秦皇岛地热能梯级利用状况与前景分析

杜立新,杨燕雄

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队,河北秦皇岛066001)

秦皇岛地热能梯级利用状况与前景分析

杜立新,杨燕雄

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队,河北秦皇岛066001)

在对秦皇岛地热能资源现状和开发利用调查的基础上,对秦皇岛地区的地热资源分布特征进行了分类,通过对相应的地热资源利用现状进行调查,掌握了地热能利用的现状以及存在的种种问题和不足。为了更加合理高效地利用地热能资源,进行开发利用前景分析,制定了地热能综合梯级利用的规划建议。

地热能;浅层地热能;梯级利用;清洁能源;采矿权

常规资源因其不可再生的特性已经面临着衰竭,其造成的过量碳排放已经危害到了人类生存的环境,开发清洁能源、节能减排已经成为今后能源开发利用的一个方向。地热能作为一种洁净的可再生能源,具有热流密度大、容易收集和输送、参数稳定(流量、温度)、使用方便等优点,作为一种矿产资源的同时也是宝贵的旅游资源和水资源,具有极大的开发利用价值。

目前人类对地热的利用分为两大类:一类是地热发电;另一类是直接利用,像地热采暖、洗浴、游泳、养鱼等。秦皇岛地区因其地热成因和特点不适合发电,目前主要是直接应用于洗浴和养殖。针对秦皇岛地区的地热资源特点和成因,选择适合当地的地热资源利用方式,最大效率地发挥地热能源的社会功效和经济效益是本利用规划的最根本出发点。秦皇岛地区的地热资源利用方式单一,且现有的利用方式资源浪费严重,迫切需要制定相关的开发利用方案保护地热资源,合理永续地利用地热资源。

1 研究区概况

秦皇岛位于河北省东北部 ,E118°33′～119°51′,N39°24’～40°37’。东北接辽宁省绥中县 ,西近京津,位于东北与华北两大经济区的结合部。交通便捷,通讯发达。气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候。

秦皇岛地区地热利用的历史可追溯至明代,但地下热水广泛的应用还是起自上世纪70年代以后,主要应用于农副业、洗浴、医疗、采暖等方面。

2 秦皇岛地热资源分布特征

秦皇岛地热资源比较丰富,目前共发现地热异常区10处,按照其分布特征可分为两类:分布在山区及平原北部山前地带的带状热储,钻孔揭露深度一般200～300 m,最大深度408 m,地热异常区面积小,分布零散,但埋藏浅,易开采;平原区南部的层状热储地热区,面积较大,埋藏较深,水量较丰富,目前钻孔揭露深度500～1 400 m。

2.1 带状热储

带状热储热水储集层岩性为花岗岩(J3QC、J1XY)和变质岩 (A r13Agn、A r3L),山区地下热水多以温泉形式泄出地表,从出露的地貌部位来看,温泉均出露在地形较低的部位。流量一般为0.1～3.0 L/s,矿化度0.19～1.15 g/L,水化学类型为 SO4-Na和 HCO3·SO4-Na·Ca型。

地下热水温度一般30～50℃,最高53℃,均属低温—中低温地下热水。地热异常区面积狭小,呈点状零星分布,异常区面积一般0.21～8.6 km2。

地热异常区的展布位置及形态受断裂构造控制,无论是山区还是平原,地热异常区均位于深大断裂上或其附近,特别是断裂的交汇处或拐弯部位。浅层地下水等温线靠近断裂和交汇处密集,向外围逐渐变疏。地热异常区形态主要表现为圆形、椭圆形或丁字型,如大泥河地热异常区受(NEE向)、(NNE向)和大泥河—蒲兰庄断裂(NW向)控制,形态呈椭圆形。

2.2 层状热储

层状热储分布在秦皇岛昌黎县南部沿海地区,热水储集层岩性为上第三系明化镇组和馆陶组的砂岩、含砾砂岩、砾岩。

明化镇组热储:厚度为680～760 m,其底界埋深为960～1 100m,水温一般为28～33℃。地下热水水位埋深一般为4.0～10.0 m,地热井单井涌水量350～900 m3/d,水化学类型为Cl-Na型。

馆陶组热储:厚度为420～470 m,其底界埋深为1 420～1 520 m,水温一般为36～52℃。地下热水水位埋深一般为31.0～+5.0 m,单井涌水量500～1 500 m3/d,水化学类型为 HCO3-Na型。

层状热储的地温状况不仅与断裂有关,还受基底形态和凹凸相间的构造格局影响。凹陷和凸起的构造特征影响着地温场的分布,和来自地球内部的热流在向上传导的过程中,由于在地壳表面部位再分配,局部由负构造区向正构造区集中。在新生界盖层分布的范围内为正向构造地温高,地温梯度大;负向构造地温低,地温梯度小。如小滩异常区位于姜各庄凸起上,其北侧为刘台庄—渤海断裂,南侧为朱各庄—荒佃庄断裂,异常中心地温梯度为3.5～4℃/100 m,而相邻的团林地热异常区位于昌黎凹陷内,异常中心地温梯度为3～3.5 ℃/100 m。

3 秦皇岛地热利用现状分析

秦皇岛地区经河北省地矿局批准的C级地热资源量为 24.834 7×1016J,可采资源量为2.597 6×1016J,(相当于标准煤 88.652 6×104t),D+E级地热资源量为493.278 8×1016J,可采资源量为49.328 0×1016J(相当于标准煤1 683.544 8×104t)。

3.1 地热利用现状

秦皇岛地区目前发现的地热异常区有10处,已经不同程度地被开发利用,按照开发利用的方式主要分为两类:一类是用于洗浴,另一类就是养殖。开发利用的均为深层地下热水,开发利用的重点均分布在地热异常出露和构造有利的部位。此处仅选取温泉堡地热区做说明。

温泉堡地热区内分布有温泉2个,地热钻孔1个,地下热水主要用于养殖和洗浴。

3.1.1 养殖、灌溉

抚宁县畜牧水产局利用秦 W 4温泉于1988年建立了设备较好的种鱼场,相继修建了露天鱼池和大棚鱼池,因为各种原因先后多次停产后又投入使用。此外,黑山咀村利用秦 W 4温泉部分热水于1983年修建了一座小型鱼场。2008年养鱼场扩建,养殖面积较原先扩大一倍,目前已经投入生产。有一部分水经输送用于灌溉,热水中除 F-超标外,Cl-、SO2-4含量及矿化度低,酸碱度较为适中,相比之下,地下热水灌溉秧苗生长快,产量高。

3.1.2 洗浴

中国人民解放军于1963年在秦W 5温泉出露处修建了海军408医院,病员和院方医护人员利用温泉和秦W 4钻孔热水进行洗浴,对治疗心血管疾病、皮肤病及风湿病等疗效显著。后因为408医院迁址,此处停用。2004年5月,总投资1 800万元的金龙温泉度假村投入使用,依托地热资源,金龙温泉度假村现已发展成为集吃、住、娱乐、洗浴于一身的温泉度假胜地,取得了一定的经济效益。

3.2 地热利用存在的问题

温泉堡地热资源利用现状只是秦皇岛地区地热资源利用的一个缩影,相对于其他的9个地热异常区,开发条件较好,但地热利用中暴露出来的相关问题基本上都是普遍存在的。

3.2.1 盲目开采造成水温下降

地下热水在开发利用中没有统一的规划,盲目开采,已经对地热资源造成了破坏,局部地区热水温度已经下降。以李埝坨为例,由于私自开采,秦144孔水温由1993年最低的35℃下降到2003年的24.2℃。

3.2.2 梯级开发较差,热水利用率不高

地下热水一次利用,梯级开发较差,热水利用率不高,有效利用温差较小,造成了大量的热资源浪费。

3.2.3 地热利用技术落后

地热利用技术较落后,热水开发以个体承包、分散经营为主,急功近利,破坏性的开发造成部分地区水温、水位下降。

3.2.4 开发利用项目单一

开发利用项目单一,对地热旅游疗养这一重要开发项目重视不够。因秦皇岛是一个旅游城市,单一的开发利用,地下热水的社会、经济效益未能充分发挥出来。

3.2.5 废水排放造成污染

地热水作为一种矿产资源,并没有得到有效的利用,利用后的弃水直接排放,其成分和热量等造成污染。

3.2.6 地下水环境受到破坏

地热钻孔等均没有相关的回灌井,过度的开采对地下水环境会造成不可逆的破坏。

4 地热能梯级利用规划

地热资源分为两种,即深层地热和浅层地热。深层地热是指温度高于25℃,集“热、矿、水”为一体的自然资源;而浅层地热是低温地热能的另一种形式,它涉及地下一定深度内的浅层地热资源,包括土壤和地下水中的热能等,大大扩展了地热应用的范畴。而秦皇岛现有的地热利用多数都是深层地热。

4.1 深层地热利用规划

针对现有的地热能开发利用现状,为了高效合理地利用地热能,必须在开发利用中注意梯级利用的问题。所谓的梯级利用就是分批次,按照各种用途的水温要求,由高到低、依次利用,以求最大程度地提高地下热水的有效利用温差,从而达到地热能的高效利用。针对现有的地热利用状况,结合秦皇岛本地的实际情况,现有的地热异常区域并没有较大的社区和建筑群,如果只是做单纯的采暖地热空调,无疑不符合秦皇岛本地的地热资源特征状况。秦皇岛地热能梯级利用前景主要侧重于丰富地热利用层次,摆脱单一的利用方式,根据温度的差异,投入相应的热利用项目。

结合目前的地热利用方向,针对现有的利用方式,分别做一下规划:

4.1.1 发展以养殖为主产业,旅游休闲为辅业的产业格局

以养殖为主要方式的地热区域,按照水温特点分别养殖不同种类的水产品,并且发展以养殖为主导的旅游休闲(垂钓等)产业格局。养殖用水通过铺设管道散热用于做温室养殖的热源,温室利用以后的热水经处理后回灌地下,从而循环利用,做到资源可续利用,现有的开发利用设施只需作进一步的投入和改造,而不做较大调整。

对于这一调整,需要注意的是回灌之前水质的控制,如果被污染的水被回灌到地层中去,对当地的地下水一旦造成污染,在今后很长一段时期内将会很难消除该危害。

4.1.2 发展洗浴、理疗、休闲娱乐为一体的旅游度假村

现阶段以洗浴为主要利用方向的地热区域,忽视了地下热水的矿物成分特性和医疗效用。因此进一步的开发要注重地热疗养等方面的发展。现有的抚宁县金龙温泉度假村就是一个很好的例子,发展洗浴、理疗、休闲娱乐为一体的旅游度假村。对于多样利用地热能必须注意水质的变化,尽可能避免由于人类开采地热水造成的水污染和热污染。

4.2 浅层地热能利用

秦皇岛地处华北东部,浅层地热能利用价值较大,可以兼顾制冷和采暖的需要。针对地形地貌特点适用不同的开发系统:山前平原、冲积平原、三角洲平原适合开展地下水、地埋管地源热泵系统;沿海地区、滨海平原适合地理管地源热泵系统;滨海城市适合海水源热泵系统。这些技术都为浅层地热能的利用和开发提供了可行的技术手段。

而现有的浅层地温利用技术中,应用最为广泛的就是地源热泵。地源热泵开发浅层地热能较深层地热的优点有:供暖模式上热泵的效率为300%～400%,而空调机(空气—空气热泵)效率为200%,电效率为 100%,燃油效率为 90%,燃煤的效率为55%;无直接的二氧化碳排放,环保;浅层地热能热泵只需50～200 m的钻孔,较深层地热经济;浅层地热能的利用不受地域限制,条件到处都具备;作为浅层地热能利用比较成熟的一个手段,地源热泵首次投入的资金较大,但是后期运营成本极低,只需要消耗极少的电能就能满足系统的运行。

秦皇岛地区发展地源热泵应该集中在人口较为集中的地区,改变传统的供暖和制冷模式才能从根本上改变对常规资源的依赖,减少环境污染物的排放。

浅层地热能主要利用地表以下一定深度内的热能,基本上集中在厚度200 m左右。因此针对盖层厚度,对于秦皇岛地区浅层地热能开发的有力地段做了划分,并对现有的地热异常区的开发利用现状和规划做了规划和调整,具体见规划分区图。

5 结论

秦皇岛地区深层地热资源利用工作具有一定的规模,需要在梯次利用和开发利用方式上摆脱单一利用项目和一次性利用地下热水,尽可能地提高有效利用温差。

利用浅层地热能,对于改善秦皇岛地区的人居环境,保护环境,节能减排有着比较现实的意义,应该侧重的发展。

现有的地热利用应加强监测,并侧重回灌,从而避免由于开采利用引起的地热资源退化和破坏。

应该注重地热采矿权的管理,避免盲目开采引起的地热资源及地下水资源的破坏。

[1]潘公,杨益新,张岭山,等.河北省秦皇岛市地下热水详查报告[R].1990.11,17-23.

[2]杨立顺,杨燕雄.浅析秦皇岛地区地热资源分布特征及控制因素[J].科技信息,2008,(33).

[3]John W.Lund and Derek H.Freeston.2000.world-wide direct uses of geothermal energy 2000.Proceedings World Geothermal Congress2000,1-20.

[4]郑克棪 .浅层地热能开发利用的世界现状及在我国的发展前景[A].见:浅层地温能.全国地热开发利用现场经验交流会论文集[C].北京:地质出版社,2007.16-20.

[5]陈建平.地热与浅层地热资源及其利用[A].见:浅层地温能.全国地热开发利用现场经验交流会论文集[C].北京:地质出版社,2007.31-37.

[6]刘谏.浅谈浅层地热能开发应用经营模式—地源热泵系统集成[A].见:浅层地温能.全国地热开发利用现场经验交流会论文集[C].北京:地质出版社,2007.116-118.

The Situation and Prospect Analysis of Cascade Utilization of Geothermal Energy in Qinhuangdao

Du Lixin,Yang Yanxiong
(Qinhuangdao Team of Mineral and Hydrogeology and Engineering Geology,Hebei Bureau of Geo-exploration,Qinhuangdao Hebei 066001)

This paper makes a prospect analysis of geothermal on the basis of investigating the current situation of the distribution,origin and direct-use of geothermal energy in Qinhuangdao.There is a geothermal energy classification and survey of the distribution and analysis of problem s and deficiencies of the use of geothermal energy.According to the characteristics we made a plan of cascade utilization of geothermal,to provide reference for effective,rational and sustainable use of geothermal energy.

geothermal energy;shallow geothermal energy;cascade utilization;clean energy;mining rights

TK529

A

1008-813(2010)02-0022-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.02.007

2010-01-04

杜立新(1984—),男,陕西咸阳人,2005年毕业于中国地质大学水文与水资源工程专业,助理工程师,主要从事水文地质工程地质相关研究工作。