地热能及其直接利用和发电技术Word格式.docx
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大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。
（4）红海、亚丁湾、东非大裂谷地热带。
包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。
（5）其他地热区。
除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流区，可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。
地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，能够从地壳中科学、合理的开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组成。
地热能是通过漫长的地质作用而形成的集热、矿、水为一体的矿产资源。
地热资源按它在地下的储存形式可分为五大类：
蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。
（1）蒸汽型地热资源：
指以温度较高的蒸汽为主的地下对流水热系统，这类地热资源由于需要特殊的地质条件才能形成，因此储量较少。
一般蕴藏在1．5km左右的地表深度。
（2）热水型地热资源：
指地下以水为主的对流水热系统，是存在于地热区的水从周围储热岩体中获得能量形成的，包括喷出地面的热水和湿蒸汽。
这类资源分布广泛，储量丰富，是当前重点研究对象。
（3）地压型地热资源：
蕴藏深度为2km～3km，以高压水形式存在，溶解大量碳氢化合物，开发时可同时得到压力能，热能，化学能。
（4）干热岩型地热资源：
在地壳深处，岩石具有很高的温度，储存大量得热能，干热岩型地热资源主要指地表下10km左右深处的干燥无水的热岩石。
这类资源十分丰富，是未来开发的重点。
（5）岩浆型地热资源：
指蕴藏在地层深处的呈完全熔融状态或半熔融状态的岩浆中所具有的巨大能量。
据2010年4月25～30日在印度尼西亚巴厘岛召开的世界地热会议报告，到2010年世界地热发电所的设备总容量为10715MWe，1980年以后，每5年约增加1000MWe，但从2005年的8902MWe增加了1813MWe，增加稍为迅速。
年间发电量，IGA从1995年开始统计，在2010年约为67246GWh，从2005年起增加约1l537GWh。
有地热发电所的24个国家的设备容量和年间发电量如表1.1所示。
图1.11950～2010年世界地热发电所的设备总容量、发电量及2015年预测
2005～2010年的地热直接利用的进展，据Lnnd先生的论文和78个国家的报告汇总，2000年热利用国家为58个，2005年增至72个，其设备容量从2005年的28269MWe增至2010年的50583MWe，增加约80％。
据IGA1995年以后的调查，每5年约增加1．8倍，年间能量利用量也从2005年的273372TJ／a，增至2010年的438071TJ／a，约增~n60％，利用领域的年间能量利用率变化如图1.2示。
在直接利用中，有利用中低温地热水和浅部地中热的情况（GHP）。
图1.2直接利用各领域年间能量利用率的变化
表1.1各国的地热发电设备容量和发电量（2010）
表1.2直接利用量在2000GWh/a以上的前15国情况
表1.3GHP（地中热利用）前9国
中国是以中低温为主的地热资源大国，全国地热资源潜力接近全球的8%中国地热资源遍布全国各地。
据估算，中国深度2000米以内的地热资源所含的热能相当于2500万亿吨标准煤，初步估计可以开发其中的500亿吨。
中国地热资源主要分为三类:
（1）高温对流型地热资源，主要分布在滇藏及台湾地区，其中适用于发电的高温地热资源较少，主要分布在藏南、川西、滇西地区，可装机潜力约为fi00万千瓦;
（2）中低温对流型地热资源，主要分布在东南沿海地区包括广东、海南、广西，以及江西、湖南和浙江等地;
t3）中低温传导型地热资源，主要埋藏在华北、松辽、苏北、四川、鄂尔多斯等地的大中型沉积盆地之中。
目前，中国经正式勘察并经国土资源主管部门审批的地热田为103处，全国已打成地热井2000多眼，提交的B+C级可采地热资源量每年3.3亿立方米;
经初步评价的地热田214个，D+C级地热可开采资源量每年约5亿立方米。
二地热能的直接利用技术
地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不同温度的地热流体可利用的范围如下：
（1）200～400℃，直接发电及综合利用；
（2）150～200℃，可用于双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工等；
（3）100～150℃，可用于双循环发电、供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、制作罐头食品等；
（4）50～100℃，可用于供暖、温室、家庭用热水、工业干燥；
（5）20～50℃，可用于沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。
地源热泵技术
（1）原理：
地源热泵系统是一种利用地球（土壤、地表或地下水体）所储藏的太阳能资源为冷热源，进行能量转换的供暖制冷空调系统，由地能换热系统、热泵机组和室内采暖空调末端系统所组成。
热泵是先进的热能利用设备，能有效地利用空气、水体和土壤中蕴藏的低温热能。
利用热泵，可以从低温地热尾水中提取热量，从而降低地热尾水的排放温度，增大地热利用温差。
图2.1地源热泵原理图
（2）分类：
根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
图2.2地源热泵分类
（3）特点：
绿色清洁。
地球表面的水源和土壤是一个巨大的太阳能集热器，收集了约47%的太阳辐射能量，是人类每年所利用能量的500多倍。
地源热泵利用地球所储藏的太阳能资源作为冷热源，是可再生能源利用技术。
经济高效。
地源热泵通过消耗少量电能，可从土壤、地表水、地下水等浅层地热中提取4-6倍于自身所消耗电能的能量进行利用。
与常规冷热源系统相比，地源热泵系统的能量利用效率整体可提高30%左右，大大减少了系统运行能耗和费用，而且除实现制冷、制热功能外，可一套系统同时实现生活热水的制取。
低碳环保。
地源热泵系统在使用中利用清洁能源，减少煤、石油等化石能源的利用，并提高了能源使用效率，可大大减少二氧化碳等温室气体的排放，缓解城市热岛效应，并避免由于使用锅炉和冷却塔而引发的空气污染和噪声污染。
运行稳定。
由于浅层地热的温度相对稳定，热泵机组吸热或放热受外界气候影响小，其运行工况比其它空调设备更稳定，可避免常规空调当外界气温过高或过低运行时不稳定的问题。
（4）地源热泵技术在中国的发展：
中国浅层地热能应用潜力巨大，初步估算，287个地级以上城市每年浅层地热能可利用资源量相当于3.56亿吨标准煤，扣除开发消耗的电能，净节能量相当干2.48亿吨标准煤，减少二氧化碳排放6.13亿吨。
目前，中国地源热泵技术的建筑应用面积已超过1.4亿平方米，全国地源热泵系统年销售额已超过50亿元，并以30%以上的速度在增长，单体地源热泵系统应用面积高达80万平方米。
（5）地源热泵有关利用技术：
20世纪90年代以来，中国地源热泵系统取得许多突破性新技术，并广泛应用于地热工程领域，地源热泵技术是实现地热能梯级利用、地温能利用和污水热能利用的有效手段，热泵技术、低温地板辐射技术和信息技术的有机结合与应用给地热能在供暖、制冷、环保等方面存在的问题提供了有效解决方法，整体提高了资源的利用率，保护了资源与环境。
低温地板辐射技术。
低温地板辐射采暖是将地暖专用塑管埋于地下，在管道内通入30℃～60℃的热水，使地面达到一定的温度，靠地面和围护结构、家具、人体等实体的辐射换热来维持房间需要的温度和人体的舒适性，具有高效节能等优点。
信息技术。
信息技术的应用有效提高了地热资源开发利用技术与管理水平。
中国成功研制出地热资源数据库，建立了部分省市的地热资源开发利用评价设计系统和地热井远程监控系统，可实现对地热井的水温、流量、水位等动态数据进行远程监控，有效进行地热资源的开发管理。
地热梯级利用技术。
地热梯级利用就是多级次地从地热水中提取热能，多层次地利用，以达到“能尽其用”的目的。
通常情况下，可以将地热能要供暖的总负荷分成高温供暖部分与低温供暖部分，高温部分一般可以采用管网方式供暖，低温部分可以采用地板辐射采暖等。
混合水源联动运行空调技术。
混合水源联动运行空调技术是一项新的能源利用技术，利用处理后的工业废水与城市污水、湖水、地热尾水等低品位的能源作为空调系统的热、冷源，利用水源热泵提取热能与冷能进行供热与制冷。
回灌技术。
地热资源是在漫长的地质历史时期内形成的，其补给来源十分有限。
地热水的大量集中开采会因其理藏深度大、补偿缓慢、再生速度不快而使地热水水位下降形成地面沉降和人为的资源“医乏”，而且地热水的随意排放对水土及大气造成污染。
回灌是解决上述问题的根本方法口天津市塘沽区于220世纪80年代初开始进行基岩热储回灌，近几年回灌量是同期开采量的63%，有效遏制了水位下降过快的势头。
增强型地热系统。
增强型地热系统是国际上最为关注的两个发展趋势之一。
增强型地热系统也叫干热岩地热，原理是从地表往干热岩中打一眼井（注入并），封闭井孔后向井中高压注入温度较低的水，高压水在岩体致密无裂隙的情况下，会使岩体大致沿垂直于最小地应力的方向产生许多裂缝，注入的水会沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，可以产生温度高达200℃～300℃的高温高压水或水汽混合物，然后再通过人工热储构造的生产井将这些高温蒸汽提取用于地热发电和综合利用，利用后的温水又通过注入井回灌到干热岩中，从而达到循环利用的目的。
图2.3发展中的干热岩发电系统
地热务农技术
地热在农业中的应用范围十分广阔。
如利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；
利用地热水养鱼，在28℃水温下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；
利用地热建造温室，育秧、种菜和养花；
利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量等。
将地热能直接用于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云南等地都建有面积大小不等的地热温室。
各地还利用地热大力发展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼虾等。
地热医疗技术
地热在医疗领域的应用有诱人的前景，目前热矿水就被视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。
由于地热水从很深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化学元素，从而使它具有一定的医疗效果。
如合碳酸的矿泉水供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；
含铁矿泉水饮用后，可治疗缺铁贫血症；
氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。
由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地貌条件，使温泉常常成为旅游胜地，吸引大批疗养者和旅游者。
在日本就有1500多个温泉疗养院，每年吸引1亿人到这些疗养院休养。
我国利用地热治疗疾病的历史悠久，含有各种矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的医疗作用，发展温泉疗养行业是大有可为的。
除此之外，地热直接利用还包括地热用于娱乐和旅游等诸多方面。
三地热发电技术
地热发电原理与技术
地热发电的过程就是把地下热能首先转变为机械能,然后再把机械能转变为电能的过程,原理和火力发电的基本原理是一样的.所不同的是,地热发电不像火力发电那样需要备有庞大的锅炉,也不需要消耗燃料,它所用的能源是地热能。
根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同,地热发电主要分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩4种方式。
地热蒸汽发电
1）背压式汽轮机发电。
工作原理:
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,然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电,排汽放空（或送热用户）。
这是最简单的发电方式,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生活用水.
2）凝汽式汽轮机发电。
为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率,做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器,冷却后再排出。
在该系统中,蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力,所以能做出更多的功,系统原理见图3.1。
该系统结构简单,适用于高温（160℃以上）地热田的发电。
图3.1地热发电系统
地下热水发电
1）闪蒸地热发电。
将地热井口引来的地热水,先送到闪蒸器中进行降压闪蒸（或称扩容）,使其产生部分蒸汽,再引到常规汽轮机做功发电.汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水,送往冷却塔.分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下,或引入作为第二级低压闪蒸分离器中,分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功.用这种方法产生蒸汽来发电叫做闪蒸法地热发电.它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等.采用闪蒸法的地热电站,热水温度低于100℃时,全热力系统处于负压状态.这种电站设备简单,易于制造,可以采用混合式热交换器.缺点是设备尺寸大,容易腐蚀结垢,热效率较低.由于是直接以地下热水蒸汽为工质,因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。
2）中间介质法地热发电。
通过热交换器利用地下热水来加热某种低沸点的工质,使之变为蒸汽,然后以此蒸汽推动气轮机并带动发电机发电.在这种发电系统中采用2种流体,一种是以地热流体作热源,它在蒸汽发生器中被冷却后排入环境或打入地下;
另一种是以低沸点工质流体作为工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等）.这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化,产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电.做完功后的蒸汽,由汽轮机排出,并在冷凝器中冷凝成液体,然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。
该方式分为单级中间介质法系统和双级（或多级）中间介质法系统。
这一系统的优点是能够更充分地利用地下热水的热量,降低发电的热水消耗率,缺点是增加了投资和运行的复杂性。
联合循环发电
联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电2种系统合二为一,它最大的优点就是适用于高于150℃的高温地热流体发电,经过一次发电后的流体,在不低于120℃的工况下,再进入双工质发电系统,进行二次做功,充分利用了地热流体的热能,既提高了发电效率,又将经过一次发电后的排放尾水进行再利用,大大节约了资源。
该机组目前已经在一些国家安装运行,经济效益和环境效益都很好。
该系统从生产井到发电,再到最后回灌到热储,整个过程都是在全封闭系统中运行的,因此,即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电,且不存在对环境的污染.同时,由于系统是全封闭的,即使在地热电站中也没有刺鼻的硫化氢味道,因而是100%的环保型地热系统.这种地热发电系统采用100%的地热水回灌,从而延长了地热田的使用寿命。
利用地下热岩石发电
1）热干岩过程法。
与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比,热干岩过程法将不受地理条件限制,可以在任何地方进行热能开采.首先将水通过压力泵压入地下4～6km深处,此处岩石层的温度大约在200℃左右.水在高温岩石层被加热后,通过管道加压被提取到地面并输入到热交换器中,热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能.同时推动汽轮机工作的热水经冷却后可重新输入地下供循环使用.这种地热发电的成本与其他再生能源的发电成本相比是有竞争力的,而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染,所以它是一种未来的新能源。
利用干热岩发电与传统的热电站发电的区别主要是采热方式不同（如图3.2）。
干热岩地热发电的流程为:
注入井将低温水输入热储水库中,经过高温岩体加热后,在临界状态下以高温水、汽的形式通过生产井回收发电。
发电后将冷却水排至注入井中,重新循环,反复利用。
在此闭合回流系统中不排放废水、废物、废气,对环境没有影响。
图3.2干热岩地热发电系统
天然的干热岩没有热储水库,需在岩体内部形成网裂缝,以使注入的冷水能够被干热岩体加热形成一定容量的人工热储水库。
人工网裂缝热储水库可采用水压法、化学法或定向微爆法形成。
其中,水压法应用最广,它是向注水井高压注入低温水,然后经过干热岩加热产生非常高的压力。
在岩体致密无裂隙的情况下,高压水会使岩体在垂直最小地应力方向上产生许多裂缝。
若岩体中本来就有少量天然节理,则高压水会先向天然节理中运移,形成更大的裂缝,其裂缝方向受地应力系统的影响。
随着低温水的不断注入,裂缝持续增加、扩大,并相互连通,最终形成面状的人工热储水库,而其外围仍然保持原来的状态。
由于人工热储水库在地面以下,可利用微震监测系统、化学示踪剂、声发射测量等方法监测,并反演出人工热储水库构造的空间三维分布。
从生产井提取到高温水、蒸汽等中间介质后,即可采用常规地热发电的方式发电,包括直接蒸汽法、扩容法以及中间介质法等。
由于直接蒸汽法要求从井下取出高温蒸汽,效率较低,因此应用较少。
扩容法是将生产井中的热水先输送至扩容器,通过减压扩容产生的蒸汽推动汽轮机发电。
我国西藏羊八井地热电站即属扩容法地热发电。
目前研究较多的是应用中间介质法地热发电,例如有机兰金循环和卡里纳循环等。
蒸发器是中间介质法干热岩发电的关键设备,地热水通过蒸发器把低沸点物质加热,使其产生高压蒸汽并通过汽轮机发电,做完功的排气在冷凝器中被还原成液态低沸点物质。
2）岩浆发电。
在现在的地热发电中,地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆。
所谓岩浆发电就是把井钻到岩浆处,直接获取那里的热量.这一方式在技术上是否可行,是否能把井钻至高温岩浆处,人们一直在研究中.到目前为止,在夏威夷进行了钻井研究,想用喷水式钻头把井钻到岩浆温度为1020～1170℃的岩浆中,并深入岩浆29m,但就这也只是浅地表的个别情况.如果真正钻到地下几千米才能钻到岩浆,采用现有技术也是很难实现的.另外,对从岩浆中提取热量,目前也只是进行了理论上的研究。
地热发电循环系统
单机扩容系统
例如西藏羊八井地热电站1号机（1977-10^}1984），铭牌出力1MW。
这些机组的长期运行经验表明，单级扩容发电系统具有一些明显的优点:
系统和结构简单，运行可靠，操作方便。
现以广东丰顺邓屋地热电站为例说明。
该机是示范性的，铭牌出力300kW,1982年建成，1994年4月正式移交当地使用。
十多年来，机组一直并网运行。
该机的热力系统如图3.3所示。
由地热井抽取的91℃的热水，在扩容器内产生32kPa的蒸汽推动地热汽轮发电机组发电。
排汽（<
7.8kPa）在混合式凝汽器中凝结并与冷却水一同排出。
整个系统在负压下运行，其真空由射水抽气器维持。
通过多台单级扩容地热发电机组的运行实践证明，这类低参数、小容量的地热电站在技术上是成熟的，但在经济上，只有在缺油、缺煤、缺电，或电力以小水电为主而无法解决枯水期用电的边远山区，在西藏的某些地区，与小柴油发电机比，才有竟争能力。
图3.3300KW地热机组的热力系统
两级扩容系统
西藏羊八井地热电站使用的二级扩容地热发电系统，从1981年至1991年间，先后投产了8台300kW机组。
其中7台汽轮机由青岛汽车轮机厂生产，1台由富士公司引进。
国产3MW机组的热力系统如图3.4所示。
汽轮机为混压式，有两个进汽口相应引入第1级和第2级扩容蒸汽，其压力分别为167±
20kPa和49±
5kPa,排汽压力为8.8kPa。
凝汽器为混合式。
电站南部的冷却水直接取自藏布曲，北部机组采用冷却塔冷却，地热流体输送方式采取汽、水分别用母管输送。
热水经过2级扩容后排入回灌池，用泵加压回灌地下。
到1993年底，这些机组累计毛发电量已达134GW·
h，净发电量约558GW·
h，在冬季占拉萨电网供电量的60%。
机组经受了许多严重的考验，例如，负荷在600至3500kW波动，电网周波在47至54Hz变化等。
这些实绩表明，电站采用二级扩容系统是成功的，它可以在汗发热储温度为150至170℃（井口温度125至145℃，井口压力0.3至0.45MPa）的类似。
图3.43MW地热机组的热力系统
双循环系统
西藏那曲地热电站采用的是ORMAT公司生产的双循环发电系统（见图3.5）。
该机组于1994年8月投入运行，到12月底由于井内电潜泵电缆损坏而被迫长期停机。
机组尚未达到铭牌出力，一般情况下毛出力800kW左右，扣除空冷风机电耗100kW，介质泵37kW，井内电潜泵320～330kW，净输出仅300多kW。
此外，井下电潜泵的维修十分困难，按规定每年要大修一次，提升井下泵是一件费力、费时，造价很高的工作，需花约100万元，这对充分发挥电站的经济和社会效益造成很大影响。
图3.51MW地热机组的热力系统
地热发电的技术关键
目前,有3个重大技术难题阻碍了地热发电的发展,即地热田的回灌、腐蚀和结垢。
地热田的回灌
地热水中含有大量的有毒矿物质。
例如我国羊八井的地热水中含有硫、汞、砷、氟等多种有害元素,地热发电后大量的热排水直接排放,会对环境产生恶劣影响.地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源,通过地热回灌井重新注回热储层段的方法.回灌不仅可以很好地解决地热废水问题,还可以改善或恢复热储的产热能力,保持热储的流体压力,维持地热田的开采条件。
但回灌技术要求复杂,且成本高,至今未能大范围推广使用,如果不能有效解决回灌问题,将会影响地热电站的立项和发展.因此,地热回灌是亟需解决的关键问题。
如果地热流体是在开放系统里利用,则废水一般在回灌之前必须先在水塘或水箱之中沉降,以除去悬浮状固体物质。
有时,可以用过滤装置达到这一目的。
为了减少腐蚀性,废水可能还需要进行化学或物理法脱气,最后通过回灌井注入地热储。
回灌有时单靠重力即可实现,因为较凉和密度较大的地热废水具有较高的重力压头.如果资源属于以液体水为主的性质，则流体尚可以在分离器（闪蒸器）压力下回灌，或者在一次换热器（双工质系统）地热流体压力下回灌。
对地热储回灌的可行性评价要考虑以下几个重要方面:
①最优地点的选择；
②钻井和井孔运行费用与其他排放方法费用之比较；
③某一速率回灌所要求的压力，以及回灌量随时间的衰减等运行方面的问题。
回灌系统的设计应能使回灌井和生产井间的走行路径和流动时间实现最大化，只有这样才能防止生产层的水发生快速冷却.同时,水又应当充分地注入生产热储，以尽量减小热储压力的衰减。
确定最优回灌方案的关键因素是热储水温和渗透率的空间变化.热储地质对回灌的适应是需要研究的问题
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