10地热发电技术.docx
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10地热发电技术
第七章地热发电技术
第一节地热能基本知识
一、地热能
所谓地热能，简单地说．就是来自地下的热能，即地球内部的热能。
这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。
地球内部的温度高达7000℃，而在80至100公里的深度处，温度会降至650至1200℃。
透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。
高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。
地热能是可再生资源。
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1.05×1025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。
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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。
二、地球的内部构造
地球是一个巨大的实心椭球体，它的表面积约为5.11×108km2，体积约为1.0833×1012km3，赤道半径为6378km，极半径为6357km。
地球的构造好像是一只半熟的鸡蛋，主要分为3层。
1）地壳：
地球的圆外面一层，即地球外表相当于鸡蛋壳的部分，地壳由土层和坚硬的岩石组成，它的厚度各处不一，介于10~70km之间。
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2）地幔：
地球的中间部分，即地壳下面相当于鸡蛋白的部分，也叫做“中间层”，它大部分是熔融状态的岩浆．地幅的厚度约为2900km,它内硅镁物质组成，温度在1000℃以上。
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3）地核：
地球的中心，即地球内部相当于鸡蛋黄的部分．地核的温度在2000—5000℃之间，外核深2900—5100km，内核深5100km以下至地心，一般认为是由铁、镍等重金属组成的。
三、地热的形成
关于地球的起源问题，目前有许多不同的假说，因此，关于地热的来源问题，也有许多不同的解释。
但是，这些解释都一致承认，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。
放射性元素有铀238、铀235、针232和钾40等，这些放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。
放射性物质的原子核．无需外力的作用，就能自发地放出电子、氦核和光子等高速粒子并形成射线。
在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。
第二节地热资源的主要类型
一、地热资源
地热资源是指在当前的技术经济和地质条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和热流体中的热能量及其有用的伴生成分。
目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m以上下为经济型地热资源，2000—5000m为亚经济型地热资源。
二、地热资源的类型
通常我们把地热资源根据其在地下热储中存在的个同形式，分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型资源和岩浆型资源等几类。
1）蒸汽型资源
蒸汽型资源是指地下热储中以蒸汽为主的对流水热系统，它以产生较高温度和压力的热蒸汽为主。
当储水层的上方有一透水性很差的覆盖岩层时，由于覆盖层的隔水、隔热作用，覆盖层下面的储水层在长期受热的条件下，就成为聚集大量具有一定压力和温度的蒸汽和热水的热储。
按井口喷出介质的状态分为干蒸汽和湿蒸汽。
蒸汽资源特别适合于发电。
特别是干蒸汽，所含水分很少或没有，这种干蒸汽可以直接进入汽轮机，对汽轮机腐蚀较轻，能取得满意的工作效果，是十分有开采价值的地热资源。
但这类构造需要独特的地质条件，因而资源少、地区局限性大。
2）热水型资源
热水型资源是指地下热储中以水为主的对流水热系统，它包括喷出地面时呈现的热水以及水汽混合的湿蒸汽。
这类资源分布广、储量丰富，根据其温度可分为高温（>150℃）、中温（90—150℃）和低温（90℃以下）。
地下热水的形成一般可分为深循环型和特殊热源型两种形成类型.
（1）深循环型。
一边冷水下降，一边热水上升，这就构成地下热水的循环运动。
深循环型地下热水的形成、运动和储存，与地质构造密切相关。
（2）特殊热源型。
数十亿年来地壳岩层一直在经历着断裂、挤压、折曲及破碎等变化。
每当岩层破裂时，地球深部的岩浆就会通过裂缝向地表涌来。
如果涌出地表，即成为火山爆发。
如果停驻在地表下一定的深度，则成为岩浆侵入体。
3）地压型资源
地压型资源是一种目前尚未被人们充分认识的、但可能是一种十分重要的地热资源。
它以高压水的形式储存于地表以下2—3Km的深部沉积盆地中，并被不透水的盖层所封闭，形成长1000km、宽数百千米的巨大热水体。
地压水除了高压、高温的特点外，还溶有大量的碳氢化合物（如甲烷等）。
所以，地压型资源中的能量，实际上是由机械能（压力）、热能（温度）和化学能（天然气）3个部分组成的。
4）干热岩型资源
干热岩型资源是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。
现阶段来说，干热岩型资源专指埋深较浅、温度较高的有开发经济价值的热岩石。
提取干热岩中的热量，需要有特殊的办法，技术难度大。
5）岩浆型资源
岩浆型资源是指蕴藏在熔融状和半熔融状岩浆中的巨大能量，它的温度高达600~1500℃左右。
在一些多火山地区，这类资源可以在地表以下较浅的地层中找到，但多数则是埋在目前钻探还比较困难的地层中。
目前能为人类开发利用的．主要是地热蒸汽和地热水两大类资源，人类对这两类资源已有较多的应用；干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用少。
三、地热资源的分级
国际上的一般划分方法为：
150℃以上为高温；90—150℃为中温；如90℃以下为低温。
而对于不同温度的地热流体可能利用的范围如下：
1）200～400℃直接发电及综合利用；
2）、150～200℃双循环发电，工业干燥，工业热加工；
3）、100～150℃双循环发电，供暖，工业干燥，脱水加工，回收盐类；
4）、50～100℃供暖，温室，家庭用热水，工业干燥；
5）、20～50℃沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水加工。
第三节我国地热资源分布
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。
一、高温地热资源
中国的高温地热资源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。
现已利用的只有近30MW。
预计到20l0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。
二、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‰。
第四节地热发电技术
地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它涉及地质学、地球物理、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等多种现代科学技术。
地热发电和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转换为机械能，然后带动发电机发电。
不同处：
地热发电不像火力发电具有庞大的锅炉；不需要消耗燃料。
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。
要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。
目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。
按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。
一、蒸汽型地热发电
它是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。
主要有背压式和凝汽式两种发电系统。
1）背压式汽轮发电机系统
工作原理：
将蒸汽从蒸汽井中引出；经净化分离器净化出去杂质；然后送入蒸汽机做功；驱动发电机发电。
做功后的蒸汽直接排入大气或用作供热。
大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或综合利用于生产和生活
2）凝汽式汽轮机发电系统
蒸汽在汽轮机中急剧膨胀，做功更多。
做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，被冷却而凝结成水，然后排走。
为保持很低的冷凝压力（真空），常设有两台带有冷却器的抽汽器。
采用凝汽式汽轮机，可以提高蒸汽型地热电站的机组出力和发电效率，因此常被采用。
二、热水型地热发电
这是目前的主要方式，适用于中低温地热资源。
低温热水或湿蒸汽不能直接送入汽轮机，需经一定手段，把热水变成蒸汽或利用其热量产生别的蒸汽，才能用于发电。
热水型地热发电，主要的方式有：
1）闪蒸地热发电系统
闪蒸法也叫“减压扩容法”，就是把低温地热水引入密封容器中，通过抽气降低容器内的气压，使地热水在较低的温度下沸腾生产蒸汽，体积膨胀的蒸汽做功推动轮发电机。
适合于地热水质较好且不凝气体含量较少的地热资源。
如果流体是湿蒸汽，则先进入汽水分离器，分离出的蒸汽送往汽轮机，分离下来的水进入闪蒸器。
为提高地热能的利用率，还可采用两级或多级闪蒸系统。
发电量可增加。
2）全流发电系统
全流发电系统就是试图将来自地热井的地热流体（不论是水或是湿蒸汽）通过一台特殊设计的膨胀机,使其一边膨胀一边做功，最后以汽体的形式从膨胀机的排汽口排出。
.为了获得全流系统的优越性能，脚胀机的效率必须达到70%以上，但目前的实脸机组还没有达到这一指标。
因此，虽然从这一概念的提出到现在已有20多年的时间，全流地热发电系统仍未进人商业应用阶段。
3）双循环地热发电系统
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，然后以此蒸汽去推动气轮机，并带动发电机发电。
因此，在这种发电系统中，采用两种流体：
一种是采用地热流体作热源，它在蒸汽发生器中被冷却后排人环境或打入地下；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷（-11.7）、正丁烷（-0.5）、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。
这种发电方法的优点是，利用低温位热能的热效率较高，设备紧凑，汽轮机的尺寸小，易于适应化学成分比较复杂的地下热水。
缺点是，不象扩容法那样可以方便地使用混合式蒸发器和冷凝器；大部分低沸点工质传热性都比水差，采用此方式需有相当大的金属换热面积；低沸点工质价格较高，来源欠广，有些低沸点工质还有易燃、易爆、有毒、不稳定、对金属有腐蚀等特性。
为了提高地热资源的利用率，还可以考虑用两级双循环地热发电系统，或者采用闪蒸与双循环两级串联发电系统。
4）联合循环地热发电系统
联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于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以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大节约了资源，有较好的经济和环境效益。
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，不存在对环境的污染。
同时，由于是全封闭的系统，在地热电站也没有刺鼻的硫化氢味道，因而是100％的环保型地热系统。
这种地热发电系统进行100％的地热水回灌，从而延长了地热田的使用寿命。
5）干热岩地热发电系统
与从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热干岩法将不受地理限制，可以在任何地方进行热能开采。
首先将水通过压力泵压人地下4到6km深处，在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个热交换器中。
热交换器推动汽轮发电机将热能转化成电能。
而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环使用。
这种地热发电成本与其它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。
第五节地热发电技术难题
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。
1）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。
2）地热流体中含有许多化学物质，其中主要的腐蚀介质有溶解氧（O2）、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO42-，再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响，直接影响设备的使用寿命。
地热电站腐蚀严重的部位多集中于负压系统，其次是汽封片、冷油器、阀门等。
腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。
常见的防腐措施如下：
①使用耐腐蚀的材料，采用不锈钢材质的设备及部件，但这种措施往往成本较高。
②对腐蚀部件的金属表面涂敷防腐涂料，但涂层一旦划破，会加速金属材料的腐蚀。
③采取相应的密封措施，防止空气中的氧进入系统。
④针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐措施，例如选材时应尽量避免异种金属相互接触，以避免电偶腐蚀。
3）由于地热水资源中矿物质含量比较高，在抽到地面做功的过程中，温度和压力会均发生很大的变化，进而影响到各种矿物质的溶解度，结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。
如在井管内结垢，会影响地热流体的采量，加大管道内的流动阻力进而增加能耗；如换热表面结垢，则会增加传热阻力；垢层不完整处还会造成垢下腐蚀。
常用的防止或清除结垢的措施有：
①用HCl和HF等溶解水垢，为了防止酸液对管材的腐蚀必须加入缓蚀剂；
②采用间接利用地热水的方式，在生产井的出水与机组的循环水之间加1个钛板换热器，可以有效防止做功部件腐蚀和结垢，但造价很高；
③采用深水泵或潜水泵输送井中的流体，使其在系统中保持足够的压力，在流体上升过程和输送过程中不发生气化现象，从而防止碳酸钙沉积；
④选择合适的材料涂衬在管壁内，以防止管壁上结垢。
第六节地热开采对环境的影响
一、4.1空气污染
在开发地热能的过程中，热流体中所含的各种气体和悬浮物将排人大气中，对周围环境造成影响。
对环境影响较大的气体主要有H2S、CO2。
H2S气体对人体危害较大，浓度低时能麻痹人的嗅觉神经，浓度高时可使人窒息而死亡。
CO2也有一定的窒息作用，最主要的是其对气候的温室效应。
较高的H2S含量一般发生在高温地热田中。
中低温热田中的H2S含量较少。
在利用高温蒸汽发电时，大量的H2S气体逸出。
H2S气体在通风条件较好的地方，一般不会造成事故，但在井口随意放喷时，使热流体中的H2S气体散布于大气中，在较长的时间段，不但对人体有害，还对电气设备及其它设施造成腐蚀。
含H2S的地热尾水直接排人水体，鱼类和藻类的生存也将受到影响。
现在一些国家，对新建的地热发电站，要求引人保护环境的表面接触式冷凝器，设置除H2S的装置，并要求对污渣进行处理。
二、化学污染
地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环，与围岩进行化学物质交换，围岩中各种化学组分进人水体使地热水中含有对环境有益和有害的常量成分、撒量成分及放射性成分。
通过不同地区的地热开发，我们发现在这些成分中对环境和生态造成拓染的主要有：
盐类的污染和有害元素的污染等。
（1）盐类的拓染地热水大多数矿物质的溶解度随温度的升高而增大，因此在地热水中，一般含有较高的总固体、氟化物、氯化物等物质。
这些高盐度的地热水和上述有关的环境标准比较，均超过标准中所规定的含量。
如果地热能被利用后，弃水作为灌溉水来源，高盐度的水将引起土壤盐渍化和土地板结。
高盐度的热水在回灌和供暖时，随着温度的降低．将产生结和化学垢沉淀物，使管径缩小而被堵塞。
（2）有害元素的污染由于长期的水一岩作用，使地热水中含有多种重金属元素和其它微量元素，其含量超过饮用水水质标准或其他一些标准。
这些热水给环境和生态带来不利影响，如F、B、As；等。
如果未经处理，进行灌溉和养殖，对粮作物及鱼类危害很大，即使排入河流中，对水体也将造成污染。
还会由于水体、鱼类、粮作物中有毒物质的长期富集并通过食物链直接或间接地对人体和生物造成危害。
三、热污染
目前我国的地热资源大多以单一利用为主，当热能利用后，尾水温度仍很高。
在我国西藏羊八井热田，由于弃水温度高达70-80℃，白1978年开始开采，到1992年，地热电站二分厂厂部附近约2000m2的地面，温度升至4O～90℃。
华北有些地区，如天津、河北雄县废水温度达40℃。
这些尾水的排放，促使局部空气和水体的温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长．造成热污染。
四、噪声污染
噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。
在钻探过程中，各种机械噪声高达90dB，干热田钻进的噪声可能达80dB（相当于喷气式飞机起飞的水平），这对居民区和钻工的身体造成影响。
另外地热井放喷时其噪声值可达120dB以上．虽然时间较短，但其尖声也使人的耳朵受到伤害，使野生动物和家禽受到影响。
五、地面沉降
几乎从任何热储中长期抽出流体都有可能导致可以监浏到的地面沉降。
地热流体也是一样，当地热流体的抽出量超过天然补给量时，地面沉降发生，其实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的强度。
具有最佳地面沉降记录材料的一例是新西兰的怀拉基地热区，这个地区在1956年井孔试验开展以后就开始了地面沉降的测量工作。
1964—1974年期间的地面沉降量最大，大约为4.5m，影响范围达65km2。
并且发生了水平运动，最大水平移动为0.4m。
在加利福尼亚盖瑟尔斯也观察到了向心沉降的相似背景。
且局部水平运动的幅度与垂直下沉的幅度大体一样，这说明了热储由于内压力的降低在垂直和水平方向上都发生了收缩。
六、地震活动
地热异常区多数是现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳构造运动活跃地区。
这意味着地热资源开发一般发生在自然断裂通道和活断层上，即区域地震活动性强的地区。
当抽取和注人流体时，一旦流体压力超过启动断层运动所需的临界值时，就会诱发地震。
现有的资料表明，由于地热流体的抽取或回灌而诱发的明显地震比较罕见，而且即使地震发生，一般是轻微的，不会对地面设施生影响。
针对地热开发利用中可能产生的环境问题，需要在开发之前进行环境评价，在开发和利用过程中要对地热尾水等进行必要的处理和合理的排放。
地热能作为一种可持续利用的能源具有经济与环境上的优势。
它在开发过程中的环境影响可以通过各种措施予以减小。
解决地热利用对环境影响的最优办法是采取回灌，改变单一的利用方式。
因此，应加强地热勘探开发利用的投入，同时，规范和完善地热开发过程中的环境影响方面的法规，开发各种新的环境治理和预防措施，保证社会、经济与环境上的最大效益。
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