第九章地热能

第九章地热能2阿里地区地热田3冰岛地热4羊八井地热电站5第一节地热能基本知识什么叫地热能?地热有多大?地球的构造是怎样的?地热温度有多高?地热从何而来?形成地热资源的要素?地热资源有哪些形式?各种地热资源的开发技术概况.6什么叫地热能?地热有多大？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。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1.05E25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.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。7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5．11x108km2，体积约为1.0833x1012km2，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。温度分布图1)地壳:地球最外面一层，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，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，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5100M以下至地心，一般认为是由铁、镍等重金属组成的。8地热从何而来?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。9形成地热资源的要素?

地热资源有哪些形式?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。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。10各种地热资源的开发技术概况在上述5类地热资源中，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，开发利用很少。不过，仅仅是蒸汽型资源和热水型资源所包括的热能，其储量也是极为可观的。仅按目前可供开采的地下3km范围内的地热资源来计算，就相当于2.9×1012t煤炭燃烧所发出的热量。11第二节地热资源一、概述1．地热资源定义地热资源是指在当今的技术经济和地质环境条件下，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以下为经济型地热资源，2000—5000m为亚经济型地热资源。12

2．地热资源类型介绍(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。13（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)。14(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。15(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藏较浅、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。16(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。173．地下热水形成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。形成过程图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。形成过程图184．地热田类型地热田分为热水田和蒸汽田两大类型。(1)热水田。这种地热田开采出的介质主要是液态水，温度在60—120℃之间，多属于深循环型热水，但有时也可能是特殊热源型热水。热水田是地热田中一种较普遍的类型．既可直接用于供暖和工农业生产，也可用于减压扩容法地热发电系统。19(2)蒸汽田。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，即构成为蒸汽田。蒸汽田模型图.蒸汽田还可以按井口喷出介质的状态分为干蒸汽田和湿蒸汽田。蒸汽田特别适合于发电，是十分有开采价值的地热田。205．地热水和天然蒸汽杂质通常热水中合有较多的硫酸铵、铁、铝等硫酸盐;有时还有盐酸、硅酸、偏硼酸等。在地热水和蒸汽中的气体成分，则有二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨、氮、氢、乙烷等；在有的热水中还含有二氧化硫、盐酸气等。除此之外，无论热水或蒸汽，都还常常挟带有泥砂等固体异物。地热水和天然蒸汽中的各种杂质，都会对地热发电产生影响.21二、世界地热资源分布根据板块学说，在各大板块的交接处形成了有丰富地热资源的地热带。从世界范围来说，主要有如下4个地热带：1．环太平详地热带2．大西洋洋中脊型地热带3．红海——亚丁湾——东非裂谷型地热带4．地中海一喜马拉雅缝合线型地热带22三、中国地热资源通过对中国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。其中盆地型地热资源潜力在2000亿吨标准煤当量以上。全国已发现地热点3200多处，打成的地热井2000多眼，其中具有高温地热发电潜力有255处，预计可获发电装机5800MW，现已利用的只有近30MW。23三、中国地热资源1．高温地热资源中国的高温地热资源丰富，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。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。24

2．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间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‰。253、中国地热资源的分类（按地热资源成因）

(1)现代活火山型：在台湾和云南

(2)岩浆型：在西藏

(3)断裂型：如辽宁、山东、山西、陕西以及福建、广东等地。

(4)断陷、凹陷盆地型：如华北盆地、松辽盆地、江汉盆地等。26地热资源温度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。中国地热勘查国家标准(GBll615—1989)规定，地热资源按温度分为高温、中温、低温3级，按地热田规模分为大、中、小3类。27地球内部温度分布示意图28深循环水图29特殊热源型地下热水形成过程30蒸汽田图31第三节地热发电原理和技术

地热能的利用可分为直接利用和地热发电两大方面.

一、地热发电原理及分类(示意图2)

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。示意图1分类:按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，可把地热发电的方式划分为地热蒸汽发电和地下热水发电两大类.（外景图）示意图3321、地热蒸汽发电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，是采用背压式汽轮机地热蒸汽发电系统(如图)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.33(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。342．地下热水发电两种方式：闪蒸地热发电系统；双循环地热发电系统（1）闪蒸地热发电系统：直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机工作。也叫做减压扩容法地热发电系统。类型：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；35（2）双循环地热发电系统：利用地下热水来加热某种低沸点工质，使其产生蒸汽进入汽轮机工作。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。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。所谓双循环地热发电系统即是由此而得名。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。36地热发电示意图37地热发电示意图238背压式汽轮机地热蒸汽发电系统39地热电站外景图40地热发电示意图341第四节世界地热发电概况一、世界地热发电历程：1904年，意大利在拉德瑞罗建立起世界上第1座小型地热蒸汽试验电站；1913年正式投运（250kw）。自1958年起，美国、墨西哥、前苏联、日本、菲律宾、萨尔瓦多、冰岛和中国先后开始进行地热发电的研究试验和开发建设，但发展速度不快。特别是20世纪80年代以来，世界地热发电装机容量增加迅速：1990年，由1980年的2388Mw增加为5827.55MW，增幅达1.44倍；1998年，又增加到8239MW，比1990年增加了2372MW，增幅达41.38％。42一、世界地热发电历程：

迄今为止，全世界至少已有83个国家已经开始开发利用地热资源或计划开发利用地热资源；约有50个国家统计了地热能利用数量；有21个国家利用地热发电，约有250个地热电站。1998年，全世界地热发电装机容量为8239MW，其中美国2850MW，居第1位；菲律宾1848MW．居第2位：意大利769MW，后第3位；墨西哥743MW，后第4位；印度尼西亚590MW，居第5位。目前世界上最大的地热电站：美国加州的吉塞斯地热电站，总装机容量达1918MW。43二、世界上地热发电装机容量较大的国家

简要介绍1．美国1998年，美国2850MW，投入使用的地源热泵空调系统已超过50多万套，冬季采暖，夏天降温，可以削减尖峰用电负荷40％左右。吉塞斯地热已有40年的历史，目前已成为美国也是世界最大的地热发电基地，所采取的地热发电技术以安全可靠、发电成本低、环境影响小著称。44美国地热发展具体目标(1)国内地热发电方面。到2010年，达到均地热能供应700万个美国家庭、共约1800万人需用的电力．(2)国内地热直接利用方面。(3)国际地热开发方面。(4)地热开发利用技术方面。(5)未来地热资源方面。45

2、菲律宾菲律宾拥有丰富的地热资源，1991年12月被确认的地热资源蕴藏量为140万kW，主要分布在吕宋岛南部、莱特岛、民答那峨岛东部等地。开发最早的为吕宋岛东南部的蒂威地热田，早在1968年就利用200m深的地热井产生的蒸汽成功地进行了发电。1976年，非律宾开始商业性地热钻井，到1980年地热发电装机容量即迅速发展到446MW，超过意大利，仅次于美国，居世界第2位。98年时达1848MW．到1996年，地热发电的装机容量和发电量，已分别占到全国总量的13％和23％。在菲律宾国家电力公司制定的电力发展15年规划中，2005年前新增发电装机容量中的18％为地热发电。463、冰岛

1997年冰岛的一次能源消费量为254.1万t石油当量．其中48.1％由地热能供应，如此大的比例在世界各国中是罕见的。前些年，冰岛的地热发电量即已占到全国总发电量的6％，到2000年超过15％，这样高的比例在工业发达国家是没有的。474．哥斯达黎加

哥斯达黎加把“2000年90％的电力来自可再生能源”的目标作为其绿色经济增长总体计划的一部分。据1995年1月统计，正在运行的地热电站装机容量为60MW，年发电量为447GWh，分别占全国总量的6％和9％。到2000年地热发电装机容量达到170MW，年发电景将达到1226GWh，分别占全国总量的10％和14.6％，地热发电与水力发电台计的装机容量占到全国总量的87.4％、年发电星占到全国总量的88.3％，基本达到计划目标；485、日本

据日本地热协会的统计，截至1997年3月31日，全日本地热发电装机容量为530MW，占全国总发电装机容量的0.22％。到2010年的目标，是把地热发电的装机容量发展到2800MW，占届时全国总发电装机容量的1％。日本地热利用的研究开发十分活跃，正在进行的研究项目有：推进地热资源的普及；小型双循环地热发电系统的试验示范；裂隙型热储勘探方法的开发；深层热储的调查；开发10MW级双循环地热示范电站；地热井兆瓦级系统的开发；干热岩发电系统的开发，包括深层热储钻井与生产工艺的开发等。49第五节中国地热发电一、中国地热利用概况中国地热能的开发利用，在20世纪50年代以前，主要是应用于医疗和洗浴；自20世纪60年代起，开始应用于上农业生产；20世纪70年代以来，地热能作为新能源的一种，已扩大到用于发电、工业加工、比用采暖、农业温室、农田灌溉、水产养殖、医疗卫生以及旅游业等诸多方面，应用范围越来越广，取得了明显的节能效益、经济效益和环保效益。到1998年底，中国的地热发电装机容量达32MW，居世界第13位；中国的地热直接利用设备总功率达2443MW，居世界前列。50

二、中国地热发电现状中国地热发电的研究试验上作开始于20世纪70年代初。30余年来的发展经历了两大阶段：（1）1970—1985年期间，为以发展低温地热试验电站为主的阶段；（2）1985年以后，进入发展商业应用高温地热电站的阶段。我国目前地热电站分布表51中国中、低温地热试验电站简介1970年，广东省丰顺县邓屋建立起中国第一座闪蒸系统地热试验电站，利用91℃的地热水发电，机组功率为86kw。随后，江西省宜春市温汤和河北省怀来县，也相继建设起双循环系统地热试验电站。20世纪70年代中后期，湖南省灰汤、辽宁省熊岳以及山东省招远又先后建成闪蒸及双循环系统地热试验电站。所有这些电站发电机组的功率都不大，从50—300kw不等；地热水温度均较低，从61—92℃不等。简况表52中国高温地热电站日前中国高温地热电站主要集中在西藏地区，总装机容量为27.18Mw，其中羊八井地热电站装机容量为25．18Mw，朗久地热电站装机容量为1Mw，那曲地热电站装机容量为1MW。据不完全统计，西藏地热显示区达７００多处，其中可供开发的地热显示区３４２处，绝大部分地表泉水温度超过８０摄氏度，地热资源发电潜力超过１００万千瓦。西藏地热发电总量占拉萨电网的３０％左右，且地热发电成本远远低于水电。53羊八井地热电站介绍羊八升地热电站是中国自行设计建设的第1座用于商业应用的、装机容量最大的高温地热电站，总装机容量为25.18Mw。年发电量约达l亿kwh，占拉萨电网总电量的40％以上．对缓和拉萨地区电力紧缺的状况起了重要作用。电站利用145℃左右的地热水(汽水混和物)发电，向92km以外的拉萨地区供电。羊八井地热电站包括第一电站和第二电站两部分。54第一电站由l台lMW机组(1号机组)和3台3MW机组(2号、3号和4号机组)构成。1号机组于1977午10月10日投入运行，2号和3号机组分别于1981年12月和1982年11月建成并投入发电。1985年又扩建了4号机组；至此，第一电站的总装机容量达到10MW。5520世纪80年代中期，开始建造第二电站。站址位于羊八井地热田北部、中尼公路以北约45km处，距第一电站约3km。该电站一期工程安装了1台日本生产的3.18MW机组，自动化程度较高，以后，又安装了4台功率各为3MW的国产机组。目前，第二电站的总容量为15.18MW。到2002年底，整个羊八井地热电站的总装机容量为25.18MW。56羊八井第一电站1号机组是最初的试验机组，采用单级扩容法发电系统。以后建造的台3MW