地热能的利用.pdf

地热能的利用第一节地热资源地热能是指蕴藏在地球内部的巨大天然热 里。地热显示：能够直接观察到的地球内部热 能在地表的自然显现。分为强显示（150-200以上）和弱显示。不透水岩层,含水岩层热流 热岩体线岩浆地热井大气降水渗透被加 热一在水压和密度差的作 用下，升温水产生环流并 沿着裂隙通道上升，溢出 地表，形成温泉、热泉。如果岩浆喷出，则是火山 喷发。热水型地热田模型天气降水/)A,一，4 热水上升冷水下降地热从何而来？（一）外部热源：1.太阳辐射热2.潮汐摩擦热3.其他：宇宙射线，陨石坠落（二）内部热源：1.放射性衰变热：2.重力分异热：3.其他：地球转动热，外成生物作用热，地球残余热目前普遍认为，地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热 的主要来源。1.1地球内部构造及其温度变化地球半径为6371km大陆地壳平均厚度约35km海洋地壳平均10km最薄处仅有7km地壳中地温分布状况大致可分为三带:变温带、常温带和增温带变温带（外热带）一般指地表向下15-30m左右，受太阳辐射影响，温度随大气温 度变化，并随深度而递减。常温带（常温层）它在变温带以下一定的深度范围内，并随地理位置而异，其温度 值一般保持在高于当地年平均气温1-2C。增温带（内热带）常温层以下几十公里，地温受地球内热控制，越往深处温度越高,至一定深度增温减弱。浅层地热能(Shallow geothermal energy)的定义：是指地表以下一定深度范围内，温度一般低于 25,在当前技术经济条件下具备开发利用价值的 地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源的一 个组成部份。-20 T()0 10 20 30 10I 息 丫浅层地热能资源主 要来自于太阳的辐射能，储量巨大。主要？：赋存于地下数百米以 1上至地表冻土层以下 指的恒温带中。150-.地温变化曲线表地球内部有代表性的温度如下：地壳底部约100；至100km处（上地幔顶部局部熔融开始）达1300C；至400km处（变相区）为 1500；5100km处（内、外 地核边界）为4300；6371km 处（地心）为4500C,有些学 者认为是5000C,还有些认为 是6900地心地球内部温度分布示意图温度的测量一地球化学温标一地球物理测温方法据计算，地球陆地以下五公里内，15摄氏度以上 岩石和地下水总含热量达1.05E25焦尔，相当于 9950万亿吨标准煤。按世界年耗100亿吨标准煤 计算，可满足人类几万年能源之需要.如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热 量作为标准来计算、那么，石油的贮存量约为煤 炭的3%,目前可利用的核燃料的贮存量约为煤 炭的15%,而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7 亿倍。1.2地温梯度与大地热流地温梯度（地热梯度）它是指沿地下等温面法线向地球中心方向单位距离内 温度的增值，通常采用的单位是/100m,或/km。大地热流（简称热流或热流量）它是指在单位时间内通过地球表面单位面积散失的热 量，其单位为微卡/平方厘米.秒，称一个热流单位，通常 用HFu表示，工程单位多用毫瓦/平方米表示。lHFu=41.87W/m2（lcal=4.187J）热流的基本特点：1.海洋与大陆平均热流值近于相等2.热场分布与现代地壳运动：洋中脊，洋中隆3高热流；海沟，海盆3低热流；陆地活动分高热流；3.热场与大陆构造活动性：古老稳定地区，热流值低；年轻活动性强 的地区，热流值高。d t q X-dzq大地热流量（W/cn?）2一岩石的热导率（W-cm-L-i）t岩石温度（）z深度（cm）大地热流是岩石的热导率和地温梯度的乘积；式中负 号表示热流向温度减小的方向传递。1.3 地热异常与地热异常区全球平均热流值为1.5HFU,我国大陆平均热流值约为1.5-1.6HFuo地壳表层因地质作用使地热增温率提高，在局部地区导致热流 值和地温梯度值高于平均值的现象称为地热异常。而地热异常 的范围则称之为地热异常区。1.4 地热田与热储目前技术经济条件下可以采集的深度范围内，富含可经济开发 利用的地热能及地热流体的地域称为地热田。热储是指地热能相对富集，具有一定渗透性并含载热体的岩石 最 带。H|H HHHH.地热田是有热储、盖层、热流体通道和热源四大要素组成。地热田规模等级热田规模高温地热田中、低温地热田电能/MW利用年限/年热能/MW利用年限/年503050100中型10-503010-50100小型1030150)、中温(90150)和低温(90。以 下)。低温资源按其主要利用途径可分为热水(6090)、温热水(40 60)和温水(2540),可供采暖，烘干，医疗保健，温室，灌 溉，沐浴和水产养殖等利用。中高温资源可供发电，干燥和工业利 用。2.1 地热资源分布规律 从全球地质构造观点来看:大于150的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘，如板块的碰撞带，板块开 裂部位和现代裂谷带。小于150的中、低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地地区。根据板块学说，在各大板块的交接处形成 了有丰富地热资源的地热带。从世界范围 来说，主要有如下4个地热带：1.环太平详地热带（台湾省）2.大西洋洋中脊型地热带 3.红海亚丁湾东非裂谷型地热带 4.地中海一喜马拉雅缝合线型地热带（云 南，西藏）2.2地热资源的类型按板块构造特征分为板缘地热带（即为环球地热带）和板内地热带。板缘地热带属于火山型，多为高温地热田。在板内若有热柱点存在,也会有少数高温地热资源。板内地热带属非火山型，以中低温资源 为王。把地热资源根据其在地下热储中存在的不同形式，分为水热型、地压型、干热岩型和岩浆型资源。水热型又分为蒸汽型和热水型两 种。蒸汽型又分为干蒸汽（以蒸汽为主的）和湿蒸汽两类。蒸汽型：地下以蒸汽为主的对流系统的地热资源。特征：以温度较高的过热蒸汽为主，杂有少量其它气体，水很 少或没有，无水的干蒸汽资源罕见，含水的称为湿蒸汽资源。说明：墨西哥赛罗布列托热田温度达388C,干蒸汽田；新西兰 怀拉开热田温度达266,湿蒸汽田热水型：热储中以水为主的对流系统的地热资源。特征：包含低于当地气压下饱和温度的热水和温度等于饱和温 度的湿蒸汽，分布广、储量大。说明：中国广泛分布于中新生代沉积盆地及褶皱山系，大都为 中、低温，西藏，云南有湿蒸汽田图118蒸汽用模型示意图地压地热型：蕴藏在含油气沉积盆地深处（3000-6000m）,由机械能（高压）、热能（高温）和化学 能组成的地热资源。特征：热储中受岩层和封存水负荷而导致高温（120-180）,高压（几百个大气压），并在高温高压下积 聚了溶于水的烽类物质。是一种综合性能源。说明：仅美国墨西哥湾内蕴藏的地压地热资源，可供 相当于20世纪80年代初期全美国消耗能量水平1000-1500年地压地热资源的能量由三部分构成：1.热流体具有异常高压所形成的机械能；2.储存着异常高的地温梯度所形成的高温热能(135-260)3.蕴藏着高温高压条件下溶解于热水中的甲烷气。干热岩型：地下一定深度23km,含水量少或不含水，渗透性 差而含有异常高热的地质体。特征：含能量甚大，曾估计1立方英里350的热岩体冷却到 150,可产出相当于三亿桶石油的热量。美国水热型资源只 相当于本国干热岩资源的几千分之一。因此，它是地热资源中 最主要的形式。说明：现代钻探技术可及，近年来美、日、意、英、瑞典等国 均在积极开展试验开发干热岩资源，必须在致密高温岩体内人工制造（水力破碎 或爆炸）裂隙通道，再注入冷水，迫使其通过人工裂隙通道加 热升温，通过另一口钻井吸取到地面上。岩浆型：在熔融状或半熔融状炽热岩浆中蕴藏着的巨 大能量资源。特征：温度在60cM500摄氏度不等，一些火山地区资 源埋藏较浅，而多数目前埋藏与目前钻探技术还比较 困难的地层中，因此开采难度大。说明：美、日等发达国家已制定了长期开发计划2.3地热资源的水化学特征根据热水中化学成分的不同，可将地热水 划分为不同的水质类型，常见的有：氯化 物型、重碳酸盐型和硫酸盐型三大类。2.4地热资源的勘探目的在于查明地热异常的分布范围，对地 热田热储内地热资源的质量和数量以及开 采技术经济条件作出评价，为其合理开发 利用提供可靠依据。地热资源勘查分为普查、详查和勘探三个 阶段。(1)普查阶段 a.主要是寻找地热异常区或对已发现的地热异常区 开展地热地质普查。b.初步查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆(火 山)活动情况，研究它们与地热显示、地热异常的关 系，推断地热田的热储、盖层、导水和控热构造。C.初步查明地热田的地表热显示特征，测定地热流 体的天然排放量及其化学成分，估算地热田的热储温 度和地热田的天然热流量，初步圈定地热异常的范围,提出热储概念模型。d.探求D+E级储量，估价地热田开发利用前景。提交 普查报告，为是否须进行详查工作提供依据。(2)详查阶段 a.在初步查明地热田的地球化学场、地球物 理场及热储边界条件的基础上，对地热田是否 具有开发价值以及近期内能否被开发利用，进 行详查工作。b.基本查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆活动情况，初步查明地热田内的断裂及其 产状、各地层的孔隙、节理裂隙、岩溶及水热 蚀变发育情况，划分热储、盖层、导水与控热 构造。C.基本查明地热田内地温及地温梯度和空间变化，进 一步圈定地热异常的范围，计算热储温度，分析推断 地热异常的成因。d.基本查明热储的岩性、厚度、埋深及其边界条件，各热储内地热流体的温度、压力、产量及其变化关系,热储的孔隙率及渗透性能，圈定地热流体富集地段。e.基本查明热储中地热流体的相态、地热井排放的汽 水比例、地热流体的化学成分、有用组分和有害成分 以及地热流体的补给、运移、排泄条件。建立热储理 论参数模型。f.探求C十D级储量，提交详查报告，为地热田开发 总体规划和是否转入勘探阶段提供依据。（3）勘探阶段 a.一般应在经过详查工作证实具有开发价值的基 础上进行，主要是对地热田开发经济效益高的地 热流体富集地段进行勘探。b.详细查明地热田内的地层、构造、岩浆（火山）活动和水热蚀变等特点。基本查明热储、导水、控热构造的空间展布及其组合关系。C.详细查明地热流体特征，包括地热流体在热储中 的相态、温度、地热井排放时的汽水比例、蒸汽 干度、流体化学成分和同位素组成。阐明地热流 体中不同用途的有用组分和有害成分、地热流体 的来源、补给、径流排泄条件以及地热流体运移 过程中可能出现的相变和与冷水混合过程。d.详细查明地热田内的地温、地温梯度及有关 物性参数的空间分布及其变化规律。详细圈定 地热流体的富集地段。e.详细查明地热田的热储结构，各热储的分布 面积、厚度、产状、埋深及边界条件，各热储 内地热流体的温度、压力、产量的变化规律及 各热储的相互关系。实测各项储量计算参数，建立热储参数模型。探求B+C级储量，提出合 理开发方案并作出环境影响评价，提交勘探报 告，为地热田开发利用提供依据。2.4地热资源的评价方法天然热流量法、平面裂隙法、岩浆热平衡法、体积法、类比法。体积法：计算一定体积的地质体中所含的热量和水量。0=2如 pq（1-0）+外&-%）式中：Qr确定的地热储量，指热储层的热量（kJ）;A-地热田的面积，指热储面积（n?）h-一热储厚度（m）Pc pw-岩石和水的密度（kg/mO%、Cw-岩石和水的热容（kJ.kg-1.C-1）（p热储层孔隙率（）%一基准温度，取利用的最低温度限度或环境温度（）3.我国地热资源及其利用前景3.1 我国地热资源的基本情况通过对中国30个省、市、自治区的地热资源普查、勘 探表明，中国地热资源丰富，分布广泛。其中盆地型地热资源潜力在2000亿吨标准煤当量以上。全国已发现地热点3200多处，打成的地热井2000多眼,其中具有高温地热发电潜力有255处，预计可获发电 装机5800MW,现已利用的只有近30MW。1.高温地热资源中国的高温地热资源丰富，可用于地热发电的 合255处，总发电潜力为5800MW。主要分布在 西藏、滇西和中国台湾地区。预计到20I0年，还可开发利用10余处新的高温地 热资源，发电潜力约为300MW。2.中、低温地热资源 中国的中、低温地热资源中可用于非电直接 利用的有2900多处，其中盆地型潜在地热资源埋藏量约相当于 2000亿t标准煤。主要分布在松辽盆地、华 北盆地、江汉盆地、渭河盆地、太原盆地、临汾盆地、运城盆地等众多的山问盆地以及 东南沿海的福建、广东、赣南、湘南等地。目前的开发利用量还不到资源保有量的1%。我国地热资源与分布的总特征：呈现出藏滇、台湾、东南沿海及滇川四个温泉密集带；广大平原地区地 下深处蕴藏着丰富的热水及热卤水资源。总之从欧 亚板块中国外缘向内，由热泉、沸泉、喷泉、喷气 孔等强烈的高温活动逐步过渡到以温泉为主的低温 水热活动，离现代板块边界越远，地热活动强度减 弱。3.2我国地热资源的类型划分我国水热型地热资源分为两类：构造隆起区热对流类和构造沉陷区 热传导类五型：火山型、非火山型、深循环型、断陷盆地型和凹陷盆地型(1)火山型：在台湾和云南(2)非火山型型：在西藏(3)深循环型：如辽宁、山东、山西、陕西以及福建、广东 等地。(4)断陷、凹陷盆地型：如华北盆地、松辽盆地、江汉盆地 等。3.3我国地热资源的开发前景具有开发前景的两带（藏南一川西一滇西和东南沿海水热 活动带），一大片（黄淮海平原）和两小片（渭河盆地和 雷琼盆地）从技术经济角度，目前地热资源勘查的深度可达 到地表以下5000m,其中2000m以浅为经济型地 热资源，2000m至5000m为亚经济型地热资源。总体上我国是以中低温地热资源为主。资源总量 为；可供高温发电的约5800MW以上，可供中低 温直接利用的约2000亿吨标煤当量以上。羊八井地热电厂是我国目前最大的地热电站，也是当今世界唯一利用中温浅层热储资源进 行工业性发电的电厂。位于西藏自治区的羊八井，距拉萨市92公里，海拔4300米。1975 年始建，1977年第 台机组投运（1000千瓦），到1986年，装机容量达13000 T瓦.羊八井地热电站的电力提供拉萨电网用电一般的份额，还能为羊卓雍湖抽水 蓄能电站提供保障，尾热还能为农业温室提供热量。羊八井地热口 1开发储量15万 千瓦。已建成供发电用生产 井5 口,井深81.8354.7米,每小时产汽水混合物500 600吨。生产井的地热流体 温度为145150C,井口最 高温度为172C,井口压力 0.30.47兆帕,是中国汽水 参数最高的地热井。黄河三角洲地经潜在经济价值渝800亿元作者：更新时间：2007-3-27浏览次数：3260 信息录入：admin本报讯（记者赵秋丽 特约记者李志臣 通讯员李波）黄河三角洲地热资源丰菖.此 前，地质专家曾探明三个大型地热田，潜在经济价值800亿元以上：日前，山东东 营市对地热资源管理、合理开发利用和有效保护进行了规范,明确勘查、开发必须 取得探矿权和采矿权，地热实行保护性限量开采制度：东营市明确表示，地热资源属国家所有，实行探矿权、采矿权有偿取得制度，开采利用地热资源，必须按照规定缴纳资源税和资源补偿费。勘查、开发利用地热 资源，应当迸行环境影响评价，防止造成地质灾害、环境污染和生态破坏,城市供 热系统覆盖的区域内，不得利用地热供暖，凡从事地热资源勘查、开采.应当向省 国土资源行政主管部门申请登记.领取勘查、开采许可证,取得探矿权、开采权;黄河三角洲有着丰菖的地热资源。早在1973年，胜利油田就在距离入海口不 远处的孤岛地区打出一口温泉井,2005年.山东省地矿局地矿工程集团成功探明 了东营城区、孤岛和河口三个大型地热田，潜在经济价值800亿元以上,这三个大 型地热田属于低温地热资源,温热热水型,其中.东营城区地热田可利用热能为7 64兆瓦.面积342平方公皇;孤岛地区地热田可利用热能为171.17兆瓦.面积84 平方公里;河口地区地热田可利用热能为173.88兆瓦.面积65平方公里。三大地热 田合理开采，采期均在100年以上;且热田热储埋深介于1300米到2000米之间.埋藏适中，易于开采;热水退度在54到83。之间.热水中含有锯、硅、溟、锂等 多种对人体有益的微量元素，具有较高的医疔和保健价值，第二节地热发电1.地热发电概述1.1 地热发电资源特性原理：利用地热能通过机械能的中间转换产生电能。可把净化的地 下蒸汽直接引入汽轮机发电；也可用温度较低的地下热水通过减压 扩容法产生蒸汽，用之发电。主要是利用的中高温地热资源，蒸汽驱动汽轮机旋转，带动发电机。利用郎肯循环实现热功转换。能够用于发电的地热资源：水热型，地压资源，干热岩资源。地热流体中的矿物质易引起设备结垢，不凝气体会影响冷凝器的真 空度等。1.地热蒸汽发电(1)背压式汽轮机发电系统。最简单的地热干蒸 汽发电，是采用背压式汽轮机地热蒸汽发电系 统 工作原理：首先把干蒸汽从蒸汽井中引出，先 加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质,然后就可把蒸汽通入汽轮机做功，驱动发电机 发电。做功后的蒸汽，可直接排入大气；也可 用于工业生产中的加热过程。应用：这种系统大多用于地热蒸汽中不凝结气 体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生 产和人民生活的场合.背压式汽轮机地热蒸汽发电系统4到诊】1-蒸汽井；2净化分寓器；3一干蒸汽;4一汽轮发电机组；5一排气(2)凝汽式汽轮机发电系统 为提高地热电站的机组出力和发电效率，通常 采用凝汽式汽轮机地热蒸汽发电系统。在该系统中，由于蒸汽在汽轮机中能膨胀到很 低的压力，因而能做出更多的功。做功后的蒸 汽排入混合式凝汽器，并在其中被循环水泵打 入冷却水所冷却而凝结成水，然后回灌。凝气式汽轮机地热蒸汽发电系统7一中间冷却器II冷却水水泵6二级抽气器10冷却水泵工1 一干蒸汽；2-净化分离器；3一汽轮发电机组2.地下热水发电两种方式：闪蒸地热发电系统；双循环地 热发电系统(1)闪蒸地热发电系统：直接利用地下热 水所产生的蒸汽进入汽轮机工作。也叫做 减压扩容法地热发电系统。(2)双循环地热发电系统：利用地下 热水来加热某种低沸点工质，使其产 生蒸汽进入汽轮机工作。常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷、氟利昂一11、氟利昂一12等。汽轮机 I水德气冷凝界、汽水分离器冷却塔汽水分离器 闪蒸器降压扩容器L分离出的水 和 通过&5 1J.冷水冷却水槽理重汽地热发电原理闪蒸地热发电系统单级双循环地热发电系统2 1-.目 JW/A】一热水井；2-蒸发器；3预热耦；4一三质循环泵；5-整汽耨；6一汽轮发电机组；7冷却水；8一排水沟1.2地热发电与火力发电相比较3-4过程：可逆绝热压缩过程,即等嫡压缩过程。4-1过程：定压可逆吸热过程。1-2过程：可逆绝热膨胀过程,即等嫡膨胀过程。2-3过程：可逆定压冷却过程。因过程在饱和区内进行，此 过程也是定温过程。1-2绝热膨胀过程2-c定温（定压）放热过程c-5绝热压缩过程51定温（定压）吸热过程热功转换过程的原理相同，都是用郎肯循环，都是利用水和水 蒸气做为载热体，都完成了热能-机械能-电能的转换过程。区别：1.地热电站对工质的加热是在地下热储中进行，火力发电在锅炉中 进行，因此地热发电不需要庞大的锅炉及其辅助设备，也不需要 消耗化石燃料，因此地热发电设备简单、运行费用低。2.地热发电系统中不需要回收凝结水，一般都采用冷却效率高且造 价低的混合式或直接接触式冷凝器。只有当处理一些污染气体如 硫化氢时，才会用到表面式冷凝器。3.由于进入汽轮机的地热蒸汽参数（温度，压力）低，质量体积大,焰降小，为了达到一定规模的发电量，需要较大的蒸汽质量流量,因此汽轮机的体积及进汽管道都相对较大。4.由于地热流体中溶有一些矿物质和不凝气体，因此地热电站要面 对防腐、防垢和环境保护等方面问题。1.3地热发电的热力学基础气体稳定流动时，开口系统热力学第一定律：q=A77+尸+gAz+w对于地下储热加热过程：q、=H2-汽轮机内绝热膨胀过程：+w=0,或者w=-AH=a1-A?工质在冷凝器内过程：-*=或者一2凝结水泵对工质压缩过程：AH+()=0,或者w=J/2-Ha-未饱和水b-饱和水c-水的临界点d-干饱和水蒸气e-过热水蒸气be-饱和水线cd-干饱和蒸汽线干饱和蒸汽质量水在热储中为定压吸热过程 x二-湿蒸汽的总质量鼠=S+x(S n-S)H*=H+x(H H)热力学第二定律：在一个热力循环中，高温热源加给工质的热量ql,不可能全部转变 为功w,其中必有一部分作为冷源损失，而向低温热源放热q2.即在 循环中，w=ql-q2.表明循环中热变功w的程度，用循环效率甲表示：*明 明提高循环加热量ql，或降低向冷源的放热损失q2,均可提高循 环的热效率。