1、地热能发电原理,信电10-5 蒋军,1.1什么是地热能,地热能Geothermal Energy是由地壳抽取的天然热能，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。地球内部的温度高达7000，而在80至100公英里的深度处，温度会降至650至1200。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1至5公里的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。地热能是可再生资源。 离地球表面5000米深，15以上的岩石和液体的总含热量，据推算约为14.51
2、0 25焦耳（J），约相当于4948万亿吨（t）标准煤的热量。地热来源主要是地球内部长寿命放射性同位素热核反应产生的热能。,1.2地热能的划分及分布,按照其储存形式，地热资源可分为蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和熔岩型5大类。地热资源按温度的划分。中国一般把高于150的称为高温地热，主要用于发电。低于此温度的叫中低温地热，通常直接用于采暖、工农业加温、水产养殖及医疗和洗浴等。 地热能集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。世界地热资源主要分布于以下5个地热带： 环太平洋地热带。世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界，即从美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，
3、从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多地热田都位于这个地热带，如美国的盖瑟斯地热田，墨西哥的普列托、新西兰的怀腊开、中国台湾的马槽和日本的松川、大岳等地热田。,地中海、喜马拉雅地热带。欧亚板块与非洲、印度板块的碰撞边界，从意大利直至中国的滇藏。如意大利的拉德瑞罗地热田和中国西藏的羊八井及云南的腾冲地热田均属这个地热带。 大西洋中脊地热带。大西洋板块的开裂部位，包括冰岛和亚速尔群岛的一些地热田。 红海、亚丁湾、东非大裂谷地热带。包括肯尼亚、乌干达、扎伊尔、埃塞俄比亚、吉布提等国的地热田。 其他地热区。除板块边界形成的地热带外，在板块内部靠近边界的部位，在一定的地质条件下也有高热流
4、区，可以蕴藏一些中低温地热，如中亚、东欧地区的一些地热田和中国的胶东、辽东半岛及华北平原的地热田。,1.3人造地热,人造地热能EGS(Enhanced Geothermal Systems)是为了解决全球暖化对于干净能源的大量需求而逐渐成为21世纪显学的一种新方法，最初概念70年代已经提出但是一直没有受到重视，因为地热分布地区极为受限，于是有人提出采用深度钻孔技术于任何地方钻至靠近地底熔岩附近300度以上的区域，至少钻2井一井注入热水一井收回地热蒸气发电，如果成本允许钻更多回收井则可以减少散失蒸气；增加发电效能。 虽然原理简单但是由于所需井深极深达5公里以上，又要通过许多坚硬花岗岩地壳，传统冲
5、钻法需磨损数百具高价钻头成本太大，而地底状况难以掌握有可能钻出水汽不能流通的废井，加上地热在大众媒体关注不如太阳能和风力高，诸多因素使人不愿投资而停于实验阶段。 但是新兴科技例如水热钻机、等离子钻机的概念已经提出，钻井成本有望大幅下降，届时地热能不受位置和气候影响能提供24小时稳定基载电量的特性，建设时间、成本和大众疑虑又远低于核能；很有望成为最具竞争力绿色能源和全球暖化的解救方案。,1.4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、200400直接发电及综合利用； 2、150200双循环发电，工业干燥，工业热加工； 3、10015
6、0双循环发电，供暖，工业干燥，脱水加工，回收盐类； 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，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。,2.地热发电原理及技术难题,地热发电是地热利用的最重要方式。高温地热流体应首先应用于发电。 地热发电和火力发电的原理是一样的，都是利用蒸汽的热能在汽
7、轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电。所不同的是，地热发电不象火力发电那样要装备庞大的锅炉，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。要利用地下热能，首先需要有“载热体”把地下的热能带到地面上来。目前能够被地热电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。根据可利用地热资源的特点以及采用技术方案的不同，地热发电主要划分为地热蒸汽、地下热水、联合循环和地下热岩四种发电方式。,地热发电系统简易图,2.1 地热蒸汽发电 2.1.1背压式汽轮机发电工作原理为：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
8、杂质，然后使蒸汽推动汽轮发电机组发电，排汽放空（或送热用户）。这是最简单的发电方式，大多用于地热蒸汽中不凝结气体含量很高的场合，或者综合利用于工农业生产和生活用水。 2.1.2 凝汽式汽轮机发电为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率，做功后的蒸汽通常排入混合式凝汽器，冷却后再排出，在该系统中，蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，所以能做出更多的功，系统原理见图（3）。该系统 适用于高温（160以上）地热田的发电，系统简单。,背压式汽轮机地热蒸汽发电系统,干蒸汽：干蒸汽也叫过热蒸汽，是将达到饱和状态的蒸汽进一步升温得到的， 因此干蒸汽是含有极高能量的气态水。,2.2地下热水发电2.2.1闪蒸地热
9、发电工作原理：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。汽轮机排出的蒸汽在混合式凝汽器内冷凝成水。送往冷却塔。分离器中剩下的含盐水排入环境或打入地下，或引入作为第二级低压闪蒸分离器中，分离出低压蒸汽引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。用这种方法产生蒸汽来发电就叫做闪蒸法地热发电。它又可以分为单级闪蒸法、两级闪蒸法和全流法等。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
10、的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。,两级闪蒸发电系统,全流法:它比闪蒸地热发电系统中的单级闪蒸法和两级闪燕法地热发电 系统的单 位净输出功率可分别提高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。为了获得全流系统的优 越性能，脚胀机的效率必须达到70%以上，但目前的 实脸机组还没有达到这一指标。因此，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
11、发电 系统仍未进人商业应用阶段。,2.2.2中间介质法地热发电工作原理：通过热交换器利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气轮机，并带动发电机发电。因此，在这种发电系统中，采用两种流体：一种是采用地热流体作热源，它在蒸汽发生器中被冷却后排人环境或打入地下；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质（如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷等），这种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化，产生的低沸点工质蒸汽送入汽轮机发电机组发电。做完功后的蒸汽，由汽轮机排出，并在冷凝器中冷凝成液体，然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。这种发电方法的优点是，利用低温位
12、热能的热效率较高，设备紧凑，汽轮机的尺寸小，易于适应化学成分比较复杂的地下热水。,缺点是，不象扩容法那样可以方便地使用混合式蒸发器和冷凝器；大部分低沸点工质传热性都比水差，采用此方式需有相当大的金属换热面积；低沸点工质价格较高，来源欠广，有些低沸点工质还有易燃、易爆、有毒、不稳定、对金属有腐蚀等特性。 此种系统又可分为单级双流地热发电系统、两级双流地热发电系统和闪蒸与双流两级串联发电系统等。 单级双流发电系统发电后的热排水还有很高的温度，可达5060。两级双流地热发电系统，就是利用排水中的热量再次发电的系统。采用两级利用方案，各级蒸发器中的蒸发压力要综合考虑，选择最佳数值。如果这些数值选择合理
13、，那么在地下热水的水量和温度一定的情况下，一般可提高发电量20左右。这一系统的优点是，能更充分地利用地 下热水的热量，降低电的热水消耗率；缺点是，增加了设备的投资和运行的复杂性。,2.3联合循环发电联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于150的高温地热流体发电，经过一次发电后的流体，在不低于120的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，充分利用了地热流体的热能，既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大节约了资源。该机组目前已经在一些国家安装运行，经济和环境效益都很好。该系统从生产井到发电，再到最
14、后回灌到热储，整个过程都是在全封闭系统中运行的，因此即使是矿化程度很高的热卤水也可以用来发电，不存在对环境的污染。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。,2.4利用地下热岩石发电2.4.1 热干岩过程法 与那些只从火山活动频繁地区的温泉中提取热能的方法相比，热干岩过程法将不受地理限制，可以在任何地方进行热能开采。首先将水通过压力泵压人地下4到6km深处，在此处岩石层的温度大约在200左右。水在高温岩石层被加热后通过管道加压被提取到地面并输入个热交换器中。热交换器推动汽轮发电机
15、将热能转化成电能。而推动汽轮机工作的热水冷却后再重新输入地下供循环使用。这种地热发电成本与其它再生能源的发电成本相比是有竞争力的，而且这种方法在发电过程中不产生废水、废气等污染，所以它是一种未来的新能源。 运用这种新方法发电的首座商用发电厂去年已在瑞士城市巴塞尔建成。该电站将能为周边的5000个家庭提供3万千瓦热能和0.3万千瓦电能。,2.4.2 岩浆发电 在现在的地热发电中，地热储层中的热源是地下深部的融熔岩浆。所谓岩浆发电就是把井钻到岩浆，直接获取那里的热量。这一方式在技术上是否可行，是否能把井钻至高温岩浆，人们一直在研究中。到目前为止，在夏威夷进行了钻井研究，想用喷水式钻头把井钻到岩浆温
16、度为10201170的岩浆中，并深入岩浆29m，可就此也只是浅地表的个别情况，如果真正钻到地下几千米才钻到岩浆，采用现有技术也是很难实现的。另外，从岩浆中提取热量，只进行了理论研究。,2.5地热发电的技术难题 目前，有3个重大技术难题阻碍了地热发电的发展，即地热田的回灌、腐蚀和结垢。 地热水中含有大量的有毒矿物质。例如我国羊八井的地热水中含有硫、汞、砷、氟等多种有害元素，地热发电后大量的热排水直接排放，会对环境产生恶劣影响。地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源，通过地热回灌井重新注回热储层段的方法。回灌不仅可以很好地解决地热废水问题，还可以改善或恢复热储的产热能力，保持热储的流体压力，维持
17、地热田的开采条件。但回灌技术要求复杂，且成本高，至今未能大范围推广使用，如果不能有效解决回灌问题，将会影响地热电站的立项和发展因此，地热回灌是亟需解决的关键问题。,地热流体中含有许多化学物质，其中主要的腐蚀介质有溶解氧(O2 ) 、 H+ 、 Cl- 、 H2S 、 CO2 、 NH3和SO42- ，再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响，地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响，直接影响设备的使用寿命。地热电站腐蚀严重的部位多集中于负压系统，其次是汽封片、冷油器、阀门等。腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈。 常见的防腐措施如下：使用耐腐蚀的材料，采用不锈钢材质的设备及部件，但这种措
18、施往往成本较高。对腐蚀部件的金属表面涂敷防腐涂料，但涂层一旦划破，会加速金属材料的腐蚀。采取相应的密封措施，防止空气中的氧进入系统。针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐措施，例如选材时应尽量避免异种金属相互接触，以避免电偶腐蚀。,由于地热水资源中矿物质含量比较高，在抽到地面做功的过程中，温度和压力会均发生很大的变化，进而影响到各种矿物质的溶解度，结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢。如在井管内结垢，会影响地热流体的采量，加大管道内的流动阻力进而增加能耗；如换热表面结垢，则会增加传热阻力；垢层不完整处还会造成垢下腐蚀。常用的防止或清除结垢的措施有：用HCl和HF等溶解水垢，为了防止酸液对管材的腐
19、蚀必须加入缓蚀剂；采用间接利用地热水的方式，在生产井的出水与机组的循环水之间加1个钛 板换热器，可以有效防止做功部件腐蚀和结垢，但造价很高；采用深水泵或潜水泵输送井中的流体，使其在系统中保持足够的压力，在流体上升过程和输送过程中不发生气化现象，从而防止碳酸钙沉积；选择合适的材料涂衬在管壁内，以防止管壁上结垢。,3.我国地热资源及发电概况,通过地质调查，全国已发现地热异常3200多处，其中进行地热勘查的并已对地热资源进行评价的地热田有50多处。全国已打成地热井2000多眼。 发现高温地热系统255处，主要分布在西藏南部和云南、四川的西部。在西藏羊八井地热田ZK4002孔，孔深2006m，已探获3
20、29.8的高温地热流体。 发现中低温地热系统2900多处，总计天然放热量约为1.041014kJ/a，相当于每年360万吨标准煤当量。主要分布在东南沿海诸省区和内陆盆地区，如松辽盆地、华北盆地、江汉盆地、渭河盆地以及众多山间盆地区。这些地区10003000m深的地热井，可获80100的地热水。,20世纪70 年代初，世界面临第一次石油危机，世界各国普遍重视新能源的开发，中国也掀起了地热能开发的热潮，在全国建成了7 个中低温地热发电厂，并先后都试验发电成功。它们是：广东丰顺县邓屋，92，300kW；湖南宁乡县灰汤，98，300kW；河北怀来县后郝窑，87，200kW；山东招远县汤东泉，98，30
21、0kW；辽宁盖县熊岳，90，200kW；广西象州市热水村，79，200kW； 江西宜春县温汤，67，100kW。 这些中低温地热资源发电，利用的是扩容闪蒸法或双工质循环法。全部发电系统设备主要是利用废旧的小发电机组改造，自行设计了地热管路系统，既没有采用进口设备，也没有聘外国专家，使地热发电首次在中国自主试验成功。虽然发电量较小，没有连接地区电网，仅供当地使用，但至少都成功运行了几年。至70 年代后期，除上述前2 家电厂外，其余的5 处陆续关停。,另一方面， 高温地热的蒸汽发电于20 世纪70年代中期开始在西藏进行。1976 年成立了西藏地热地质大队，开始在羊八井地热田勘探，地热电厂的设计和筹
22、建工作也在同步进行。随着第一批高温地热井的钻成，井口喷出150160的两相（蒸汽+热水）地热流体，1977 年国庆节前夕，1000kW 高温地热发电试验机组试验发电成功。由此，地热勘探和电厂建设同时进行，至1991 年期间，陆续完成8台机组安装，使羊八井地热电厂达到25.1MW 的总装机容量。羊八井地热电厂被誉为世界屋脊上的一颗明珠，在当时拉萨电力紧缺的状况下，曾担负拉萨平时供电的50%和冬季供电的60%，至今年发电1.2108kWh 左右。除羊八井之外，西藏阿里地区朗久地热电厂于1983 年建厂，1985 年投产2MW 装机； 那曲地热电厂于1993 年建厂，1994 年投产1MW 装机。前
23、者因地热井产汽量不足，后维持1 台机组400kW 出力间断运行；后者1999 年因井口结垢堵死而停运。目前我国地热发电量，居世界地热发电排名第15 位。,羊八井地热电站,4.地热开采对环境的影响,4.1 空气污染 在开发地热能的过程中，热流体中所含的各种气体和悬浮物将排人大气中，对周围环境造成影响。对环境影响较大的气体主要有 H2S 、 CO2 。 H2S气体对人体危害较大，浓度低时能麻痹人的嗅觉神经，浓度高时可使人窒息而死亡。 CO2也有一定的窒息作用，最主要的是其对气候的温室效应。较高的 H2S含量一般发生在高温地热田中。中低温热田中的H2S含量较少。在利用高温蒸汽发电时，大量的H2S气体
24、逸出。 H2S气体在通风条件较好的地方，一般不会造成事故，但在井口随意放喷时，使热流体中的H2S气体散布于大气中，在较长的时间段，不但对人体有害，还对电气设备及其它设施造成腐蚀。含H2S的地热尾水直接排人水体，鱼类和藻类的生存也将受到影响。现在一些国家，对新建的地热发电站，要求引人保护环境的表面接触式冷凝器，设置除 H2S的装置，并要求对污渣进行处理。,4.2 化学污染 地热水的形成一般为大气降水经过地下深循环，与围岩进行化学物质交换，围岩中各种化学组分进人水体 使地热水中含有对环境有益和有害的常量成分、撒量成分及放射性成分。通过不同地区的地热开发，我们发现在这些成分中对环境和生态造成拓染的主
25、要有：盐类的污染和有害元素的污染等。 (1)盐类的拓染地热水大多数矿物质的溶解度随温度的升高而增大，因此在地热水中，一般含有较高的总固体、氟化物、氯化物等物质。这些高盐度的地热水和上述有关的环境标准比较，均超过标准中所规定的含量。如果地热能被利用后，弃水作为灌溉水来源，高盐度的水将引起土壤盐渍化和土地板结。高盐度的热水在回灌和供暖时，随着温度的降低将产生结和化学垢沉淀物，使管径缩小而被堵塞。,(2)有害元素的污染由于长期的水一岩作用，使地热水中含有多种重金属元素和其它微量元素，其含量超过饮用水水质标准或其他一些标准。这些热水给环境和生态带来不利影响，如F、B、As；等。如果未经处理，进行灌溉和
26、养殖，对粮作物及鱼类危害很大，即使排入河流中，对水体也将造成污染。还会由于水体、鱼类、粮作物中有毒物质的长期富集并通过食物链直接或间接地对人体和生物造成危害。 4.3 热污染 目前我国的地热资源大多以单一利用为主，当热能利用后，尾水温度仍很高。在我国西藏羊八井热田，由于弃水温度高达70-80 ，白1978年开始开采，到1992年，地热电站二分厂厂部附近约2 000 m2的地面，温度升至4O90 。华北有些地区，如天津、河北雄县废水温度达40。这些尾水的排放，促使局部空气和水体的温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长造成热污染。,4.4 噪声污染 噪声污染一般是由钻探和地热井放喷造成的。在钻
27、探过程中，各种机械噪声高达90dB，干热田钻进的噪声可能达80 dB(相当于喷气式飞机起飞的水平)，这对居民区和钻工的身体造成影响。另外地热井放喷时其噪声值可达120 dB以上虽然时间较短，但其尖声也使人的耳朵受到伤害，使野生动物和家禽受到影响。 4.5 地面沉降 几乎从任何热储中长期抽出流体都有可能导致可以监浏到的地面沉降。地热流体也是一样，当地热流体的抽出量超过天然补给量时，地面沉降发生，其实际沉降量取决于抽出的流体量和热储岩石的强度。具有最佳地面沉降记录材料的一例是新西兰的怀拉基地热区，这个地区在1956年井孔试验开展以后就开始了地面沉降的测量工作。1964 1974年期间的地面沉降量最
28、大，大约为4.5m，影响范围达65 km 2 。并且发生了水平运动，最大水平移动为0.4 m。在加利福尼亚盖瑟尔斯也观察到了向心沉降的相似背景。且局部水平运动的幅度与垂直下沉的幅度大体一样，这说明了热储由于内压力的降低在垂直和水平方向上都发生了收缩。,我国天津市根据市区沉降测量表明，开采300m深度以下地下水。对地面沉降影响约占总沉降量的35 5O。长期的超量开采地热能及水位下降引起盐水入侵，造成热泉和喷气孔等地面自然现象消失，地面活动改变。我国羊八井著名的热泉消失是很好的一例。 4.6 地震活动 地热异常区多数是现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳构造运动活跃地区。这意味着地热资源开发一般发
29、生在自然断裂通道和活断层上，即区域地震活动性强的地区。当抽取和注人流体时，一旦流体压力超过启动断层运动所需的临界值时，就会诱发地震。现有的资料表明，由于地热流体的抽取或回灌而诱发的明显地震比较罕见，而且即使地震发生，一般是轻微的，不会对地面设施生影响。 针对地热开发利用中可能产生的环境问题，需要在开发之前进行环境评价，在开发和利用过程中要对地热尾水等进行必要的处理和合理的排放。,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。,谢谢,
