书城科普读物海洋(科学探究丛书)
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第10章 海洋资源的开发与利用(6)

自1896年美国首先在加利福尼亚海滨萨木兰特采油,委内瑞拉于1922年在马拉开波湖获得喷油以来,海洋石油工业发展迅速。20世纪80年代时,海上勘探的国家已逾100个,海上产油国超过40个。1984年海上石油产量超1000万吨的国家有15个,1988年达17个。近20年中,海洋原油产量的比重在世界总产油量中增加了1倍。

目前在世界各地发现了约1660多个海洋油气田,近300个已正式投入生产,其中70多个是巨型油气田。储量超过1亿吨的有14个。在特大油田中有7个位于波斯湾。特大气田中也有3个在波斯湾,这14个特大油气田中,12个在石灰岩中,仅2个油田在砂岩中。目前,世界上离海岸最远的海井在美国路易斯安那州岸外500千米处,水深300米。现将全世界海底油气资源较为丰富的地区做以下介绍。波斯湾面积近150万平方千米,目前查明储量120亿吨,平均每平方千米海域储油800吨。目前,全世界有36%~40%的海洋石油产自该地区,其中沙特阿拉伯是仅次于英国的第二大近海石油生产国,产量占世界近海石油产量的1/6。

墨西哥湾含油、气盆地面积97万平方千米,主要分布在密西西比三角洲区,其中陆架面积58万平方千米,日产原油15万吨,天然气3.7亿立方米,居世界第三位。最近,墨西哥在坎佩切湾有了新发现,探明该湾储量70亿吨,有专家估计,可采储量可能高达274亿吨。

北海是20世纪70年代兴起的海洋石油区,该海域面积28.6万平方千米,探明储量约100亿吨原油,2万亿立方米天然气。北海员活跃的勘探和生产区在北半部,主要油田都在北纬56°以北,荷兰和英国首先在此发现了几个大油田。目前,区内已发现油气田264个,平均日产原油50万吨。其中英国日产原油达30万吨,是世界上海上产油量最多的国家。

马拉开波湖位于委内瑞拉西北部,也是目前世界上最大的海上产油区之一。马拉开波湖实际上是与加勒比海相连接的半封闭海湾,面积为6.1万平方千米,湖内估计储量高达85亿吨;世界10个特大油田之一的玻利瓦尔油田位于该湖,目前日喷原油20万吨。

东南亚近海,从暹罗湾到塔斯曼海的东南亚海区是世界海底石油资源富集地区之一。二次大战前便发现了文莱海底油田,目前印度尼西亚是该地区最大的近海石油生产国几内亚湾,从贝宁到卡弃达沿岸,包括尼日尔河三角洲和加蓬、刚果、卡奔达海域的油气田,已探明储量25亿吨。1963年发现尼日尔河三角洲岸外的奥坎油田,现在海上共有50多个油田,尼日利亚的石油产量居非洲首位。其海域储油约23亿吨,目前日产原油4万吨。

中国大陆架石油。我国拥有18000千米的海岸线,大陆架面积占世界的1/20。先后发现了渤海、南黄海、东海、台湾浅滩、珠江口、莺歌海、北部湾等7个含油气盆地,总面积约有120万平方千米。这些盆地有着厚达5000~10000米的沉积物,具有良好的生油储油条件和有利于储油的构造带。从远景来看,我国近海石油的储量不亚于陆上。开发利用近海石油资源有着广阔的前景。

海洋发电技术

由于天体的引潮力形成了海水周期性升降或涨露的潮汐。我国沿海地区劳动人民早就利用潮汐的力量来推动水磨、水车,并进行粉碎石块、锯木、压榨甘蔗制糖等工作。潮汐现象的产生与天体引潮力有关,而且随地球与日、月位置的变化而变化。

根据科学的估算,全球海洋中潮汐能的蕴藏量大约达10亿~6350亿千瓦。世界各近海岸地带地形差异很大,潮差也很大,世界最大潮汐一般都出现在喇叭口形海湾地区。

潮汐发电的原理和水电站一样,利用落潮的水位差来发电,潮差越大,发电的功率也就越大。中国潮汐能的蕴藏量为1.9亿千瓦,年发电量为2750亿度,可供开发的总装机容量为3600万千瓦,年发电量达900亿度,居世界第四位。由于中国各地潮差情况不尽相同,潮汐能资源分布也不均匀。东海最丰富,达7400万千瓦,浙江和福建两省约占全国的90%以上。仅浙江省沿海的杭州湾潮汐资源每年可发电590亿度,几乎占全国总发电量的1/4。

1957年,中国在山东省建立第一座潮汐发电站,开始了潮汐能的开发。广东、江苏、上海、辽宁、福建等省市相继办起了40多座潮汐电站。1978年8月1日,山东省乳山县白沙口潮汐电站开始发电,年发电量230万度。1980年8月4日,中国第一座单库单向式潮汐发电站——浙江省温岭县乐清湾北端江厦潮汐电站正式发电,年均发电量为1070万度,居世界第二位,规模仅次于法国朗斯潮汐发电站。江苏省太仓县浏河口已建成我国第一座自动控制的150千瓦的潮汐电站。

单库单向电站只有一个蓄水库,利用落差发电。浙江省温岭县江厦潮汐电站就是这样一类型。该电站位于乐清湾内,利用一块洼地作水库,和大海之间装有两座小水闸,其中一个是进水闸,另一个是排水闸。涨潮时关闭排水闸,打开进水闸,让海水流入水库;落潮时,打开排水闸,将进水闸关闭,库内蓄水通过水轮机流出,从而带动水轮机旋转,并带动发电机发电。

单库双向电站除平潮外(即水库内外水位相平),不管涨潮或落潮时均能发电,其发电时间和发电量都要比只能在落潮时发电的单库单向电站多,潮汐能量的利用更为充分。

中国广东东莞县镇口潮汐站,就是单库双向电站。电站一边与珠江相通,另一边与东引运河连接。厂房内外分成几个厢室,每个厢室的两头都有闸门,中间各安放两台水轮发电机组,分别与珠江和运河相通,当涨潮时打开珠江一侧闭门,同时关闭运河一例闸门,让珠江水进入厢室,然后流过水轮机,推动机组发电。水流过水轮机后,便经下水道流入东引运河中。相反,当落潮时,珠江水位下降,此时关闭珠江一例水闸,打开运河一例水闸,让河水流入厢室,再通过水轮机发电,然后又由下水道汇入珠江,从而完成涨落潮两个发电过程。双库单向电站需要建造两级毗邻的水库,一个水库在涨潮时进水,另一个水库在落潮时出水。这样一来,前一个水库中的水位便始终比后一个水库的水位高,故前者称上水库,后者称下水库。水轮发电机组便放在两个水库之间的隔坝内。由于两个水库中始终保持着水位差,所以水轮发电机便可全日发电。

俗话说:“无风不起浪”。风越大浪越高,海浪的能量也就越大。根据测定:风速每秒10米时,每米海岸线蕴藏波浪能24千瓦;风速每秒12米时。每米海岸线的波浪能为59千瓦;当风速达到每秒15米时,则每米海岸线的能量达247千瓦。因此,海浪中蕴藏着巨大的能量,海浪对海岸的冲击力,每平方米竟达20~30吨,大的甚至达到60吨,巨大的海浪可以把一块13吨重的岩石抛到20米的高处,能把1700吨重的岩石翻转,还能把万吨轮推到浅滩上去。我们利用这种巨大的能量来发电,每米海岸线的波能年均发电可达40~70千瓦!

在我国沿岸,由于风随季节而变化,浪也随季节而变化。冬季,大陆沿岸以北浪为主,渤海海峡地处开阔海区,冷空气畅通无阻,所以大风大浪较多,最大波浪高达8米。夏季,沿岸以南浪为主,尤其是东南沿海,波高一般都在5.9~8.5米之间,西沙群岛最大波高可达10米。就世界范围来看,北半球冬季的海浪比夏季大,南、北半球40~60度的海域的海浪比低纬度的海域要大,尤其是南纬40度附近,经常刮着强烈的西风,巨浪如山,故而经常发生触目惊心的海难事故。1968年6月,一艘名为“世界荣誉”号巨型油轮,航行到“咆哮的好望角”时被波高20米的狂浪一折两断,船毁人亡。

英国气垫船的发明者库克爱尔设计的就是一种波浪发电装置“筏式波浪发电站”,它利用漂浮在海面形同木筏的浮箱,随波浪上下运动来摄取波浪能。几个浮箱组成一组,用活动铰链连接在一起。相邻的浮箱之间,一处安装了活塞缸体,另一处安装了活塞杆。当浮箱随波浪上颠簸时,活塞杆在缸体内来回运动,或产生气压推动气轮发电机工作,或像水泵-样把水抽到岸边蓄水库内,然后用水库水位的落差来发电,三个一组的浮箱输出功率达1千瓦,只要增加浮箱组的数目,就可以增加发电量,苏格兰沿海首先开始以之发电。

鸭式波浪发电的发电装置像-只浮在水上的鸭子。它的“胸脯”对着波浪传播方向,随着波浪的波动,它像不倒翁-样不停地来回摆动,利用摆动的能量来带动工作泵,推动发电机发电。这种装置是英国坦普尔顿大学肖尔特研究所在20世纪70年代设计成功的,所以这种开关独特、设计巧妙的凸轮被称为“肖尔特凸轮”。它可以使波浪能量的90%转变成动力,如果把多个凸轮在海面组成一个一字型列阵,就可以提高发电能力。

空气透平式发电船的发电原理和打气筒的原理相同。波浪的上下运动使管道内或箱体内的空气时而压缩,时而抽空。压力变化造成了空气的流动,流动空气通过阀门或特殊设计的叶轮,使叶轮和同轴的发电机始终保持同一方向转动,这样使波浪能转化成电能。

世界上规模最大的要推日本的“海明”号波浪发电船了。它每台机器的发电功率为125千瓦,已经安装9台;总功率在1000千瓦以上,被称为世界波浪发电之冠。“海明”号长期锚泊在日本鹤冈市,距岸约3千米的海面上,船全长80多米,宽12米,高4米。水压式波浪电站则利用近海岸的波浪压力来发电,波浪周期性地拍击着海岸,压力有时达到每平方米几十吨,相当于几十米高的水柱压力。在海底铺设与海岸平行的很多织物软管,作用在它上面的波浪压力通过管道冲向液压发电机,如同玩具水枪受到挤压射出很大水柱一样,驱动液压发动机旋转。驱动发动机后的液体结集在专门的平衡池内,通过阀门又回到织物软管内,如此循环往复地使液压发电机不停地转动。

水轮式波浪发电站是瑞典哥德堡查尔斯工业大学试验成功的一种波浪发电站,水轮的轴线顺着海浪传播的方向,当波浪下降时,海水留在向上的水轮轮叶里,由于重力产生向下的力,使水轮作逆时针方向转动;当波浪上升时,空气留在向下的水轮轮叶内,由于浮力产生向上的力,也使水轮作逆时针方向转动。随着海浪的一高一低,使水轮不停地旋轮从而带动发电视发电。这种波浪发电装置因水轮转动十分匀速,结构简单,造价比较低廉,目前有许多国家采用。

在茫茫夜海中航行,需要依靠各色指示灯来确保安全,航标灯装在浮体上浮在海面,锚系在航道两侧或海上航行危险的地方。航标灯曾经使用油灯、乙炔气灯、蓄电池灯、太阳能电池灯,现在广泛使用波浪发电的航标灯。这种装置是由日本的益田善雄发明的,又称“益田式”波浪发电航标,他研究了近40年,于1965年首次安装在航标上使用,现在已推广到世界各国。

中国研制的航标波浪发电装置,已于1982年8月鉴定通过。目前长江口使用的就是这种波浪型发电航标灯,每台波浪发电航标灯每年可节省2500多元开支。

海水中储藏着巨大的热能。海水吸收了太阳的辐射热,提高了温度。整个海洋成了太阳热能的储存库。当然海水温度升高还有别的原因。如地球内部火山喷发,内能释放,海水中放射物质的发热,海底热泉等,但对整个海洋来说,它们的影响是很微小的。所以海洋热能的主要来源是太阳的辐射热。

海水中的热能蕴藏量约500亿千瓦,实验表明,可能利用的能量约20亿千瓦。如果能通过某种方式,使热带海洋的海水温度下降1℃,就可获得1200亿千瓦的能量,比现今全世界发电站的总功率还要大100倍。进入海洋的太阳能,在通过表层1米的海水时,80%被吸收了,大约只有5%可以透入到海面以下5米,因此形成海水温度的垂直差异。在低纬度地区上下层海水的温差可达到20℃~30℃,人们从热电站发电原理中得到启发,有一个热源(锅炉),一个冷源(冷却水),便可以发电。海洋中表层温度高的海水就是热源,底层温度低的海水就是冷源,上层海水在低压或真空下产生蒸气推动汽轮机,通过汽轮机的蒸汽,用底层海水冷却凝结成水,这样可以顺利发电。

20世纪20年代,曾用20℃海水温差发电成功。1956年西非建立了一个较大的海水温差发电站,温差为20℃,总装机容量达7500千瓦。我国南海海域表层水温一般在26℃~28℃之间,水深大部在2000米以上。自表层向下500~1000米处,可获得温度为5℃的冷却水。特别是南海中有众多岛屿、礁石、浅滩、暗沙等,从岛缘向外,很快可以达到2000米的水深。

在那里安装温差发电站,将大大缩短管道长度,减少投资费用。据估计,南海一年可利用温差发电达5亿千瓦。法国是海水温差能利用的故乡。1926年法兰西科学院克劳德和布射罗当众进行温差发电实验,获得成功。1930年左右,克劳德在古巴马坦萨斯海湾上建成了一座22千瓦的开式循环海水温差发电站,此为世界第一座海水温差发电站。1948年法国在非洲象牙海岸首都阿比让附近建造了一座海水温差发电站。

1964年,美国海洋热能发电的创造人安镕森和他的儿子,首次公布了他们对海水温差发电的研究成果——闭式循环的原理,整个循环系统由电蒸发器、冷凝器、汽轮发电机组、泵和管道组成。

蒸发器用温海水加热冷凝器用冷海水冷却。当用泵将低沸点液体(丙烷和液态氨)抽入蒸发器后,液体在常温常压下沸腾,产生具有一定压力的蒸汽推动汽轮发电机运行,工作后的蒸气送进冷凝器加压冷凝,由泵抽入蒸发器,从而完成一个工作循环。1979年,美国在夏威夷岛东部2.5千米海上,安装了世界第一座闭式循环海水温差发电站,总装机容量达到1000千瓦以上。预计到2020年,美国利用海水温差发电的发电量将达到全国总发电量的10%。海洋中大规模的海水沿着一定方向的流动形成海流,也叫洋流,它是海水运动的又一种形式,是沿着无形的“河床”有规律地流动着的“河流”。洋流按产生的原因可以分成四种,即密度流、风海流、潮流和补偿流。在洋流中,根据温度又可分成暖流和寒流。