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1、第六章 地热能发电,知识要点：,一、地热能基本知识二、地热发电原理三、地热资源四、国内外地热发电进展,一、地热能基本知识,地球的构造 平均半径6378km，包括地壳、地幔和地核。地壳 由坚硬的岩石组成,厚度10-70km，陆地平均3040km, 山地底下6070km, 海底最薄处只有 10km 左右。地幔 地球的中间部分，为熔融状态的岩浆,由硅镁物质组成,温度1000以上,厚度约2900km。地核 温度在2000 5000,由铁镍等重金属组成。,总热能 内部是一个高温高压世界,蕴藏着巨大的热量。值约1.251028KJ。地热资源 10km内的地热资源约 1.451022 KJ ,相当于4.95
2、 1015吨标准煤,是煤炭资源的1.7亿倍，若能大规模应用，可供人类用几十万年。,1、地热能来源于地球物质中的放射性元素衰变在衰便过程中不断释放热能，这些元素有铀238、铀235、钍232和钾40等。 2、地热能是地球生成时炽热的火球留下的。,地热能的来源？,3、地球上的天然裂变堆1972年法国科学家在加蓬发现了天然裂变堆。证据：当地铀-235的含量竟只占铀的0.29%,远低于天然油矿中铀-235的丰度，71%,而且矿石周围还有稳定的裂变产物钕、钐、镉等。25000样品复查，证明该处矿石的铀-235丰度的平均值为0.62%,最低值为0.29%,由此证明确实是天然反应堆。在随后的5年内经反复勘探
3、,终于发现了9座天然反应堆,它们从20亿年前开始运行,共运行了20万-50万年,参加裂变的反应的天然铀约800吨。美国地球物理学家赫恩登提出地核内有一个由铀和钚组成的巨大球体,地球是个天然的裂变堆.不仅如此,太阳系很多行星如木星、土星等也是如此。他在实验室内用电脑对这个假设进行了模拟，并对地球磁场变化进行了解释。,这些热能随地球内部的剧烈运动，通过火山爆发、地震和温泉的形式释放出来。,地壳中地热能的分布从上到下可分为3个带，变温带(15m)，常温带(20m)和增温带。 变温带受太阳辐射和季节影响大； 常温带温度几乎保持恒定； 增温带的温度随深度增加而增加，地表15km内的增温带温度梯度一般为1
4、5-33/km.热能来此于地球内部。80地下热水大致在地下2000-2500米左右。,大地热流值是指单位时间内通过地球表面单位面积所散失的热量，单位为HFU,1HFU的热流单位=4.1868 x10-7J cm2S. 地表平均热流值为1.4-1.5热流单位。地表平均地温梯度为1.5-3.0 凡热流值和地温梯度超过上述平均值的地区，称为地热异常区。在地热异常区，较高温度的热水和蒸汽埋藏在地壳较浅部位，甚至暴露出地面，是地热能的主要利用区域。,地热田,由于地壳岩石的阻隔，地球内部的热量很难传到地面，只有在特殊的区域才能得到具有经济意义的地热能，这就地热田。由于地质原因而形成的地热异常区,在该区，温
5、度梯度远大于正常地区,能够开采大量的具有经济价值的热水和蒸汽。一般位于火山区，地壳断裂活动区和岩浆活动区。形成地热资源要有热储层，热储体盖层，流体通道和热源4个要素。,地热资源根据其在地下热储中存在的形式分为以下5种:,蒸汽型资源 这种地热资源可以直接产生过热蒸汽推动汽轮机发电,温度可以达到200400 ,非常有价值，但较少见到。热水型 以产60-150 的热水为主,资源量很大，是目前开发的重点。地压型 封闭于盖层中的高压高温水和天然气。总能量实际上包含机械能,热能和化学能。干热岩型 埋藏浅具有经济价值的高温岩石，周围没有水，不能形成热水和蒸汽，属下一步开采的目标。岩浆型 火山周围埋藏较浅的岩
6、浆和半熔融岩石,温度600-1500 。,地热田的形成,地下热水的形成 分为深循环型和特殊热源型两种。,深循环型 一般认为90%的地下热水来自大气降水,仅有极少量是从岩浆释放的“原生热水”。地表水在重力作用下渗入地下,在渗流过程中吸收岩石热量成为地下热水,受热膨胀后又沿另外的岩石缝隙向地表移动,甚至成为热泉。 一边冷水下降，一边热水上升就构成了地下水的循环。岩层断裂缝隙是形成热水聚集的必要条件。,特殊热源型 在地球运动过程中，不断造成地壳断裂，内部岩浆会沿断裂缝隙上涌，如冲出地面就形成火山爆发，如停留在地表下一定深度未喷出地面, 就形成岩浆侵入体。它是一个高强度地热异常区,其地层温度梯度达每米
7、几十度。如新西兰怀腊开的地温梯度达到3每米30-40 。侵入体的的时代越新，所保留的余热就越多，对地下水的加热也越强烈。,地热田的类型热水田 这种地热田开采出的介质主要是液态水，水温多在60-120 。之间，多属于深循环水，也有特殊热源型热水。从热水田的地质构造看，在它的储水层上方通常没有不透水的覆盖岩层，那里的地温梯度和储水层深度足以维持对流循环，储水层上部的温度不超过水的沸点。蒸汽田 当储水层上方有一层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形成具有一定压力和温度的蒸汽-热水的热储，构成蒸汽田。,二、地热发电原理,地热发电就是利用地下蒸汽和
8、热水的热能进行发电。在能量转换原理上与常规电站相似。根据发电方式的不同分为蒸汽发电,热水发电和双循环发电。,背压式蒸汽发电 地热井产干蒸汽时可考虑采用这种系统。干蒸汽经净化处理后进入汽轮机中膨胀做功,膨胀到与外界大气压平衡时排入大气或再做其他热源。排汽温度仍很高，发电效率低。,凝汽式蒸汽发电 与常规电站相似,汽轮机乏汽不直接排入大气，而是排进凝汽器。排汽压力低于大气压,汽轮机的做功能力和效率大为提高，发电量大幅提高。,地热井,凝汽式汽轮机,混合式凝汽器,抽气器,冷却器,闪蒸地热发电 地热井产热水或湿蒸汽时可采用这种系统。湿蒸汽就是带水的蒸汽，其实就是蒸汽和水的混合物。由于只有蒸汽能发电，所以必
9、须想方将水变成蒸汽。闪蒸就是其中的一种方法。原理是通过降低地热水的压力使热水汽化产生蒸汽,再推动汽轮机发电.又称减压扩容法。由于沸腾蒸发过程进行得十分迅速,由此得名闪蒸发电。一般分为单级和双级闪蒸。,单级闪蒸 只用一级扩容闪蒸,适用于湿蒸汽系统。,双级闪蒸系统 采用两级扩容闪蒸，能够更充分地利用地热能，可以比单级系统增加15%20%的发电量。,全流法 直接将地热井流出的蒸汽、水和不凝气体送进动力机械中膨胀做功, 理论上可以最大限度地利用地热能。但在动力机内流动是蒸汽水和其他不凝结气体的混合物，称为多相流体，这种机械属于多相流体机械,设计运行十分复杂。,双循环地热发电,双循环又称低沸点工质地热发
10、电或中间介质地热发电,也称热交换法地热发电。主要目的在于利用低沸点工质在地热水温度下能够产生较高压力的蒸汽，更有效地推动汽轮机发电，从而最大限度地提高整个系统的效率。常用的低沸点工质：氯乙烷 沸点=12.4，正丁烷:-0.5 ,异丁烷:-11.7 ;氟里昂-11 :24 ,氟里昂-12 :-29.8 采用双循环后,地热水不再进入发电设备内,而仅作为一种热源,可以使发电系统更紧凑,效率更高.但低沸点工质成本高,常常有毒,而且易燃易爆,维护费用高。,地热勘探与开采,地热电站的建设容量主要取决于地热田的资源和冷却水源的条件。勘探内容包括热流体类型，热储量，热流体输出参数，化学成分，地质条件等。打井开
11、采 必须通过钻井的方式才能将地热取出.一般低温井为热水,完井后可以自喷,使用一段时间后需加水泵抽水.高温井流出的工质为蒸汽、水、甲烷、二氧化碳等气体，需要用多相流体管道。地热发电系统的防腐 地热流体的成分很复杂,含有多种对设备有腐蚀作用的有害物质和离子,如O2、H+、Cl- 、 H2S 、CO2 、NH3和硫酸盐等。其中O2和Cl- 危害最大。,地热发电系统的防结垢 地热流体的另一个突出问题是结垢,结垢常常使换热器的效率大大降低,若直接进入汽轮机系统还会造成系统 的安全问题.最常见的垢是CaCO3,防垢方法有控制pH,控制压力,加磁化装置等。地热电站回灌技术 将发电后的弃水回灌地下，可以防止水
12、位下降,地面沉降和地层压力降低,提高热储寿命，同时也避免了污染环境.回灌方式要科学,防止井水温度过快降低.要合理布置回灌井的位置和井深。地热电站对环境的影响 开采地热过程中会向外排放少量的CO2 、CH4 、 H2S 等,但比火电要少得多。废水中含有硼、砷等有害 元素.大量采水也对地层稳定有影响.通过回灌可以减轻。,地热电站尾水的综合利用 地热电站发电后排出的尾水，温度都在60-70度左右或更高，还有一定的利用价值。可以作为生活热水，也可以与冷水混合后灌溉农田。还可以提取有用的化学元素。地热电站的运行 地热电站的热惯性小，起停一般比火力发电站方便，但在运行中有一些特殊问题需要注意。包括，背压异
13、常，最佳蒸发工况的维持，系统的密封性保护等。,三、地热资源分布,根据地热的形成规律和地壳板块学说，地热资源丰富的地带一般位于各板块的结合交接处。全球共有4个大的地热带。环太平洋地热带 大西洋洋中脊型地热带 红海亚丁湾东非裂谷型地热带。地中海喜马拉雅缝合线型地热带。,中国地热资源,中国的高温地热资源主要分布在西藏、滇西和台湾地区。已发现可用于发电的共255处，总发电潜力为5800MW。中国的中低温地热资源分布面很广，已发现2900多处，其中盆地型地热资源总量约相当于2000亿吨标准煤。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，运城盆地及东南沿海等地。,中国地热资源分布
14、,中国地热电站,中国的高温地热电站主要集中在西藏，总装机容量为27.18MW,占拉萨电网总电量的40%。其他试验型的中低温电站还有10多处,单机功率大多为50300KW。羊八井地热电站是我国目前最大的高温地热电站,总装机25.18MW,由第一和第二电站共9台机组组成,单机功率达3.18MW。电站位于拉萨西北90km处,海拔4300m。,除1号机组外其余均采用两级扩容法发电,汽轮机全部采用凝汽式,冷却水直接取自藏布曲河。羊八井目前共有40多眼地热井,根据地质测评,其发展潜力为2832MW。 与羊八井相近的地热源还有羊易乡地热田和拉多岗地热田。,地热研究进展,干热岩发电 在地壳深处干热岩区人工制造
15、裂缝系统,然后将地表水注入地下取出热能进行发电。经计算，若把热干岩从300冷却到200 ,那么1km3干热岩可以释放出2.53.74108kJ的热量,可以满足100MW的电站运行20年。岩石的破碎方法有水力压裂和核爆炸。水力破碎就是通过钻井的方法将高压水引入到岩层把岩层压裂。核爆炸在经济上也有很强的竞争力，反对的意见主要怕核污染和引发地震及火山爆发。,汽轮机,发电机,冷凝器,冷却池,缓冲罐,强烈破碎区半径64m温度335深度2.5km,直径753m,地源热泵,地源热泵（地热泵），以地源能（土壤、地下水、地表水、低温地热水和尾水）作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，同时是实现采暖、制冷和生活用热水的一种系统。最早的专利出现在1912年的瑞士，1948年才引起人们的关注，1974年以来，由于石油危机和环境问题促进了这一技术的研究和发展，现今，地源热泵已在北美、欧洲等地区广泛应用，技术也趋于成熟。目前美国的发展速度是40万台/年。地源热泵在瑞士的比例达到96%，奥地利38%，丹麦27%。,地热泵运行原理,高层建筑地热管,与空气热泵相比节电40%，与电供热相比节电70%,
