地热能

地热资源概况地球是一个半径平均约为6370km的实心球体。按其结构从地表到地心可分为三层：地壳、地幔和地核。位于地幔、地核的熔融岩浆具有丰富的热能，而且地球内部放射性物质的不断衰变也放出大量热能。地球通过频繁的火山、地震将一部分内部能量释放到地表；另外，地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深地热资源概况处带至近表层，有些地方，热能随着自然涌出的热蒸汽和水到达地面。这种能量的储量非常大。不过，地热能的分布相对来说比较分散，开发难度大。实际上，如果不是地球本身把热能集中在某些地区（一般来说是那些与地壳构造板块界面有关的地区），用目前的技术水平是无法将地热能作为一种能源和发电能源来使用的。地热资源概况地球内部可供开发利用的热能称为地热能资源。严格地说，地热能不是一种可再生能源，而是一种象石油一样是可开采的能源，最终的可开采量将依赖于所采用的技术。将水（传热介质）重新注回到含水层中可提高再生的性能，使含水层不枯竭。地热资源概况在这个问题上没有明确的结论，因为有相当一部分地热点可采用某种方式进行开发，让提取的热量等于自然补充的能量。实事求是地讲，任何情况下，即使从技术上来说，地热能不是可再生能源，但全球地热资源潜量十分巨大，因此问题不在于资源规模的大小，而是在于是否有适合的技术将这些资源有效地开发出来。地热资源概况一般说来，深度每增加1000m，地球温度就增加3℃左右。然而，在某些地区，地壳构造活动可使热岩或融岩到达地球表面，从而在技术上可以达到的深度上形成许多温度较高的地热资源储存区。人们在研究地热能资源形成条件及寻找和勘探地下热汽与热水的过程中，常用地热梯度值和热流值两地热能资源的特性：地热资源概况地热梯度值是指地下等温面法线向地心方向单位距离的温度增加值，以℃/m或℃/km表示。热流密度或热流值是指单位时间通过地球单位表面面积散失的热量，以J/cm2*s或W/cm2表示。个指标来区分地热正常与地热异常区域。而事实证明，有地热能资源的地方总是存在地热异常。地热资源概况根据已有的资料，全球地壳的平均地温梯度值为1.5-3.0℃/km，平均热流值为5.9-6.3W/cm2。地温梯度值与热流值接近上述平均值的地区属于地热正常区，高于上述平均值的，都是我们通常所说的地热异常区。地热资源概况地球蕴藏的大量热能均匀地向外散发是不会构成地热异常的。只有在地球内部地壳深处不很大的局部地区存在大热源，且地壳构造异常，造成较大的地热梯度值和热流值，才有可能形成地热能资源区。因此，空间储热是形成地热资源的重要条件。要提取和利用这些热能，需要有一个载体将这些热能输到热能提取系统。这个载体就是渗透性构地热资源概况造内形成热含水层的地热流，也就是地下水的深循环，这里是否会出现地热田的关键是地质构造。如果地下水在地下压力作用下沿缓慢倾斜的地层或者构造通道向外运动，向周围的低温岩层散热，可达到温度平衡，便不会形成地热异常，也不会形成地热田。相反，如果地热水沿较陡的倾斜地层或近于垂直的断裂带系向外涌出，因具有很大的速度，来地热资源概况不及向周围的低温岩层散热达到热平衡，便在热水上漏的主要通道附近形成局部地热异常。这种含水层或储热层称为地热田。地热能资源的贮存形式及分类：地热资源有四种形式：热液（蒸汽、热水），地热增压水（地压型），干热岩体和岩浆型。尽管它们具有不同的物理特性，但如果可以获得足够的地热资源概况热量保证电站的经济运行，则各种形式的资源都可以用于发电。热液资源这是目前唯一实现商业应用的资源，这些热水或蒸汽贮藏在浅层到中深层多孔的岩体内。根据占主导地位的流相，又可分为以气相为主（蒸汽）和以液相为主（热水）两类。用于发电的热液温度范围为90-350℃以上，估计约有2/3的地热资源概况热液资源属于中等温度范围（150-200℃），较高质量的是含有少量液体或不含液体的地热蒸汽资源。热水型是单相的热水，按温度分为高温(250℃)、中温(90-150℃)、低温(25-90℃)。这种热田分布极广，热能既可以直接利用，也可以用热泵技术开发。地热资源概况地热蒸汽资源的根本特点是排放蒸汽。蒸汽压力基本不随着深度变化而改变。蒸汽排放的初阶段可能是湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽，但随着开采的进行，蒸汽逐渐变干或过热度变大。这类地热田的形成一般与火山或岩浆活动有关，有强大的热源补给，而地下水的补给适中，蒸汽储存在其天然状态下含有的不流动或微流动的水中。地热资源概况地热增压水资源（地压型）是含有储存于高压下的沉积结构内的溶解甲烷的含水层。在地表下3-6km的深处，被不透水层封闭在深部沉积盆地中储存，地压可达几百个大气压。地压热能资源中的能量实际上有三种形式：从受热液体中提取热能、从高压流体中提取液压能（机械能），从燃烧溶解的甲烷气中提取化学能。这种地热资源温度范围在地热资源概况90-200℃，但很少有高于150℃的。干热岩体泛指地下普遍存在不深的没有水或含水很少的热岩体。干热岩体资源实际上是没有极限的。干热岩体开采技术的基本概念是形成人造地热田，既开凿通入温度高、渗透性低岩层中的深井，然后利用液压和爆破碎裂法形成一个大的热交换系统。这样注水井和采水井便通过人造地热田形地热资源概况成一个循环回路，水便通过破裂系统进行循环。熔融岩浆是温度为700-1200℃的溶化岩石。岩浆中蕴含着巨大的潜在能源，是所有地热资源中潜能最大的，但它位于远离地表的地方，提取能量最困难。这种资源目前尚未开发，美国这方面的研究计划也已于1991年终止，有待于今后进一步开发研究。地热能资源的勘查与评价地热能资源的勘查方法有：地球化学勘查、地球地理勘查及探钻。地球化学勘查是通过检验地壳或温泉中的某些化学元素（As，Hg等）含量来圈定地热异常区及确定地热田的勘探开发的前景。这是由于高温地热水对岩石热蚀便会出现蚀变矿物。还可利用温泉水水质检验得到的SiO2、Ca、Mg、Na、K等元素和化学成分按地球化学温标的公式来计算地热能资源的勘查与评价热储温度，以确定地热田是否有开发价值。地球物理勘查方法很多：地温测量，即通过热敏电阻测温仪测量井内温度垂直分布，进而圈定出地热异常分布的范围；航空红外测量，即利用红外线可在很短时间内了解大范围的地热情况及其地热活动和温度分布；磁法勘查，在地热异常地区同一岩性层内往往显示低磁异常；重力勘查，由重力高低能确定和地热能资源的勘查与评价地热条件有关的地质构造特征；电法勘探，采用电阻率法圈定热储面积，因为岩石的电阻率除与岩性、热水矿化度有关外，与温度也有密切关系；地震勘探，地震资料能较准确地了解岩层及基岩埋深、断裂展布和结构圈闭等，但不能直接圈定热储面积，应与地温资料结合起来分析。钻探是获得地热流体的重要手段。通过钻探验证物、化勘探成果地热能资源的勘查与评价可使地热勘查区的地质情况更为准确和接近实际。通过钻探还可了解热储孔隙度、比热、导热率及渗透率等。地热能资源评估是估算能从热储中取出的地热能的量。开发地热田前必须在地热勘查成果基础上作出资源评价。地热资源评价包括地热能资源量及地热流体化学质量的评价。地热能资源量是决定地地热能资源的勘查与评价热田有开发利用价值的重要指标。此外，地热流体化学成分不仅影响地热田的开发利用，并对医疗价值及环境污染有重要影响。地热能利用状况在所有地热资源中，热液是技术比较成熟的，成本也具有竞争性，目前也是唯一实现商业性使用的地热资源。岩浆、地热增压和干热岩体资源的开发应用现在仍处于试验阶段，尽管对后两种形式的资源应用已做了成功的技术性试验，其能量提取技术也已得到了试验性验证。英国、日本、法国、德国、美国、俄罗斯等国家都在进行干热岩体资源地热能利用状况的开发技术研究工作；美国还是唯一一个目前从事地热增压水资源研究的国家。地热能利用状况热液资源的开发从勘探开始，即先圈划和确定具有从经济上来说可开发的温度、储量和可及性的资源的位置。利用地球科学（地质学、地球物理学和地球化学）来确定资源储藏区、对资源状况进行特征辨别及最佳地选择井位等。地热开发中所用的钻井技术基本上是由石油工业派生出来的。为了适应高温环境下的工作要求，对某些石油钻井的关键地热能利用状况技术进行了改进。目前研究人员正努力研究能适应高温、高盐度和有化学作用的地热环境的先进方法和材料，以及能预报地热储藏层情况的更好方法。以前大部分地热储量是根据像温（热）泉那样的地表现象发现的，现在依靠火山学图集、评估岩石密度变化的重力仪、电子学法、地震仪、化学地热计、次表层测绘、温度测量、热流测量等技术。地热能利用状况勘探钻井和试采是为了探明储藏层的性质。地热水既可以用自流井的方法开采（即凭借环境压力差将热流从深井压至地面），也可以用水泵抽水到地面。前一种情况下，热流会“闪电般”的变成两相（即气相和液相），而用泵抽吸时，流体始终保持为液态。选用什么样的生产方式，要视热流的特性和热能的转换系统的设计而定。地热能利用状况地热田一般适合“分阶段”开发。在热田的初期评估阶段，可适度建规模较小的工厂，以便根据已掌握的资源情况能够很有把握地使其运转起来。其他形式的地热能在勘探阶段还有特殊要求。如勘测岩浆矿床除了地震方法之外，还需要更好的传感测量技术；开采地热过压能需要高压技术和使用稠重型钻井泥浆，勘探开采热岩体资源需要在非地热能利用状况常坚硬的岩体上钻深井和制造一个可使液体在里面循环的人造热交换断裂层构造，需要一个或多个便于流体进出的深井井口装置。现在还没有研究出成功的岩浆钻井技术。岩浆开发将需要专门的钻井技术，以解决钻头和岩浆的相互作用问题、溶解气体的影响问题和岩浆中的热传输机理问题。地热能开发利用方式地热能的利用有直接利用和间接利用两种。间接利用主要是利用高温地热发电，以150℃以上的高温地热能为好。直接利用一般是指对温度低于150℃的地热流体的热利用，包括工业上的一些工艺流程的用热，农副产品加工中的用热农林牧渔业中的温室种植、养殖用热，民间的采暖、医疗、沐浴、生活用水、游泳等。地热能开发利用方式在最近10年中，热液能利用发展最快的是间接利用地热能发电。下面着重介绍一下地热发电。地热发电是把地热能转变为机械能，然后再把机械能转化为电能的生产过程。目前能够把地热能带到地面并用于发电的载热介质主要是天然蒸汽和地热水，随着热水和蒸汽的温度、压力以及水、汽品质的不同，地热发电的方式也不一样。在利用地地热能开发利用方式热资源发电时，主要有两大类，一是利用背压式汽轮机循环，一是利用凝汽式汽轮机循环，又可分为干蒸汽发电循环系统、闪蒸蒸汽循环系统、双元循环系统、全流系统和混合型等。背压式汽轮机循环系统蒸汽田如生产超过一个大气压的干蒸汽时可以采用这种发电方式，这也是最简单的发电方式。图5-1是背压式汽轮机循环地热能开发利用方式流程，天然蒸汽首先经过净化分离器，除去蒸汽中挟带的岩粉等固体杂质后进入汽轮机中膨胀作功，乏气直接排往大气。这种发电方式是不经济的。只有在蒸汽中含有大量不凝结气体（CO2、N2、H2S、O2等）以致不能在真空条件下经济运行的情况下采用这种方式；另外，在热田开发初期，为了确定热田基本情况，地热能开发利用方式以便节约初投资或用来就地发电以减少投资时可优先考虑这种方式。这种电站的容量一般都比较小，投资费用低，运行管理也比较简单。1231-地热井2-净化分离器3-背压式汽轮机图5-1背压式循环地热能开发利用方式凝汽式汽轮机循环如图5-2所示，从生产井获取的蒸汽，经过清理，去掉内含的泥沙后，用管道直接输送到蒸汽涡轮机。由于地热天然蒸汽中通常挟带有相当多的不凝结气体，它们随蒸汽经过汽轮机之后，往往积聚在凝汽器中，使汽轮机背压升高，影响蒸汽的正常作功因此地热凝汽式电站都配备有比常规火电站大的抽气器。地热能开发利用方式凝汽式地热电站比背压式地热电站系统要复杂些，管理上要求高，但是由于它的效率高，因此得到广泛的应用，目前这项技术已较为成熟，达到商业化程度。1-地热井2-汽水分离器3-汽轮机4-抽气器5-冷凝器12345图5-2凝汽式循环地热能开发利用方式二次蒸汽循环由于天然蒸汽携带着各种杂质和某些导致腐蚀