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1、新能源技术32学时主讲：别 玉,New Energy Technology,昆明理工大学本科教学,新能源技术 2012.92013.1,新能源技术,绪 论,太阳能及其应用,氢能及其应用,地热能及其应用,4,1,2,3,其它新能源及其应用,5,热泵技术（含实验）,6,4.1 地热能概述,4.1.1 地热能基本概念1地球内部构造及温度变化,图4-1 地球构造示意图,地球内部的温度分布,我们居住的地球实际上是一个庞大的热球,据估计，全世界地热资源的总量，大约为1.451026J，相当于4.9481015t标准煤燃烧时所放出的热量。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
2、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。,在地壳中，地热的分布可分为3个带，即可变温度带、常温带和增温带。可变温度带由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，其厚度一般为1520m；常温带，其温度变化幅度几乎等于0，深度一般为2030m；增温带在常温带以下，它的温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。,地温梯度,地球每一层次的温度状况是迥然不同的。在地壳的常温带以下，地热温度随深度增加而不断升高，越深越热。这种沿地下等温面的法线向地球中心方向上单位距离内温度增加的数值，叫地温梯度，
3、也叫做地热增温率，其单位通常采用/km。地球各层次的地热增温率差别是很大的：地表至15km深处，地热增温率平均为23/km；1525km深处，地热增温率降为平均1.5/km；再往下，则只有0.8/km。根据各种资料推断，地壳底部至地幔上部的温度大约为11001300，地核的温度大约在20005000之间。假如按照正常的地热增温率来推算，80的地下热水，大致是埋藏在20002500m左右的地下。,地热正常区和地热异常区,大地热流值也是衡量地热正常区和地热异常区的重要指标。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，用符号HFU表示热流单位（1HFU4.186810-7J/（cm2s
4、）。从全球来看，地表大地平均热流值为1.41.5热流单位（5.96.3J/（cm2s），地表平均地温梯度为1.53.0/km。凡接近上述平均热流值和地温梯度的地区，均称为地热正常区；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。在地热正常区，较高温度的热水和蒸汽埋藏在地壳的较深处；在地热异常区，由于地热增温率较大，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较浅部位，有的甚至露出地表。一般把那些天然露出的地下热水和蒸汽叫做温泉，温泉是在当前技术水平下最容易利用的一种地热资源。在地热异常区，除温泉外，人们也较容易通过钻井等人工方法把地下热水或蒸汽引导到地面上来并加以利用。,2地热田与热储,（1）地
5、热资源地热资源是指地壳表层以下，到地下30005000米的深度以内，聚集15以上的岩石和热流体所含总热量。地热资源有以下四种类型：水热型、干热岩型、地压型和岩浆型，而以水热型最为常见。水热型又分为蒸汽型和热水型两种。蒸汽型又可分为干蒸汽（以蒸汽为主的）和湿蒸汽（有的学者把干度小的湿蒸汽划入热水型中）两类。世界上最大的地热田为美国的GEYSYS地热田。,表1 地热资源分类,（2）地热田,地热田是指在目前技术条件下可以采集的深度内，富含可经济开发和利用的地热流体的地域。它一般包括热储、盖层、热流体通道和热源四大要素，是具有共同的热源，形成统一热储结构，可用地质、物化探方法圈闭的特定范围。1）热水田
6、 这一地区富集的主要是热水，水温一般在60120。这里地下热水的形成过程大致可分为两种情况。深循环型 大气降水落到地表以后，在重力作用下，沿着土壤、岩石的缝隙，向地下深处渗透，成为地下水。地下水在岩石裂隙内流动过程中，不断吸收周围岩石的热量，逐渐被加热成地下热水。渗流越深，水温越高，地下水被加热后体积要膨胀，在下部强大的压力作用下，它们又沿着另外的岩石缝隙向地表流动，成为浅埋藏的地下热水，如果露出地面，就成为温泉。特殊热源型 地下深处的高温灼热的岩浆，沿着断裂上升，如果岩浆冲出地表，就形成火山爆发；如果压力不足，岩浆未冲出地表，而在上升通道中停留下来，就构成岩浆侵入体。这是一个特殊的高温热源，
7、它可以把渗透到地下的冷水加热到较高的温度，而成为热水田中的一种特殊类型。,（2）地热田,2）蒸汽田蒸汽田内由水蒸气和高温热水组成。它的形成条件是：热储水层的上覆盖层透水性很差，而且没有裂隙。这样，由于盖层的隔水、隔热作用，盖层下面的储水层在长期受热的条件下，就聚集成为具有一定压力、温度的大量蒸汽和热水的蒸汽田。,地热能的形成,4.1.2 我国的地热资源,环球性的地热带主要有下列4个：（1）环太平洋地热带 它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界。世界著名的地热田，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福；墨西哥的塞罗、普列托；新西兰的怀腊开；我国的台湾马槽；日本的松川、大岳等均在这一带。
8、（2）地中海-喜马拉雅地热带 它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界。世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。我国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。（3）大西洋中脊地热带 这是大西洋海洋板块开裂部位。冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。（4）红海-亚丁湾-东非裂谷地热带 它包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。除了在板块边界部位形成地壳高热流区而出现高温地热田外，在板块内部靠近板块边界部位，在一定地质条件下也可形成相对的高热流区。其热流值大于大陆平均热流值1.46热流单位，而达到1.72.0热流单位。如我国东部的胶、辽
9、半岛，华北平原及东南沿海等地。,1我国地热资源的基本情况,全国主要沉积盆地储存的地热能量为73.611020J，相当标准煤2500亿吨。全国地热水可开采资源量为每年68亿m3，所含热量为9631015J，折合每年3284万吨标准煤的发热量。其中：对流型山区地热水可开采资源量为每年19亿m3，热能量为3351015J/a，折合每年1142万吨标准煤的发热量。以消耗储存资源量为主，传导型平原区地热水近期可开采量为每年49亿m3，热能量为：6281015J/a，折合每年2142万吨标准煤的发热量。山区和平原区地热水可开采水量分别占总量的28%和72%，山区和平原区可开采热量分别占全国地热能可利用量的
10、35%和65%。,2我国地热资源的类型,我国大陆属欧亚板块的一部分，它的东侧为岛弧型洋-陆汇聚边缘，西南侧为陆-陆碰撞造山带，是由许多不同时期的古板块（如华北、华南、塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚等）经碰撞、增生和拼接而成的。中国大陆构造演化经历了古生代陆洋分化对立阶段、石碳二叠纪软碰撞转化阶段和中新生代盆山对峙发展阶段，多旋回构造运动与多期盆地叠加塑造出不同的地热田。构造的演化伴随着不同时期的岩浆活动，形成了不同岩性和结构的地层，使得大地热流值的分布具有明显的规律性。西南地区沿雅鲁藏布江缝合带，热流值较高（91364MW/m2），向北随构造阶梯下降，到准格尔盆地只有3344 MW/m2。我国东
11、部台湾板块地缘带，热流值较高，为80120 MW/m2，越过台湾海峡到东南沿海燕山期造山带，降为60100 MW/m2，到江汉盆地热流值只有5769 MW/m2。,（1）沉积盆地传导型中低温地热资源 分布于华北平原、汾渭盆地、松辽平原、淮河盆地、苏北盆地、江汉盆地、四川盆地、银川平原、河套平原、准格尔盆地等地区，主要热储层为厚度数百米至数千米第三系砂岩、砂砾岩。鄂尔多斯盆地的三叠系和侏罗系砂岩赋存低盐度热水。四川盆地三叠系、侏罗系为热卤水富集层。（2）隆起山地对流型地热资源 高温地热资源主要分布于藏南-川西-滇西和台湾地区，中低温地热资源主要分布于东南沿海地区和胶东、辽东半岛。1）喜马拉雅碰撞
12、带为新生代陆内强烈变形带，现代水热活动北弱南强。西藏的地热显示664处，包括温泉、热泉、沸泉、沸喷泉、水热爆炸、间歇喷泉等。羊八井钻孔揭露的最高温度超过250。云南滇西地区出露的温泉有296处，其中高温热泉98处，沸泉7处，水温为23104。,2）台湾岛作为西太平洋岛孤系的一部分，为现代的高温热储区。大多属于碳酸盐泉，少数属于硫酸盐泉和氯化物泉。在火山岩区，绝大多数为酸性硫酸盐泉，其它为中、碱性碳酸盐泉，少数为氯化物泉。3）东南沿海分属于扬子断块和华南断褶，分布着不同时期的花岗岩和中生代的火山岩，其分布主要受北东向断裂控制，岩浆岩为脆性物质，深断裂带成为热水运移的通道。74%的温泉出露于岩浆岩
13、断裂带或接触带之中。该区温泉为中低温热水，热储温度一般为110130，热水循环深度不超过4km，热田面积最大不超过10km2。4）胶东半岛已发现水温大于49的温泉14处，出露于复背斜核部断裂构成的X型构造交汇处，温度大于60温泉7处，温度大于80有2处，其余的在4956之间。辽东半岛温泉有19处，水温2872。,3我国地热资源的开发前景,我国年利用地热能约4.45亿立方米，居世界第一位，而且每年以近10的速度增长。全国地热发电装机容量88集中在西藏。其中，羊八井地热电站已稳定运行了近30年。滇藏地热带的发电潜力为5817.65MW。截至2006年年底，我国除青海、云南、贵州等少数省区外，其他省
14、区都在不同程度地推广地源热泵技术。目前，全国已安装地源热泵系统的建筑面积超过3000万平方米。据不完全统计，我国地源热泵市场年销售额已超过亿元，并以每年20的速度增长。(南方：空气源热泵；北方：地源热泵),4.2 地热资源的直接利用,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能利用的范围如下：（1）200400 直接发电及综合利用；（2）150200 双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工；（3）100150 双循环发电、供暖，制冷、工业干燥、脱水加工、回收盐类、罐头食品；（4）50100 供暖、温室、家庭用热水、工业干燥；（5）2050 沐浴、水产养殖、饲养牲畜、
15、土壤加温、脱水加工。,4.2.1 地源热泵,地下水源热泵系统是一种新兴的浅层地热能利用技术，最早源于欧美等发达国家，它的历史可以追溯到1912年，瑞士Zoelly首先提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统的研究，在俄勒冈州成功的建成了第一个地源热泵系统。20世纪50年代，欧洲开始了研究地源热泵的第一次高潮，但由于当时的能源价格低，这种系统并不经济，因而未得到推广。直到20世纪70年代初世界上出现了第一次能源危机，它才开始受到重视，许多公司开始了地源热泵的研究、生产和安装。20世纪80年代后期，地源热泵技术已经趋于成熟，更多的科学家致力于地下系统的研究，努力提高热吸收和
16、热传导效率，同时越来越重视环境的影响问题。地源热泵生产呈现逐年上升趋势，瑞士和瑞典的年递增率超过10%。美国的地源热泵生产和推广速度很快，技术产生了飞速的发展，成为世界上地源热泵生产和使用的头号大国。,我国的情况,我国浅层地温能的开发利用起步较晚，20世纪90年代开始推广和研究地源热泵系统浅层地热能的开发利用技术。2001年，国家建设部在夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准中专门作了推荐。从2006年开始，国家分别将三个城市作为地源热泵试点城市，分别是北京、天津、沈阳，大力发展地源热泵。国家努力引导发展地源热泵，国家的一些政府部门的建筑、学校、医院等都进行了地源热泵改造。,2008年奥运会羽毛球及
17、艺术体操比赛场馆的北京工业大学体育馆,2地源热泵的定义及工作原理,地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵系统主要由四部分组成：浅层地能采集系统、水源热泵机组、室内采暖空调系统和控制系统。所谓浅层地能采集系统是指通过水或防冻液的水溶液将岩土体或地下水、地表水中的热量采集出来并输送给水源热泵系统。室内采暖空调系统主要有风机盘管系统、地板辐射采暖系统、水环热泵空调系统等。,地源热泵工作原理图,热泵是将热能从低温物系（如环境大气）向加热对象（高温热源，如室内空气）输送的装置。其工作原理与制冷机相同，都是按照逆卡诺循环工作
18、的，所不同的只是工作温度范围不一样。最基本的热泵由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀四大部件组成。其中，压缩机起着压缩和输送制冷剂的作用，是热泵的系统心脏；冷凝器是热量输出设备，它将蒸发器吸收的热量连同压缩机所消耗的电功一起输送给供热对象；膨胀阀对制冷剂起到节流降压和调节循环流量的作用；蒸发器是热量输入设备，在此制冷剂通过吸收低温热源的热量而蒸发。,3地源热泵的类型,根据利用地热源的种类和方式不同，可以分为以下3类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵、地下水热泵、地表水热泵。,（1）土壤源热泵土壤源热泵以大地作为热源和热汇，其换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水-水热泵机组或水
19、-气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管3类。,垂直埋管换热器热泵系统,垂直埋管式地源热泵,优势在于：占地面积小；土壤的温度和热特性变化小；需要的管材最少，泵能耗低；能效比很高。劣势主要在于：由于缺乏相应的施工设备和施工人员，造价偏高。,水平埋管式地源热泵,水平埋管式地源热泵,优势：由于施工设备广泛使用而且施工容易，再加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以降低。劣势：需要较大场地；运行不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵能耗较高；系统效率较低。,蛇形埋管式地源热泵,蛇形埋管式地源热泵,（2）地下水热泵系统,图5-7
20、地下水热泵系统,优势：造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不占太多场地，技术也相对比较成熟，水井承包商容易找。劣势：有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供的地下水有限；如水质不好或打井不合格要注意水处理问题；如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵能耗就会过大。,（3）地表水热泵系统,地表水热泵系统,优势：地表水热泵系统具有造价低、泵能耗低、维修率低以及运行费用少等优点。劣势：在公用河水中的设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，就会使效率降低，制冷或供热能力下降。,4地源热泵的优越性,（1）节能、高效性地源热泵系统在提供100单位能量时，7
21、0%的能量来源于土壤，30%的能量来自电力，电能的消耗主要用于压缩机的做功和使空调系统运行，即将土壤中的热量“搬运”至室内。它要比电锅炉加热节省2/3以上的电能，比燃料锅炉节省1/2以上的能量；由于土壤的温度全年较为稳定，一般为1020之间，其制冷、制热系数可达3.54.7，与传统的空气源热泵相比，能效要高出40%以上。（2）环保无污染地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其它节能措施，节能减排效果会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量；属自含式系统，即该装置能在工厂车间内事先整装密封好，因此，制冷剂泄
22、漏几率大为减少。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内。,4地源热泵的优越性,（3）属可再生能源利用技术地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400m深）作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47%的太阳能量，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地能也成为清洁的可再生能源的一种形式。（4）低运行费用地源热泵系统的高效节能特点，决定了它的运行费用低，比其它各种采暖和制冷设备节能30%70%；使用寿命50年以上，折旧费和维修费也都大大低于传统空调。（5
23、）应用灵活、安全可靠、用途广泛灵活性强，可用于新建工程或扩建、改建工程，可逐步分期施工，热泵机组可灵活地安置在任何地方，节约空间。无储煤、储油罐等卫生及安全隐患。从严寒地区至热带地区均适用。可为各类建筑物提供冷暖两用空调系统，同时提供生活热水。,4.2.2 地热干燥,烘干场连续脱水装置示意图,4.2.3 地热资源的其它利用,1温泉（1）温泉的形成和类型温泉是一种温热或滚烫的泉水。目前科学界认为，温泉的最低温度不得少于20，否则不能称为温泉。德国和英国的标准为高于20，日本则为25，我国一般也将25作为温泉的下限温度。温泉的形成，一般而言可分为两种：一种是地壳内部的岩浆作用所形成，或为火山喷发所
24、伴随产生，火山活动过的死火山地形区，因地壳板块运动隆起的地表，其地底下还有未冷却的岩浆，均会不断地释放出大量的热能。,温泉的形成需具备下列三个条件：,地下必须有热水存在；必须有静水压力差导致热水上涌；岩石中必须有深长裂隙供热水通达地面。,1）按温度分 沸泉 泉水温度等于或高于当地水的沸点，海拔高的地区，水的沸点低于100，一般地区水的沸点就是100。热泉 泉水温度在沸点以下，45以上。中温泉 泉水温度在45以下，年平均气温以上。世界上的温泉，水温多为热泉和中温泉。我国的热泉和中温泉占温泉的90%以上，分布也十分广泛。大多数温泉疗养院都在热泉和中温泉附近修建。,2）按成分分根据泉水中溶解物质的不
25、同，温泉可划分为单纯泉、碳酸泉、重碳酸盐泉、硫酸盐泉、食盐泉、硫磺泉、放射性泉和铁泉等。单纯泉 水温多在25以上，水中所含矿物质很少，每升水中含有各种矿物质的总量低于100毫克。这种温泉在我国分布广泛，著名的西安华清池就是此类温泉。碳酸泉 在1升水中含游离二氧化碳达750毫克的泉水。我国大地上碳酸泉很多。根据温度的不同又分低温碳酸泉和高温碳酸泉。我国辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、甘肃以低温碳酸泉为主，泉温在25以下，泉水清凉甘甜，很像汽水，所以又称天然汽水泉；在云南、四川、西藏、广东、台湾及新疆等地，以中、高温碳酸泉为主，泉温在25以上。,重碳酸盐泉 每升水中含重碳酸盐多达1000毫克以上。硫酸
26、盐泉 每升水中含硫酸盐在1000毫克以上。这类泉多出现在火山地区。食盐泉 即氯化钠型温泉，每升含氯化钠在1000毫克以上。硫磺泉 水中含有硫磺成分的泉水，一般每升水中含量在1毫克以上。,3）按形态分 喷泉 顾名思义，是水、气以喷射的方式冲出地面，喷出高度由几米到十几米以上。我国西藏念青唐古拉山南麓、拉布藏布河右岸的南木林、毕毕龙高温喷泉，其主泉口泉水喷出高度达10m，气势磅礴，非常壮观。这里喷泉的水温多在沸点以上，只有少数喷泉水温低于沸点。间歇喷泉和爆炸喷泉是极为罕见的显示类型。在美国黄石公园内，约有200个间歇喷泉，其中最著名的间歇泉就是老实泉（Old Faithful Geyser）了。老
27、实泉喷发出来的泉水温度均高达90.4，喷高约在4070m之间。,沸泥泉 是由于高温热流将通道周围的岩石蚀变成黏土，然后与水汽一起涌出地面而形成的一种高温泥水泉。有的泉冲击力较小，黏土被带到泉口后，堵塞在泉口四周，而水汽流量又难以冲开这些黏土，只是由于水汽的冲力，使黏土呈上下鼓动状态，好似沸腾的面糊。这些沸泥泉在我国西藏的措美县布雄朗谷，萨迦县的卡乌地区都有。热水河、热水湖、热水塘、热水沼泽 实际上都是由众多密集的泉眼涌出大量泉水后汇集而成，这在我国的西藏比较多见。以热水湖为例，羊八井热水湖面积达7350m2，最深为16.1m，水温在4557，是少见的大型热水湖。,（2）温泉的利用,温泉的利用是
28、从洗澡开始的。医用价值，即可以治愈某些病痛。温泉把地热传到地面的同时，也把所含的各种矿物盐类、少量的活性离子、一定的微量元素携带出来了。这些物质对人体有一定的医疗作用。温泉用以治病的方法，包括浴疗、饮疗、蒸疗、拔罐、沙浴疗法、吸入法和肠浴疗法等。,我国许多温泉区既是疗养地，又是旅游观光区。一些温泉区在历史上就建有专供王室游乐之地。如北京小汤山建有供慈禧专用的亭池，陕西的临潼建有华清宫，河南林如温泉建有供武则天专用的武后池、八卦楼等。,北京小汤山地热温泉,北京小汤山地热温泉,如云南省腾冲是我国大陆唯一的一处保存完好的火山温泉区，拥有罕见的火山、地热景观及珍贵的医疗矿泉水价值；台湾省的大屯火山温泉
29、区也是温泉疗养和旅游观光胜地。,云南省腾冲,2农业和养殖,（1）农业温室种植和灌溉（2）养殖,4.3 地热发电技术及应用,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变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不像火力发电那样要备有庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，它所用的能源就是地热能，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。针对温度不同的地热资源，地热发电有4种基本发电方式，即直接蒸汽发电
30、法、扩容（闪蒸法）发电法、中间介质（双循环式）发电法和全流循环式发电法。,地热发电示意图1-地热蒸汽；2-地热蒸汽井；3-汽轮机；4-发电机,冰岛的奈斯亚威里尔地热发电站,两种主要的地热发电形式,蒸汽型地热发电蒸汽型地热发电是把高温地热田中的干蒸汽直接引人汽轮发电机组发电。在引入发电机组前先要把蒸汽中所含的岩屑、矿粒和水滴分离出去。蒸汽型地热发电系统的类型有：背压式汽轮机发电系统凝汽式汽轮机发电系统,热水型地热发电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，主要有两种方式：闪蒸地热发电系统双循环地
31、热发电系统,4.3.1 地热蒸汽发电,1地热干蒸汽发电,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,1地热干蒸汽发电,凝气式汽轮机,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
32、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，然后排走。在凝汽器中，为保持很低的冷凝压力，即真空状态，设有两台带有冷却器的射汽抽气器来抽气，把由地热蒸汽带来的各种不凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。该系统 适用于高温（160以上）地热田的发电，系统简单。,2地热湿蒸汽发电,（1）单级闪蒸地热湿蒸汽发电系统,单级闪蒸地热湿蒸汽发电系统简图,2地热湿蒸汽发电,（2）两级闪蒸地热湿蒸汽发电系统,两级闪蒸地热湿蒸汽发电系统简图,闪蒸地热发电,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
33、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。闪蒸可以分为：1）单级闪蒸地热发电系统(又包括湿蒸汽型和热水型两种)；2）两级闪蒸地热发电系统；3）全流法地热发电系统；,4.3.2 地热水发电,4.3.2 地热水发电,1闪蒸地热发电系统,单级闪蒸地热发电系统1-热水井；2-地下热水；3-除气器；4-闪蒸器；5-排水泵；6-旁通阀；7-汽轮发电机组；8-凝汽器；9-凝结泵；10-循环水泵；11-抽气器；12-射水泵；13-冷却水源,两级闪蒸地热发电系统1-蒸汽井；2-蒸汽；3-热水；4-
34、汽水分离器；5-一次蒸汽；6-汽轮发电机组；7-二次蒸汽；8-闪蒸器；9-热水；10-抽气；11-混合式凝汽器；12-循环水泵,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。由于系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。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。,当地热井口的全部流体，不经处理直接送进全流膨胀器中做功，充分地利用地热流体的全部能量。这种系统称为全流法地热发电系统。全流法比系统的单位净输出功
35、率可分别提高60%和30%左右。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.为了适应不同化学成分范围的地热水，特别是高温高盐的地热水，膨胀机的设计应该具备这种适应能力。不过，这种系统的设备尺寸大，容易结垢、受腐蚀，对地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求，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。,全流法地热发电系统1-高压气室；2、3、4-啮合螺旋转子；5-排出口；6-全流膨胀器；7-汽轮发电机组；8-凝汽器；9-热水排放,螺杆膨
36、胀机按螺杆压缩机的逆原理工作，其基本构造与螺杆压缩机相似，工作过程相反。但其制造工艺和控制系统要比螺杆压缩机复杂得多。螺杆膨胀机工作大致可分为：1、进气过程：高压介质经进气口进入转子的齿间容积后，将推动转子旋转，并使齿间容积不断扩大，当齿间容积完全与进气口脱离时，进气过程结束。2、膨胀过程：随着齿间容积继续增大，高压介质体积膨胀温度降低，同时输出动力到转子的伸出轴处。3、排气过程：当齿间容积与排气口相通时，便开始排气过程，直至齿间容积减少为零，完成一个工作循环为止。,螺杆膨胀机间隙密封，从而具有透平膨胀机和活塞膨胀机均不具有的独特优点，即对进气为含有液滴的湿蒸汽有良好的适应性。当进气为湿蒸汽时
37、，液滴有助于密封。螺杆膨胀机可作为全流膨胀机使用，即工作介质的进气口状态不仅可为干蒸汽，也可为二相流体或全液体。在螺杆膨胀机中，高压介质直接作用在转子齿面上，因而有近似于直流电机启动时的转矩特性，即能进行重负荷启动。螺杆膨胀机转速较低，一般约为同容量透平膨胀机的1/10左右，因而可不通过减速装置而直接驱动发电机或其它低速耗能机械，且轴封效果好，寿命长。,2双循环地热发电系统,双循环地热发电也叫做低沸点工质地热发电或中间介质法地热发电，又叫做热交换法地热发电。这是20世纪60年代以来在国际上兴起的一种地热发电新技术。这种发电方式，不是直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机做功，而是通过热交换器利
38、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汽轮机，并带动发电机发电；汽轮机排出的乏汽经凝汽器冷凝成液体，使工质再回到蒸发器重新受热，循环使用。在这种发电系统中，低沸点介质常采用两种流体：一种是采用地热流体作热源；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质来完成将地下热水的热能转变为机械能。常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷、氟利昂-11、氟利昂-12等。,表2 常用低沸点工质的沸点与压力之间关系,双循环发电系统的优点：蒸汽压力高，设备尺寸较小，成本较低；地热水不接触发电系统，可避免关键设备的腐蚀。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
39、用闪蒸与双循环两级串联发电系统。,单级双循环地热发电系统1-热水井；2-蒸发器；3-预热器；4-工质循环泵；5-凝汽器；6-汽轮发电机组；7-冷却水；8-排水沟,两级双循环地热发电系统1-地热水；2-一级蒸发器；3-二级蒸发器；4-预热器；5-汽轮机；6-发电机；7-凝汽器；8-工质循环泵；9-冷却水；10-发电机；11-汽轮机；12-凝汽器；13-冷却水；14-工质循环泵,闪蒸与双循环两级串联发电系统1-地热井；2-热水；3-汽水分离器,1990s中期，以色列一家公司把地热蒸汽发电和地热水发电系统整合，设计出一个新的联合循环地热发电系统。大于150的地热流体，经过一次发电后，在不低于120的
40、工况下，再进入双工质发电系统进行二次做功，这就充分利用了地热流体的热能。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。,联合循环地热发电,地热电站外景图,羊八井地热电站,4.3.3 地压地热发电,地压地热是指埋深在23km以下的第三纪碎屑沉积物中的孔隙水，由于热储上面有盖层负荷，因而地热水具有异常高的压力，此外还具有较高温度和饱含着天然气。这种资源的能源由以下三方面所组成：高温水势能；高温地热能；地压水中饱含的甲烷等天然气的化学能。甲烷等天然气是该资源开发的主要目标。,地压地热发电系
41、统简图,4.3.4 干热岩地热发电,干热岩（Hot-Dry-Rock，简称HDR），是由地球深处的辐射或固化岩浆的作用，在地壳中蕴藏的一种不存在水或蒸汽的高温岩体，地球上的干热岩资源占已探明地热资源的30%左右，其中距地表46 km岩体温度为200的热干岩具有较高的开采和利用价值。,干热岩地热发电的流程为：注水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。,干热岩地热发电系统,总结,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
42、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。在21世纪，地热电站将屹立在世界各地。地热带出的硫化氢被浓缩、提炼成为制造硫酸和其他化工产品的原料。地热水经过利用后，又成为清洁的水源供人们生产和生活使用，开拓了一条新水源。未来随着科学技术的发展和进步，一座座活火山将成为一个个热电厂；一块块地震频发区，反而成为一个个地热开采的中心；地热资源是地球奉献给人类的又一个能量宝库，有其不可估量的前途。,西藏羊八井地热发电厂,Thank You!,新能源技术 2012.92013.1,昆明理工大学本科教学,
