第10讲 地热能的利用

第十讲地热能的利用地热能的来源与分类，地热发电技术，地热能的直接利用技术地热及地热的来源•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、钍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。地热来源于地球内部，是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的。什么是地热能？地热能储量有多大？地热能，简单地说，就是来自地下的热能，即地球内部蕴藏的热能。是指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能。国际上一般指地壳浅部5km以内的热能。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。•据计算，地球陆地以下5km内，15摄氏度以上岩石和地下水总含热量达1.45×1026J，相当于4950万亿吨标准煤的热量。按世界年耗100亿吨标准煤计算，可满足人类几十万年能源之需要。地球的构造是怎样的?•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1.0833×1012km2，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：地球最外面一层，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。2)地幔：地球的中间部分，它大部分是熔融状态的岩浆。地幔的厚度约为2900km，它由硅镁物质组成，温度在1000℃以上.3)地核：地球的中心，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。地壳地幔地核变温带（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，其影响程度随深度而递减。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1-2℃。比如，天津的年平均气温是12℃，地下常温带温度为14～15℃。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。地壳中地温分布大致可分为三带：地热异常区•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。地温梯度平均值是3℃/100m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。1HFu=41.87W/m2•大地热流（简称热流或热流量）全球平均热流值为1.5HFu，我国大陆平均热流值约为1.5～1.6HFu。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。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。•地热资源是指在可预见的时间内能供人类经济开发利用的地球内部热能的总量，它包括地热流体及其有用矿物质和化学成分。•地热资源可划分为高温(150℃)、中温(90～150℃)和低温(90℃以下)。•低温资源按其主要利用途径可分为热水(60～90℃)、温热水(40～60℃)和温水(25～40℃)，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。地热资源目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m内为经济型地热资源，2000～5000m为亚经济型地热资源。地热资源类型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，它以产生温度较高的过热蒸汽为主，掺杂有少量其他气体，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。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。地热资源在地下热储中的形式：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型资源等几类。形成地热资源有热储层、热储体盖层、热流体通道和热源4个要素。地热资源形成的要素地热资源形成的要素及形式热水型地热田模型大气降水—渗透—被加热—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。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)。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。地热资源类型④干热岩型资源干热岩型资源是比上述各种资源规模更为巨大的地热资源。它是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。从现阶段来说，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。地热资源类型地热的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、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。现在许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖等。人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源，并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。1.地热能直接利用（1）地热供暖将地热能直接用于采暖、供热和供热水。这种利用方式简单、经济性好，特别是位于高寒的地区。目前，我国利用地热供暖和供热水发展非常迅速，在京津地区已成为地热利用中最普遍的方式。在国外，如冰岛地热供暖开发利用得最好。冰岛于1928年在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取7740吨80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。地热利用技术井内换热器和地热水回灌系统地热潜水泵地热换热站机房（2）地热务农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。（3）地热行医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。如含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。地热开采多使用常规、现成部件和设备，系统比较简单。地热能直接利用的局限性：由于受载热介质——热水输送距离的制约，一般来说，热源不宜离用热的城镇或居民点过远，否则将出现投资多、损耗大等经济效益差的问题。地热能在应用中要注意地表的热应力承受能力，不能形成过大的覆盖率，这会对地表温度和环境产生不利的影响！未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更精确地查明地热资源，更深的钻井将从地层更深处取出地热，使地热利用更加普及和广泛。2、地热发电地热发电原理及分类原理: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。分类:按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，目前常用的地热发电的方式为地热蒸汽发电和地下热水发电两大类。除此之外，还有一些新型的发电技术，尚未成熟。地热利用技术地热发电原理示意图羊八井地热电站（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。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。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的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。1-干蒸汽；2-净化分离器；3-气轮发电机组；4-气压式凝汽器；5-一级抽汽器；6-二级凝汽器；7-中间冷却器；8-排汽；9-后冷却器；10-冷却水泵；11-冷却水；12=循环水泵；13-蒸汽井凝气式汽轮机地热蒸汽发电系统（2）地下热水发电地下热水发电分为闪蒸地热发电系统和双循环地热发电系统两种。此外还有尚未商业利用的全流法地热发电系统。①闪蒸地热发电系统：将地热井口来的地热水，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，也叫做减压扩容法地热发电系统。闪蒸地热发电系统又可分为单级和两级之分。单级闪蒸地热发电系统——湿蒸汽型从地热井喷出的是蒸气，经汽水分离器分离后，蒸汽进入汽轮发电机组发电。发电后的蒸汽排入混合式凝气器凝结成水后，余下的热水则排走再作其他综合利用，凝汽器中未凝结气体由抽气器抽出后排入大气。►单级闪蒸地热发电系统(又包括湿蒸汽型和热水型两种)湿蒸汽型单级闪蒸地热发电系统——热水型热水型►两级闪蒸地热发电系统：两级闪蒸地热发电系统地热流体经汽水分离器产生一次蒸汽进入汽轮机做功，而由分离器排出的热水则进入闪蒸器产生二次蒸汽，再进入汽轮机的中间压力级做功，最后一起排入凝汽器凝结为水后排掉。它与单级闪蒸系统比较，可提高发电能力15％～20％和汽轮机入口的最佳压力。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