第九章地熱能

第九章地熱能2阿里地區(qū)地熱田3冰島地熱4羊八井地熱電站5第一節(jié)地熱能基本知識什么叫地熱能?地熱有多大?地球的構造是怎樣的?地熱溫度有多高?地熱從何而來?形成地熱資源的要素?地熱資源有哪些形式?各種地熱資源的開發(fā)技術概況.6什么叫地熱能?地熱有多大？所謂地熱能，簡單地說．就是來自地下的熱能，即地球內部的熱能。據(jù)計算，地球陸地以下五公里內，15攝氏度以上巖石和地下水總含熱量達1.05E25焦爾，相當于9950萬億噸標準煤。按世界年耗100億噸標準煤計算，可滿足人類幾萬年能源之需要.如果把地球上貯存的全部煤炭燃燒時所放出的熱量作為標準來計算、那么，石油的貯存量約為煤炭的3％，目前可利用的核燃料的貯存量約為煤炭的15％，而地熱能的總貯存量則為煤炭的1.7億倍。7地球的內部構造

地球是一個巨大的實心橢球體，它的表面積約為5．11x108km2，體積約為1.0833x1012km2，赤道半徑為6378km，極半徑為6357km。地球的構造好像是一只半熟的雞蛋，主要分為3層。溫度分布圖1)地殼:地球最外面一層，即地球外表相當于雞蛋殼的部分，地殼由土層和堅硬的巖石組成，它的厚度各處不一，介于10—70km之間，2)地幔:地球的中間部分，即地殼下面相當于雞蛋白的部分，也叫做“中間層”，它大部分是熔融狀態(tài)的巖漿．地幔的厚度約為2900km,它由硅鎂物質組成，溫度在1000℃以上.3)地核:地球的中心，即地球內部相當于雞蛋黃的部分．地核的溫度在2000—5000℃之間，外核深2900—5100km，內核深5100M以下至地心，一般認為是由鐵、鎳等重金屬組成的。8地熱從何而來?關于地球的起源問題，目前有許多不同的假說，因此，關于地熱的來源問題，也有許多不同的解釋。但是，這些解釋都一致承認，地球物質中放射性元素衰變產生的熱量是地熱的主要來源。放射性元素有鈾238、鈾235、釷232和鉀40等，這些放射性元素的衰變是原子核能的釋放過程。放射性物質的原子核．無需外力的作用，就能自發(fā)地放出電子、氦核和光子等高速粒子并形成射線。在地球內部，這些粒子和射線的動能和輻射能，在同地球物質的碰撞過程中便轉變成了熱能。9形成地熱資源的要素?

地熱資源有哪些形式?形成地熱資源有熱儲層、熱儲體蓋層、熱流體通道和熱源4個要素。通常我們把地熱資源根據(jù)其在地下熱儲中存在的個同形式，分為蒸汽型、熱水型、地壓型、干熱巖型資源和巖漿型資源等幾類。10各種地熱資源的開發(fā)技術概況在上述5類地熱資源中，目前能為人類開發(fā)利用的．主要是地熱蒸汽和地熱水兩大類資源，人類對這兩類資源已有較多的應用；干熱巖和地壓兩大類資源尚處于試驗階段，開發(fā)利用很少。不過，僅僅是蒸汽型資源和熱水型資源所包括的熱能，其儲量也是極為可觀的。僅按目前可供開采的地下3km范圍內的地熱資源來計算，就相當于2.9×1012t煤炭燃燒所發(fā)出的熱量。11第二節(jié)地熱資源一、概述1．地熱資源定義地熱資源是指在當今的技術經濟和地質環(huán)境條件下，地殼內能夠科學、合理地開發(fā)出來的巖石中的熱能量和熱流體中的熱能量及其有用的伴生成分。目前地熱資源勘探的深度可達地表以下5000m，其中2000m以下為經濟型地熱資源，2000—5000m為亞經濟型地熱資源。12

2．地熱資源類型介紹(1)蒸汽型資源蒸汽型資源是指地下熱儲中以蒸汽為主的對流水熱系統(tǒng)，它以產生溫度較高的過熱蒸汽為主，摻雜有少量其他氣體，所含水分很少或沒有。這種干蒸汽可以直接進入汽輪機，對汽輪機腐蝕較輕，能取得滿意的工作效果。但這類構造需要獨特的地質條件，因而資源少、地區(qū)局限性大。13（2）熱水型資源熱水型資源是指地下熱儲中以水為主的對流水熱系統(tǒng)，它包括噴出地面時呈現(xiàn)的熱水以及水汽混合的濕蒸汽。這類資源分布廣、儲量豐富，根據(jù)其溫度可分為高溫(>150℃)、中溫(90—150℃)和低溫(90℃以下)。14(3)地壓型資源地壓型資源是一種目前尚未被人們充分認識的、但可能是一種十分重要的地熱資源.它以高壓水的形式儲存于地表以下2—3Km的深部沉積盆地中，并被不透水的蓋層所封閉，形成長1000km、寬數(shù)百千米的巨大熱水體。地壓水除了高壓、高溫的特點外，還溶有大量的碳氫化合物(如甲烷等)。所以，地壓型資源中的能量，實際上是由機械能(壓力)、熱能(溫度)和化學能(天然氣)3個部分組成的。15(4)干熱巖型資源干熱巖型資源是比上述各種資源規(guī)模更為巨大的地熱資源。它是指地下普遍存在的沒有水或蒸汽的熱巖石。從現(xiàn)階段來說，干熱巖型資源專指埋藏較淺、溫度較高的有開發(fā)經濟價值的熱巖石。提取干熱巖中的熱量，需要有特殊的辦法，技術難度大。16(5)巖漿型資源巖漿型資源是指蘊藏在熔融狀和半熔融狀巖漿中的巨大能量，它的溫度高達600—1500℃左右。在一些多火山地區(qū)，這類資源可以在地表以下較淺的地層中找到，但多數(shù)則是埋在目前鉆探還比較困難的地層中。目前能為人類開發(fā)利用的．主要是地熱蒸汽和地熱水兩大類資源，人類對這兩類資源已有較多的應用；干熱巖和地壓兩大類資源尚處于試驗階段，開發(fā)利用少。173．地下熱水形成地下熱水的形成一般可分為深循環(huán)型和特殊熱源型兩種形成類型.(1)深循環(huán)型。一邊冷水下降，一邊熱水上升，這就構成地下熱水的循環(huán)運動。形成過程圖深循環(huán)型地下熱水的形成、運動和儲存，與地質構造密切相關。(2)特殊熱源型。數(shù)十億年來地殼巖層一直在經歷著斷裂、擠壓、折曲及破碎等變化。每當巖層破裂時，地球深部的巖漿就會通過裂縫向地表涌來。如果涌出地表，即成為火山爆發(fā)。如果停駐在地表下一定的深度，則成為巖漿侵入體。形成過程圖184．地熱田類型地熱田分為熱水田和蒸汽田兩大類型。(1)熱水田。這種地熱田開采出的介質主要是液態(tài)水，溫度在60—120℃之間，多屬于深循環(huán)型熱水，但有時也可能是特殊熱源型熱水。熱水田是地熱田中一種較普遍的類型．既可直接用于供暖和工農業(yè)生產，也可用于減壓擴容法地熱發(fā)電系統(tǒng)。19(2)蒸汽田。當儲水層的上方有一透水性很差的覆蓋巖層時，由于覆蓋層的隔水、隔熱作用，覆蓋層下面的儲水層在長期受熱的條件下，就成為聚集大量具有一定壓力和溫度的蒸汽和熱水的熱儲，即構成為蒸汽田。蒸汽田模型圖.蒸汽田還可以按井口噴出介質的狀態(tài)分為干蒸汽田和濕蒸汽田。蒸汽田特別適合于發(fā)電，是十分有開采價值的地熱田。205．地熱水和天然蒸汽雜質通常熱水中合有較多的硫酸銨、鐵、鋁等硫酸鹽;有時還有鹽酸、硅酸、偏硼酸等。在地熱水和蒸汽中的氣體成分，則有二氧化碳、硫化氫、甲烷、氨、氮、氫、乙烷等；在有的熱水中還含有二氧化硫、鹽酸氣等。除此之外，無論熱水或蒸汽，都還常常挾帶有泥砂等固體異物。地熱水和天然蒸汽中的各種雜質，都會對地熱發(fā)電產生影響.21二、世界地熱資源分布根據(jù)板塊學說，在各大板塊的交接處形成了有豐富地熱資源的地熱帶。從世界范圍來說，主要有如下4個地熱帶：1．環(huán)太平詳?shù)責釒?．大西洋洋中脊型地熱帶3．紅海——亞丁灣——東非裂谷型地熱帶4．地中海一喜馬拉雅縫合線型地熱帶22三、中國地熱資源通過對中國30個省、市、自治區(qū)的地熱資源普查、勘探表明，中國地熱資源豐富，分布廣泛。其中盆地型地熱資源潛力在2000億噸標準煤當量以上。全國已發(fā)現(xiàn)地熱點3200多處，打成的地熱井2000多眼，其中具有高溫地熱發(fā)電潛力有255處，預計可獲發(fā)電裝機5800MW，現(xiàn)已利用的只有近30MW。23三、中國地熱資源1．高溫地熱資源中國的高溫地熱資源豐富，可用于地熱發(fā)電的合255處，總發(fā)電潛力為5800Mw。主要分布在西藏、滇西和中國臺灣地區(qū)。預計到20l0年，還可開發(fā)利用10余處新的高溫地熱資源，發(fā)電潛力約為300MW。24

2．中、低溫地熱資源中國的中、低溫地熱資源中可用于非電直接利用的有2900多處，其中盆地型潛在地熱資源埋藏量約相當于2000億t標準煤。主要分布在松遼盆地、華北盆地、江漢盆地、渭河盆地、太原盆地、臨汾盆地、運城盆地等眾多的山間盆地以及東南沿海的福建、廣東、贛南、湘南等地。目前的開發(fā)利用量還不到資源保有量的1‰。253、中國地熱資源的分類（按地熱資源成因）

(1)現(xiàn)代活火山型：在臺灣和云南

(2)巖漿型：在西藏

(3)斷裂型：如遼寧、山東、山西、陜西以及福建、廣東等地。

(4)斷陷、凹陷盆地型：如華北盆地、松遼盆地、江漢盆地等。26地熱資源溫度分級國際上的一般劃分方法為：150℃以上為高溫；90—150℃為中溫；如90℃以下為低溫。中國地熱勘查國家標準(GBll615—1989)規(guī)定，地熱資源按溫度分為高溫、中溫、低溫3級，按地熱田規(guī)模分為大、中、小3類。27地球內部溫度分布示意圖28深循環(huán)水圖29特殊熱源型地下熱水形成過程30蒸汽田圖31第三節(jié)地熱發(fā)電原理和技術

地熱能的利用可分為直接利用和地熱發(fā)電兩大方面.

一、地熱發(fā)電原理及分類(示意圖2)

原理:地熱發(fā)電是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發(fā)電技術，它涉及地質學、地球物理、地球化學、鉆探技術、材料科學和發(fā)電工程等多種現(xiàn)代科學技術。示意圖1分類:按照載熱體類型、溫度、壓力和其他特性的不同，可把地熱發(fā)電的方式劃分為地熱蒸汽發(fā)電和地下熱水發(fā)電兩大類.（外景圖）示意圖3321、地熱蒸汽發(fā)電1．地熱蒸汽發(fā)電(1)背壓式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)。最簡單的地熱干蒸汽發(fā)電，是采用背壓式汽輪機地熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)(如圖)工作原理：首先把干蒸汽從蒸汽井中引出，先加以凈化，經過分離器分離出所含的固體雜質，然后就可把蒸汽通入汽輪機做功，驅動發(fā)電機發(fā)電。做功后的蒸汽，可直接排入大氣；也可用于工業(yè)生產中的加熱過程。應用：這種系統(tǒng)大多用于地熱蒸汽中不凝結氣體含量很高的場合，或者綜合利用于工農業(yè)生產和人民生活的場合.33(2)凝汽式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)為提高地熱電站的機組出力和發(fā)電效率，通常采用凝汽式汽輪機地熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，由于蒸汽在汽輪機中能膨脹到很低的壓力，因而能做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，并在其中被循環(huán)水泵打入冷卻水所冷卻而凝結成水，然后排走。在凝汽器中，為保持很低的冷凝壓力，即真空狀態(tài)，設有兩臺帶有冷卻器的射汽抽氣器來抽氣，把由地熱蒸汽帶來的各種不凝結氣體和外界漏入系統(tǒng)中的空氣從凝汽器中抽走。342．地下熱水發(fā)電兩種方式：閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)；雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)（1）閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)：直接利用地下熱水所產生的蒸汽進入汽輪機工作。也叫做減壓擴容法地熱發(fā)電系統(tǒng)。類型：可以分為：1）單級閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)(又包括濕蒸汽型和熱水型兩種)；2）兩級閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)；3）全流法地熱發(fā)電系統(tǒng)；35（2）雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)：利用地下熱水來加熱某種低沸點工質，使其產生蒸汽進入汽輪機工作。雙循環(huán)地熱發(fā)電也叫做低沸點工質地熱發(fā)電或中間介質法地熱發(fā)電，又叫做熱交換法地熱發(fā)電。在這種發(fā)電系統(tǒng)中，低沸點介質常采用兩種流體；一種是采用地熱流體作熱源；另一種是采用低沸點工質流體作為一種工作介質來完成將地下熱水的熱能轉變?yōu)闄C械能。所謂雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)即是由此而得名。常用的低沸點工質有氯乙烷、正丁烷、異丁烷、氟利昂—11、氟利昂—12等。36地熱發(fā)電示意圖37地熱發(fā)電示意圖238背壓式汽輪機地熱蒸汽發(fā)電系統(tǒng)39地熱電站外景圖40地熱發(fā)電示意圖341第四節(jié)世界地熱發(fā)電概況一、世界地熱發(fā)電歷程：1904年，意大利在拉德瑞羅建立起世界上第1座小型地熱蒸汽試驗電站；1913年正式投運（250kw）。自1958年起，美國、墨西哥、前蘇聯(lián)、日本、菲律賓、薩爾瓦多、冰島和中國先后開始進行地熱發(fā)電的研究試驗和開發(fā)建設，但發(fā)展速度不快。特別是20世紀80年代以來，世界地熱發(fā)電裝機容量增加迅速：1990年，由1980年的2388Mw增加為5827.55MW，增幅達1.44倍；1998年，又增加到8239MW，比1990年增加了2372MW，增幅達41.38％。42一、世界地熱發(fā)電歷程：

迄今為止，全世界至少已有83個國家已經開始開發(fā)利用地熱資源或計劃開發(fā)利用地熱資源；約有50個國家統(tǒng)計了地熱能利用數(shù)量；有21個國家利用地熱發(fā)電，約有250個地熱電站。1998年，全世界地熱發(fā)電裝機容量為8239MW，其中美國2850MW，居第1位；菲律賓1848MW．居第2位：意大利769MW，后第3位；墨西哥743MW，后第4位；印度尼西亞590MW，居第5位。目前世界上最大的地熱電站：美國加州的吉塞斯地熱電站，總裝機容量達1918MW。43二、世界上地熱發(fā)電裝機容量較大的國家

簡要介紹1．美國1998年，美國2850MW，投入使用的地源熱泵空調系統(tǒng)已超過50多萬套，冬季采暖，夏天降溫，可以削減尖峰用電負荷40％左右。吉塞斯地熱已有40年的歷史，目前已成為美國也是世界最大的地熱發(fā)電基地，所采取的地熱發(fā)電技術以安全可靠、發(fā)電成本低、環(huán)境影響小著稱。44美國地熱發(fā)展具體目標(1)國內地熱發(fā)電方面。到2010年，達到均地熱能供應700萬個美國家庭、共約1800萬人需用的電力．(2)國內地熱直接利用方面。(3)國際地熱開發(fā)方面。(4)地熱開發(fā)利用技術方面。(5)未來地熱資源方面。45

2、菲律賓菲律賓擁有豐富的地熱資源，1991年12月被確認的地熱資源蘊藏量為140萬kW，主要分布在呂宋島南部、萊特島、民答那峨島東部等地。開發(fā)最早的為呂宋島東南部的蒂威地熱田，早在1968年就利用200m深的地熱井產生的蒸汽成功地進行了發(fā)電。1976年，非律賓開始商業(yè)性地熱鉆井，到1980年地熱發(fā)電裝機容量即迅速發(fā)展到446MW，超過意大利，僅次于美國，居世界第2位。98年時達1848MW．到1996年，地熱發(fā)電的裝機容量和發(fā)電量，已分別占到全國總量的13％和23％。在菲律賓國家電力公司制定的電力發(fā)展15年規(guī)劃中，2005年前新增發(fā)電裝機容量中的18％為地熱發(fā)電。463、冰島

1997年冰島的一次能源消費量為254.1萬t石油當量．其中48.1％由地熱能供應，如此大的比例在世界各國中是罕見的。前些年，冰島的地熱發(fā)電量即已占到全國總發(fā)電量的6％，到2000年超過15％，這樣高的比例在工業(yè)發(fā)達國家是沒有的。474．哥斯達黎加

哥斯達黎加把“2000年90％的電力來自可再生能源”的目標作為其綠色經濟增長總體計劃的一部分。據(jù)1995年1月統(tǒng)計，正在運行的地熱電站裝機容量為60MW，年發(fā)電量為447GWh，分別占全國總量的6％和9％。到2000年地熱發(fā)電裝機容量達到170MW，年發(fā)電景將達到1226GWh，分別占全國總量的10％和14.6％，地熱發(fā)電與水力發(fā)電臺計的裝機容量占到全國總量的87.4％、年發(fā)電星占到全國總量的88.3％，基本達到計劃目標；485、日本

據(jù)日本地熱協(xié)會的統(tǒng)計，截至1997年3月31日，全日本地熱發(fā)電裝機容量為530MW，占全國總發(fā)電裝機容量的0.22％。到2010年的目標，是把地熱發(fā)電的裝機容量發(fā)展到2800MW，占屆時全國總發(fā)電裝機容量的1％。日本地熱利用的研究開發(fā)十分活躍，正在進行的研究項目有：推進地熱資源的普及；小型雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)的試驗示范；裂隙型熱儲勘探方法的開發(fā)；深層熱儲的調查；開發(fā)10MW級雙循環(huán)地熱示范電站；地熱井兆瓦級系統(tǒng)的開發(fā)；干熱巖發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，包括深層熱儲鉆井與生產工藝的開發(fā)等。49第五節(jié)中國地熱發(fā)電一、中國地熱利用概況中國地熱能的開發(fā)利用，在20世紀50年代以前，主要是應用于醫(yī)療和洗浴；自20世紀60年代起，開始應用于上農業(yè)生產；20世紀70年代以來，地熱能作為新能源的一種，已擴大到用于發(fā)電、工業(yè)加工、比用采暖、農業(yè)溫室、農田灌溉、水產養(yǎng)殖、醫(yī)療衛(wèi)生以及旅游業(yè)等諸多方面，應用范圍越來越廣，取得了明顯的節(jié)能效益、經濟效益和環(huán)保效益。到1998年底，中國的地熱發(fā)電裝機容量達32MW，居世界第13位；中國的地熱直接利用設備總功率達2443MW，居世界前列。50

二、中國地熱發(fā)電現(xiàn)狀中國地熱發(fā)電的研究試驗上作開始于20世紀70年代初。30余年來的發(fā)展經歷了兩大階段：（1）1970—1985年期間，為以發(fā)展低溫地熱試驗電站為主的階段；（2）1985年以后，進入發(fā)展商業(yè)應用高溫地熱電站的階段。我國目前地熱電站分布表51中國中、低溫地熱試驗電站簡介1970年，廣東省豐順縣鄧屋建立起中國第一座閃蒸系統(tǒng)地熱試驗電站，利用91℃的地熱水發(fā)電，機組功率為86kw。隨后，江西省宜春市溫湯和河北省懷來縣，也相繼建設起雙循環(huán)系統(tǒng)地熱試驗電站。20世紀70年代中后期，湖南省灰湯、遼寧省熊岳以及山東省招遠又先后建成閃蒸及雙循環(huán)系統(tǒng)地熱試驗電站。所有這些電站發(fā)電機組的功率都不大，從50—300kw不等；地熱水溫度均較低，從61—92℃不等。簡況表52中國高溫地熱電站日前中國高溫地熱電站主要集中在西藏地區(qū)，總裝機容量為27.18Mw，其中羊八井地熱電站裝機容量為25．18Mw，朗久地熱電站裝機容量為1Mw，那曲地熱電站裝機容量為1MW。據(jù)不完全統(tǒng)計，西藏地熱顯示區(qū)達７００多處，其中可供開發(fā)的地熱顯示區(qū)３４２處，絕大部分地表泉水溫度超過８０攝氏度，地熱資源發(fā)電潛力超過１００萬千瓦。西藏地熱發(fā)電總量占拉薩電網的３０％左右，且地熱發(fā)電成本遠遠低于水電。53羊八井地熱電站介紹羊八升地熱電站是中國自行設計建設的第1座用于商業(yè)應用的、裝機容量最大的高溫地熱電站，總裝機容量為25.18Mw。年發(fā)電量約達l億kwh，占拉薩電網總電量的40％以上．對緩和拉薩地區(qū)電力緊缺的狀況起了重要作用。電站利用145℃左右的地熱水(汽水混和物)發(fā)電，向92km以外的拉薩地區(qū)供電。羊八井地熱電站包括第一電站和第二電站兩部分。54第一電站由l臺lMW機組(1號機組)和3臺3MW機組(2號、3號和4號機組)構成。1號機組于1977午10月10日投入運行，2號和3號機組分別于1981年12月和1982年11月建成并投入發(fā)電。1985年又擴建了4號機組；至此，第一電站的總裝機容量達到10MW。5520世紀80年代中期，開始建造第二電站。站址位于羊八井地熱田北部、中尼公路以北約45km處，距第一電站約3km。該電站一期工程安裝了1臺日本生產的3.18MW機組，自動化程度較高，以后，又安裝了4臺功率各為3MW的國產機組。目前，第二電站的總容量為15.18MW。到2002年底，整個羊八井地熱電站的總裝機容量為25.18MW。56羊八井第一電站1號機組是最初的試驗機組，采用單級擴容法發(fā)電系統(tǒng)。以后建造的臺3MW