程問題還沒有解決。如果能解決的話，它們就會(huì)成為美國的重要地?zé)豳Y源。 2100433B

在水熱系統(tǒng)中，主要傳熱方式是對(duì)流。對(duì)流運(yùn)動(dòng)使系統(tǒng)上部的溫度升高，使加熱帶的溫度下降。水熱對(duì)流運(yùn)動(dòng)明顯地干擾熱傳導(dǎo)作用產(chǎn)生的地?zé)崽荻取Ｔ谒疅嵯到y(tǒng)中，近地表處的地?zé)崽荻韧芨撸S著深度的增加將很快地下降，一直達(dá)到水熱系統(tǒng)的基底溫度為止。

溫泉是地?zé)崮茏钪庇^和常見的地表顯示。大氣降水滲入地下，從深處的巖石中汲取熱量，以高溫?zé)崴蛘羝男问劫x存于地下，形成常規(guī)地?zé)崴疅嵯到y(tǒng)。地下熱水沿著適當(dāng)?shù)臄嗔鸦蛄严锻ǖ郎仙祷氐乇恚纱丝赡苄纬蓽厝４送猓€有一種不大常見的地?zé)豳Y源是由含大量甲烷的異常高壓地?zé)崃黧w形成的地壓地?zé)嵯到y(tǒng)，多分布于大型沉積盆地深處。

由于自然形成的水熱系統(tǒng)和地壓地?zé)嵯到y(tǒng)需要很苛刻的地質(zhì)構(gòu)造和地下流體條件，這類地?zé)豳Y源的分布范圍有限，絕大部分地?zé)崮苁且愿蔁釒r（即不含或僅含少量水的高溫巖石）的形式存在的。與常規(guī)水熱地?zé)豳Y源相比，干熱巖的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大，因?yàn)榇箨懙貐^(qū)近地表平均地溫梯度為3℃/100m，原則上在任何一個(gè)地方只要鉆到地下足夠的深度，都可以獲得能夠滿足發(fā)電或其他用途所需要的高溫。國際地?zé)釋W(xué)界和新能源學(xué)界普遍認(rèn)為，干熱巖是地?zé)嶙鳛樘娲茉吹南Ｍ?。與傳統(tǒng)的化石能源以及其它低碳能源相比，地?zé)崮茉淳哂性S多重要的特點(diǎn)。

（1）屬本土能源。地?zé)崮軄碜試恋叵?，潛力巨大，作為替代能源，地?zé)崮茉撮_發(fā)可以減小國家對(duì)進(jìn)口石油和煤炭的依賴，有利于國家能源安全。

（2）穩(wěn)定性好。21世紀(jì)新建地?zé)犭娬酒骄孟禂?shù)大于90%，遠(yuǎn)高于太陽能發(fā)電、風(fēng)電、核電和火力發(fā)電廠。

（3）帶動(dòng)系數(shù)高。具有多種綜合利用價(jià)值，可以帶動(dòng)包括旅游在內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（4）占地少。地?zé)岚l(fā)電單位裝機(jī)容量占地比太陽能發(fā)電、風(fēng)電、煤電及核電等至少低一個(gè)量級(jí)。

（5）環(huán)境友好。如果實(shí)行合理回灌，可以基本做到零排放。

（6）成本低。國際能源署的最新評(píng)估顯示，無論是現(xiàn)在還是將來20~30年內(nèi)，地?zé)岚l(fā)電成本都將大大低于太陽能發(fā)電、風(fēng)電和煤電等。原因在于地?zé)崮茉撮_發(fā)雖然早期勘探投資高，但建成后無燃料費(fèi)用，運(yùn)行費(fèi)用極低。

地?zé)豳Y源儲(chǔ)量巨大，我國是世界上最早開發(fā)利用地?zé)釡厝膰抑?，但是直到目前基本上還在延續(xù)祖代相傳的地?zé)嶂苯永玫哪Ｊ?，在利用地?zé)岚l(fā)電這一現(xiàn)代化新能源開發(fā)方面相對(duì)落后，原因之一是受我國缺乏適合于發(fā)電的高溫地?zé)豳Y源的傳統(tǒng)觀念的制約。隨著地?zé)峥碧介_發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，特別是增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)技術(shù)的日益成熟，可開發(fā)利用的地?zé)豳Y源已經(jīng)不再局限于常規(guī)的水熱系統(tǒng)，也包括干熱巖。中國西部沸泉眾多，具有豐富的高溫水熱系統(tǒng)；東部不乏中低溫溫泉，而且“熱盆”發(fā)育，花崗巖體分布廣泛，第四紀(jì)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，不僅具有巨大的油熱聯(lián)產(chǎn)和常規(guī)水熱系統(tǒng)開發(fā)潛力，還可能具有豐富的干熱巖資源。地?zé)釋W(xué)界和產(chǎn)業(yè)界 應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，改變舊的觀念，重新評(píng)估我國包括水熱系統(tǒng)和干熱巖在內(nèi)的地?zé)豳Y源分布，政府主管部門則應(yīng)該相應(yīng)調(diào)整國家地?zé)崮茉撮_發(fā)戰(zhàn)略布局，在繼續(xù)鼓勵(lì)西部高溫水熱系統(tǒng)地?zé)崮茉撮_發(fā)的同時(shí)，應(yīng)該鼓勵(lì)在能源需求旺盛的東部地區(qū)大力開展盆地地?zé)岷突鹕降責(zé)崮茉纯碧介_發(fā)，產(chǎn)學(xué)研合作，選址打造示范工程，以期迅速改變中國地?zé)崮茉串a(chǎn)業(yè)嚴(yán)重落后的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)自身的可持續(xù)發(fā)展，在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、確保能源安全、減少空氣污染的發(fā)展戰(zhàn)略中發(fā)揮更大作用。 2100433B

地?zé)釤醿?chǔ)是以包含的蒸汽多少來分類的，如果不含有蒸汽，可考慮以距地表何處出現(xiàn)沸騰區(qū)來分類。在一個(gè)水熱系統(tǒng)中，地?zé)釤醿?chǔ)自然組成的范圍是依靠它的溫度、深度、含氣量以及它的傳導(dǎo)特性等決定的，所以在不同深度可能有多個(gè)傳導(dǎo)層或熱儲(chǔ)。

鑒于地質(zhì)構(gòu)造、形成機(jī)理、變異條件的不同，地?zé)釤醿?chǔ)可大致分為4類:

(1) 溫水型熱儲(chǔ)

這種熱儲(chǔ)的溫度范圍在90-180℃之間，由于溫度和壓力不很高，即使在開發(fā)時(shí)也不會(huì)沸騰，一般可直接利用，如冬季采暖、洗浴、養(yǎng)殖、種植、理療等。我國大部分熱田均屬于溫水型熱儲(chǔ)，直接利用范圍相當(dāng)廣。

(2) 熱水型熱儲(chǔ)

該類型熱儲(chǔ)在開發(fā)初期顯示溫水型熱儲(chǔ)的特性，但經(jīng)過一段時(shí)間的開發(fā)則產(chǎn)生沸騰，溫度區(qū)間一般在200-250℃(在這一溫度區(qū)間，氣體的存在可使熱水沸騰) 。

(3) 兩相流液體型熱儲(chǔ)

在兩相流液體型熱儲(chǔ)中，它的自然狀態(tài)是：含水層中包含了液體和汽體。盡管溫度在220-300℃之間，當(dāng)溫度降低時(shí)可產(chǎn)生氣體而引起沸騰。

(4) 兩相流汽體型熱儲(chǔ)

汽體型熱儲(chǔ)上部也包含一個(gè)兩相層，在這種狀態(tài)下液相稀疏，擴(kuò)散廣但不流動(dòng)，所以在熱田的開采井口只出現(xiàn)蒸汽。熱儲(chǔ)層的溫度根據(jù)深度和汽體含量在230-320℃之間變化 。