地热能及其利用

新能源与分布式发电技术第6章地热能及其利用主讲人朱晓荣故事：杨贵妃入浴华清池 温泉是来自地下的热水，说明地球内部存在着某种形式的热能。如何利用这些来自地下的热能，已经成为人们非常关心的问题。2§6地热能及其利用关注的问题地球内部蕴藏着丰富的热能，这些能量是哪里来的？地热资源的分布有何规律？人类何时开始懂得地热能的利用？地热能的利用方式有哪些？地热发电的原理是怎样的？地热发电的关键技术和难点在哪里？教学目标了解地热资源情况和地热能利用的发展历史。掌握地热能利用的主要方式和各自原理。理解发展利用地热能的重要意义和发展方向。3§6.1地热资源的形成地球是一个巨大实心椭球体，平均直径12742km，体积约为1万亿立方公里。§6.1.1地球的构造和热量来源地球的结构就像一个煮的半熟的鸡蛋，从外到里可分为3层。地球内部越深，温度越高。各层的温度，如图所示。4地球内部的热量，主要来自放射性元素的衰变。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。高速粒子的动能与辐射能在与其它物质的碰撞过程中转变为热能。此外，热的来源还有潮汐摩擦热、化学反应热等，不过所占比重都不大。§6.1.1地球的构造和热量来源5§6.1.2地热资源的概念并非所有的地球内部热量都能作为能源进行利用。小知识：大地热流：地球表面的热量有一部分会散发到周围的大气中，这种现象称为大地热流。在炎热的夏季或某些高温地区，经常看到远处的景物变得迷离朦胧，就像隔着一层带有水痕的玻璃。1）地表每年散发到大气的热量很多。但是太过分散，目前还无法作为能源。2）还有很多热量埋藏在地球内部的深处，开采困难，也很难被人类利用。6在某些地质作用下，地球内部的热能会向某些地域聚集，集中到特定深度范围内，有些能达到开发利用的条件。§6.1.2地热资源的概念有时地球内部的热能会以传导、对流和辐射的方式传递到地面上来，表现为火山爆发、间歇喷泉和温泉等形式。地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，能够从地壳内开发出来的热能量和热流体中的有用成分。地热资源是集热、矿、水为一体的矿产资源。7从技术经济角度，目前勘查深度可达地表以下5000米， 深度在2000米以内的为经济型地热资源， 深度2000～5000米的为亚经济型地热资源。地热资源有明显的矿产资源属性，要开发和保护并重。§6.1.2地热资源的概念小知识：地下3km范围内的地热资源，也相当于3万亿吨煤炭燃烧所发出的热量。

8§6.2地热资源的类型1）热水型 ——包括热水及湿蒸汽。2）干蒸汽型 ——高温蒸汽。3）地压型 ——高压水，压力一般可达几十兆帕。4）干热岩型 ——温度很高的岩石层。5）岩浆型 ——高温熔岩。§6.2.1地热资源的存在形态目前人类开发利用的，主要是地热蒸汽和地热水两大类，已经有很多的实际应用。干热岩和地压两类尚处于试验阶段，开发利用很少，未来可能有大规模发展的潜力。岩浆型资源的应用还处于课题研究阶段。9§6.2.2地热田80℃的地下热水，大致埋藏在2000多米的地方。如果想获得温度更高的地热资源，深度还要增加。世界之最：最深的人工矿井：9000多米深，美国石油工人。地热田就是在目前技术经济条件下具有开采价值的地热资源集中分布的地区。目前可开发的地热田主要是热水田和蒸汽田。（1）热水田热水田提供的地热资源主要是液态的热水。（2）蒸汽田蒸汽田的地热资源包括水蒸汽和高温热水。10世界之最世界上最大的地热田

盖瑟尔斯地热田：位于美国加州的旧金山以北120km，面积超过140km2,估计最大发电潜能为250~300万千万,是干蒸汽型地热田。第一个成功开发的大型热水田

怀拉基地热田：位于新西兰北岛的中部，陶波湖的东北侧。开发面积为16km2

，地热水温度可达265℃，开采深度多在600~1200m之间。11§6.3地热能资源及其分布地热能的总储存量为煤炭的1.7亿倍，是一个庞大的热库。据估计，全世界地热资源的总量大约为1.45×1026焦耳，

相当于5000万亿吨标准煤燃烧时放出的热量。地下10km深度范围内所包含的热量就在2.6×1026J以上，而3km浅层内可利用的地热能有8.37×1020J左右。§6.3.1地热能的蕴藏量12§6.3.2世界地热资源分布全球地热资源的分布很不平衡，但有一定的规律。从全球地质构造观点来看，小于150℃的中、低温地热资源，则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地。大于150℃的高温地热资源，主要出现在地壳表层各大板块的边缘。地质板块的交接处形成的地热资源丰富的地热带，称为板间地热带。特点是热源温度高，多由火山或岩浆造成。板块内部靠近板块边界的部位，在一定地质条件下也可能形成相对的高热流区，称为板内地热带。13§6.3.2世界地热资源分布环球性的板间地热带有4个。（1）环太平洋地热带许多著名的大型地热田都在这里，如美国的盖瑟尔斯；新西兰的怀拉基地热田；中国的台湾马槽、大屯地热田等。（2）地中海－喜马拉雅地热带欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界，“缝合线型”。比较著名的地热田有：意大利的拉德瑞罗地热田（干蒸汽），中国的西藏羊八井（高温蒸汽），等等。14§6.3.2世界地热资源分布（3）大西洋中脊地热带是大西洋海洋板块的开裂部位。从冰岛至亚速尔群岛有许多地热田，其中最著名的是冰岛首都的雷克雅未克地热田。（4）红海－亚丁湾－东非裂谷地热带位于阿拉伯板块与非洲块板的边界，包括吉布提、肯尼亚等国的地热田，如著名的肯尼亚阿尔卡利亚高温地热田等。15我国拥有丰富的地热资源。世界上四大板块地热带中，两个经过我国版图（环太平洋地热带和地中海-喜马拉雅地热带）。全国地热可采储量，是已探明煤炭可采储量的2.5倍，其中距地表2000米以内储藏的地热能为2500亿吨标准煤。我国以中低温地热资源为主。目前，全国经正式勘查并经国土资源储量行政主管部门审批的地热田有100多处。每年全国可开发利用的地热水总量约60多亿立方米，所含地热量为973万亿千焦耳，折合每年3284万吨标准煤的发电量。§6.3.3我国的地热资源16据现有资料，我国的地热资源分布可划分为7个地热带。（1）藏滇地热带 已经发现温泉700多处，高于当地沸点的热水区近百处。 这是中国大陆地热活动最强烈的地带。

中国之最：中国温度最高的地热井----西藏拉萨附近的羊八井地热田，在ZK4002孔井深1500~2000m处，探获329.8℃的高温地热流体，流体干度达47%。（2）台湾地热带 中国地震最强烈、最频繁的地带。水热活动有100多处。（3）东南沿海地热带 包括闽、粤、琼、浙以及赣湘的一部分。已有大量地热水被发现，一般为中低温地热水。17（4）鲁皖鄂断裂地热带 主要是低温地热资源，一般均为50～70℃。断裂的深部有较高温度的地热水存在。（5）川滇青新地热带 昆明到康定一线的南北向狭长地带，延伸入青海和新疆，扩大到四大盆地。以低温热水型资源为主。（6）祁吕弧形地热带 有近代地震活动带，有历史性温泉出露地，主要地热资源为低温热水。（7）松辽及其他地热带 有裂隙地热形成，温度为40～80℃。此外，还有一些像广西南宁盆地那样的孤立地热区。

18§6.4地热能利用的发展世界上许多地区很早就开始了对地热能的利用。有文献记载的历史，也至少有几千年。早期主要是利用天然温泉和地下热水、天然蒸汽。1812年，意大利人就从地热泉水蒸发残渣中提取硼酸。1827年，意大利人率先利用天然地热蒸汽参与加工。20世纪，地热资源开始被用于发电和一些新型的工农业生产，直接利用的发展规模也越来越大。20世纪中叶开始，地热大规模开发利用渐渐盛行。§6.4.1世界地热能直接利用19目前地热能的直接利用发展十分迅速，已广泛地应用于各个方面，收到了良好的经济技术效益。地热能的直接利用，技术要求较低，所需设备也较为简易。直接利用是当前国内外地热能开发的最主要形式。古籍中有很多关于温泉利用的记载。1995年利用的地热总容量近200万千瓦，已居世界第一位。到2000年，地热利用总量超过100亿千瓦时，继续高居世界首位。§6.4.2我国地热能直接利用20世界第一个地热供暖系统

1928年，冰岛率先推行用地热水进行城市供暖，在首都雷克雅未克建成世界上第一个地热供暖系统，而且较具规模，每小时从地下抽取7000-8000t热水，供全市11万居民使用。目前，冰岛仍然是世界上开发利用地热能取暖最好的国家之一，用热总量达1200MW。世界最大的地热应用工厂

目前世界上最大两家地热应用工厂，分别是冰岛的硅藻工厂和新西兰的纸浆加工厂。世界之最21§6.4.3世界地热发电的发展自1904年第一次地热发电成功以来，已经有一个多世纪的的发展历史。美国、墨西哥、前苏联、日本、菲律宾、萨尔瓦多、冰岛和中国也陆续开展地热发电的试验研究和开发建设。尤其是1970s以来，地热发电有了较快的发展。美国从1973年开始进行干热岩的地热开发试验。英国、日本、法国也陆续开始进行干热岩开发试验。用150℃以下的中低温热水发电的研究，约从1970s开始。日本建过两座利用150℃地热水发电的1MW试验电站。22世界之最世界第一个地热电站－意大利的拉德瑞罗地热电站，建于1904年，利用天然的地热蒸汽发电，是世界上为数不多的干蒸汽地热电站之一。第一台机组的发电功率约为552kW，1913年建成功率为250kW的商业性地热电站。到20世纪60年代，装机容量达到38万千万，为上时世界最大的地热电站，目前具世界第四。世界第一个湿蒸汽地热电站－建于1958年，位于新西兰的怀拉基地热田，装机容量为1.92万千瓦。23世界之最世界第一个干热岩地热电站－美国于1984年建成，装机容量10MW，其技术是基于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室十年的干热岩地热开发研究和试验成果。世界上最大的地热电站－美国的盖尔瑟斯地热电站。为干蒸汽型地热电站，于1960~1963年间建成，装机容量为2.4万千瓦。经过几十年的发展，1988年达到204.3万千瓦，目前运行能力为1918MW左右。排名第2至第4的地热电站：菲律宾的蒂维地热电站（1227MW），墨西哥的赛罗普列托地热电站，意大利的拉罗瑞罗地热电站（380.6MW）。24§6.4.3世界地热发电的发展据2005年世界地热大会统计，2004年全球直接利用地热能超700万亿千瓦时，相当于每年节约了11232亿桶石油；同时，减少CO2排放量5933万吨。2005年世界地热发电装机容量达到了8912MW。2005年部分国家的地热发电统计数据，装机容量排在前五位的国家分别是：美国，菲律宾，墨西哥，印尼和意大利；装机容量分别为：2800MW，1930MW，953MW，797MW和791MW。1975~2005地热发电年装机容量增长很快，1975年，装机容量1300MW；1980年，3887MW。随后，大约每五年增长1000MW。25§6.4.4我国地热发电的发展我国的地热发电开始于1970s初。在各省相继建起了几个小型发电试验装置，如表所示。26中国之最中国第一个地热电站－1970年，在广东省丰顺县邓屋建立了中国第一座闪蒸系统（减压扩容法）地热实验站，利用91~92℃的地热水发电，最大装机容量为300kW，输出电力约为86kW。中国最大的地热电站－西藏羊八井：1977年，1000kW的高温地热发电实验机组发电成功。后来陆续安装8台机组，到1991年，总装机容量达到25.1MW，年发电量在1亿千瓦时左右。在当时拉萨电力紧张的情况下，负担拉萨平时供电的50%和冬季供电的60%。到2008年底，共为西藏发电12亿千瓦时，年发电量在拉萨电网中占45%。27我国仍在实际运行的地热电站只有西藏羊八井（24.18MW）、西藏朗久（400kW间断运行）、广东丰顺（300kW）、湖南灰汤（300kW）等四座。2020年的地热发电建设目标是：

装机容量达到400MW以上。目前，我国实际运行的地热电站，年发电量近1.3亿度，

居世界地热发电排名第16位。28§6.5地热能的一般利用不同温度地热流体的利用方式也有所不同。总体而言，地热能在以下四个方面的应用最为广泛和成功。1）地热发电：地热利用的最重要方式。2）地热供暖：最普遍的地热应用，前景仅次于地热发电。3）地热用于农业。4）温泉洗浴和医疗。§6.5.1地热能的利用方式29§6.5.2地热用于供暖采暖、供热或提供热水，是最普遍的地热应用方式。包括：—地热水供暖系统—地源热泵系统—地源热风供暖系统(1)地热水供暖系统：可分为直接供暖系统和间接供暖系统。直接供暖系统将没有腐蚀性的天然地热水经管道直接送往用户。间接供暖系统将有腐蚀性的地热水和供暖循环水分开，通过换热器将地热水的能量传递给洁净的循环水，然后再把地热水排放或实现综合利用。30§6.5.2地热用于供暖世界之最：地源热泵供暖比例最高的国家是瑞士，达到96%，居世界第一。(2)地源热泵系统

热泵：就是根据卡诺循环原理，利用某种工质（氟利昂、异丁烷）从地下吸收热量，并把经过压缩转化的能量传导给人们能够利用的工质。31还可以把土壤作为低温热源。一般是在土壤中埋设盘管或U形管，把从土壤吸收的热能通过热泵供应给室内。32§6.5.2地热用于供暖(3)地源热风供暖系统

对耗热量大的建筑物和有防风要求的供暖场合，多采用热风供暖方式。可以集中送风，也可以分散送风。33§6.5.3地热用于农业地热在农业中的应用范围十分广阔。—利用温度适宜的地热水灌溉农田；—利用地热水养鱼；—利用地热建造温室；—利用地热给沼气池加温等。34§6.5.4温泉洗浴和医疗在我国，温度在25℃以上的地热水才能称为温泉。地热水中常含有铁、硫等化学元素，因此很多天然温泉具有一定的医疗保健作用。例如，用氢泉和硫化氢泉洗浴可治疗神经衰弱和关节炎、皮肤病等。有些地热水还可开发作为饮用矿泉水，并有特殊健康效果。如含碳酸的矿泉水，可调节胃酸、平衡人体酸碱度，对心血管及神经等系统的疾病治疗也是有效的。含铁的矿泉水，可治疗缺铁贫血病。世界各国都很珍惜，地热在医疗领域的应用有诱人前景。中国之最：已知的最早的温泉是陕西的华清池。35§6.6地热发电地热发电的过程，是先把地热能转变为机械能，再把机械能转变为电能。地热电站的蒸气温度要比火电厂锅炉出来的蒸气温度低得多，因而地热蒸气经涡轮机的转换效率较低。地热发电一般要求地热流体的温度在150℃以上，这时热转换效率相对较高，因而发电成本较低，经济性较好。在缺乏高温地热资源的地区，中低温（例如100℃以下）的地热水也可以用来发电，只是经济性较差。§6.6.1地热发电的原理36经过发电利用的地热流都将重新注入地下，既能保持地下水位不变，还可在后续循环中从地下取回更多的热量。在实际利用中，有一些关键技术问题需要解决。例如：1）电站建设和运行的技术改进；2）提高地热能的利用率；3）回灌技术；4）防止管道结垢和设备腐蚀；§6.6.1地热发电的原理37§6.6.2蒸汽型地热发电系统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。在引人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38§6.6.2蒸汽型地热发电系统1）背压式汽轮机发电系统主要由净化分离器和汽轮机组成。这是最简单的地热干蒸汽发电方式。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。39§6.6.2蒸汽型地热发电系统1）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。40§6.6.2蒸汽型地热发电系统1）凝汽式汽轮机发电系统41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，主要有两种方式：－闪蒸地热发电系统－双循环地热发电系统§6.6.3热水型地热发电系统42（1）闪蒸地热发电系统小知识：气压降低，液体的沸点也会降低。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，推动汽轮发电机发电。

适合于地热水质较好且不凝气体含量较少的地热资源。§6.6.3热水型地热发电系统如果流体是湿蒸汽，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。43（1）闪蒸地热发电系统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。也可把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。全流法单位净输出功率可比两级闪蒸地热发电系统提高。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。§6.6.3热水型地热发电系统44（2）双循环地热发电系统也叫低沸点工质法，利用地下热水加热某种低沸点工质，使其产生具有较高压力的蒸汽并送入汽轮机。做功后的蒸汽在冷凝器中凝结，循环使用。地热水要回灌到地层中。§6.6.3热水型地热发电系统45（2）双循环地热发电系统小知识：常用的低沸点工质有异丁烷、正丁烷、丙烷、氯乙烷等。须注意：低沸点工质导热性差，价格较高，来源有限，有些还易燃、易爆、有毒