第九章地热能

第九章地热能9.1地热能概述地热主要是由地球内部长寿命的微量放射性元素，主要是铀（U）238、钍（Th）232和钾（K）40衰变而放出的热量。这些热能会以热蒸汽、热水、干热岩等形式向地壳的某一范围聚集。图9－1地球的构造地热资源的国内外利用状况1904年，在意大利拉德瑞罗（Lardarello）建成世界上第一台3/4马力的小型地热发电机组。1913年，在拉德瑞罗建成250KW的地热商业电站。1958年，在新西兰怀拉基（Wairakei）首次建成直接利用地热湿蒸汽发电的地热电站。1960年，在美国著名的盖塞斯（Geysers）建成较大型的地热电站。1977年，我国西藏羊八井第一口地热井供汽发电。2001年，羊八井地热电站的总装机容量已达25MW。1973年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始进行干热岩的地热开发试验，1984年建成了世界上第一座10MW的干热岩地热发电站。1984年，日本开始在肘折地区钻井试验，1990年建成干热岩发电厂。日本还建造过两座利用150℃地热水发电的试验电站，功率为1MW。1977年，英国开始在Comwall火山区进行干热岩地热开发研究。1992年，法国开始在Soultz地区进行干热岩开发试验。我国天津大学等单位也开展过地温地热水的发电研究，但由于发电效率较低而无法大规模推广。表9-12005年世界地热利用统计表（资料来源：中国地质调查局网站）9.2我国的地热资源地热资源和地热带地热中能够为人类所利用的那部分，称为地热资源。已查明地热资源或确认地热资源:经过地质调查和地球物探工作，并经钻探验证，地质构造和地热资源储量已查明的地热资源。推测地热资源：经过初步调查或是根据某些地热现象，如温泉、地热等物探资料推测、估算的地热资源。地热资源的储量估算目前采用体积法和积分法两类体积法是根据热储中岩石和水的密度、体积、比热以及平均温度，直接计算出热储区的静态含热量。积分法是按照热储区的地温梯度，沿深度积分得到。地热带地热资源的位置和分布，主要受地质构造的控制。按照地球板块构造学说，地球上的地热带可分成板间地热带和板内地热带两大类。板间地热带地热源温度高，由火山或岩浆所造成。板内地热带是在板块内部地壳隆起区和沉降区内发育的中低温地热带和少量特殊形成的高温地热带。图9—2地球板块构造和相应的地热带示意图地热资源的分类形成一处地热资源的三大要素是热源、流体和储热空间。在地质学上，把地热资源按其在地下储存的形式分为五种类型：热水型地热资源热水型地热资源是以热水形式存在的地热资源。它主要存在于火山活动地区和沉积盆地。蒸汽型地热资源蒸汽型地热资源是指以温度较高的湿蒸汽和过热蒸汽形式存在的地热资源。地压型地热资源地压型地热资源是指埋藏在地下2～3Km深处沉积岩中的有压力的高盐分热水。干热岩型地热资源在地壳的深处，岩石层具有很高的温度，储存着大量的热能。干热岩地热资源十分丰富，比上述三类地热资源大得多，是未来人们开发地热资源的重点目标。岩浆型地热资源岩浆型地热资源是指蕴藏在地层深处的呈粘弹性状态或完全熔融状态的高温熔岩。地热资源按温度的分类地热资源按温度分，可分为高温（T1500C）、中温（900CT1500C）、低温（T900C）三类.近年来也有人提出，以150℃或190℃为分界线，将地热资源仅分为低温和高温两类。图9－3理想地热资源示意图（White,1973）图9－4中低温对流型地热系统示意图中国的地热资源我国地热资源贮藏十分丰富。已发现的地热资源有4200多处，几乎遍及全国各省区。西南地区偏高，中部地区较低。我国高温地热资源主要集中在两个地区一是西藏南部、四川西部和云南地区；二是台湾地区。高温地热资源板块边界分布形成了藏滇地热带（又称喜马拉雅地热带）和台湾地热带。表9-2中国地热资源成因类型（来源：中国矿业网）表9-3中国大、中型地热田资源（来源：中国矿业网）9.3热储工程学基础热储工程的主要内容包括对地热资源的勘查、钻探，地热井试验和热储分析，热储工程基础理论以及地热资源评价等等。]1)15.40315.293725.0)[exp(38.1(00TTt砂岩、石灰岩和黏土岩的导热系数在温度为20~300℃时，由下列经验公式计算：tt0T:岩石在温度时的导热系数；：岩石在20时的导热系数；：岩石热力学温度Co含水岩石的比热容可用下式计算图9－6岩石比热容与温度的关系（引自Heuze,1983）岩石的热扩散率是反映岩石在加热或冷却过程中内部温度趋于一致的能力，也是反映岩石内部温度变化传播能力的一个物理量，用符号α表示，单位为m2/s或m2/h。温度岩石350K400K500K600K700K800K900K1000K1100K1200K花岗岩5.945.293.782.451.731.41.221.261.331.44辉岩5.084.683.963.202.632.482.412.382.272.09橄榄岩4.864433.712.952.412.32.32.272.192.02辉长岩4.53.993.172.522.021.621.371.271.191.22榴辉岩4.284.033.493.022.632.302.051.911.801.66微斜长石3.743.533.172.812.522.382.272.192.162.12辉长辉绿岩3.563.353.062.742.482.232.161.801.621.51闪长石3.463.312.922.411.871.691.261.08——橄榄石3.283.092.742.452.232.051.801.331.191.08玄武岩2.272.232.192.162.051.871.401.291.401.48表9—6不同温度下部分岩石的热扩散率α地热带中地热流体与岩石之间的对流换热系数也是一个重要的热物理量，它反应流体与岩石之间热量交换能力的大小，用符号h表示，单位为W/m2·K。换热系数除了与岩石的导热性能、热流密度和通道形态有关外，还与流体的物态、流速和温度状态有关，一般需要通过实验测定。井孔流体参数的测量是获取热储基本数据的重要环节井下压力测量，一般采用普通的波登管压力计。温度的测量可采用电阻测温仪或热电偶。流量的测量可用孔板流量计，也可直接用简单的容积法或堰箱来进行测量。热储工程基础理论是建立在流体通过多孔介质时的流动和传热规律的基础上。这些基本规律包括流体的热力状态方程，热力学第一定律，质量守恒方程和达西定律。其中达西定律是研究地热流体在岩层中运动的最重要的理论基础。ALHKQQA达西定律：：流体的体积流量：流通面积：沿长度的水头差：水力梯度：水力传导系数KHLHL根据地质结构和能量、质量以及流体运动方程，建立热储理论模型并对热储进行数值模拟是热储工程的一个主要研究内容。热储模型是针对某一特定的地质体构建的。为了能对热储进行模拟研究，需要掌握下列基本数据和边界条件：岩层的地质数据；热储的边界以及流体流动区域；流体的物理化学特性以及地温和压力分布曲线等。地热资源量（热储量）的计算：)(rmrTTcADQrQA：地热储量；：热储层分布面积；：热储层厚度；：热储层平均温度；：当地基准温度；：热储层岩石和流体的平均体积比热容DTrTmcffrrmccc)1(分别是岩石和流体的平均密度；是岩石和流体的平均比热容；是岩层的空隙率ft,frcc,9.4地热发电地热发电一般要求地热流体的温度在200℃以上，这时发电成本较低，有较好的经济性。根据地热流体的热量参数和性状，可以有两种不同的发方式:蒸汽型地热发电和热水型（含水汽两相混合物）地热发电。蒸汽型地热电站蒸汽型地热发电是把高温地热蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组进行发电的一种发电模式。图9-10蒸汽型地热发电系统热水型地热电站热水型（含水汽两相混合物）地热发电是当前地热发电的主要形式。适用于中低温地热资源。目前，已经采用的发电循环有两种，它们分别是：闪蒸地热发电系统双循环地热发电系统闪蒸地热发电系统来自地热井的压力热水进入闪蒸锅炉（减压扩容），由于压力突然降低，热水发生沸腾，闪蒸出的蒸汽进入汽轮发电机组做功发电。图9-12闪蒸地热发电系统(a)热水；(b)湿蒸汽闪蒸地热发电的特点：优点是系统简单，运行和维护方便。闪蒸锅炉结构简单，造价低。缺点是低压蒸汽比容大，所以管道、汽轮机的尺寸较大。另外设备中通过的是直接从地热井来的含有一定腐蚀性成分的介质，设备易结垢与腐蚀。为了最大限度地利用地热能，可考虑采用多级闪蒸的系统，以提高能量的利用效率图9－14带有前级两相分离装置的地热发电系统双循环地热发电系统双循环地热发电系统是利用地热水来加热某种低沸点工质，使其沸腾，产生的蒸汽供汽轮发电机使用。图9-15双循环地热发电系统与闪蒸发电系统相比，双循环发电系统有如下优点：低沸点工质蒸汽压力高，比容小，所以双循环发电系统的管道和汽轮机尺寸较小，结构紧凑，造价较低；地热水与发电系统并不直接接触，管道和汽轮机受地下介质的腐蚀可以避免；可以利用含盐量大，腐蚀性强和不凝性气体含量大的地热资源；可以利用温度较低的地热资源。双循环发电系统的缺点有低沸点工质较贵，有的还易燃易爆，或有毒性，因此对系统密封性、安全性要求较高；采用间壁式换热器，传热温差损失较大。同时低沸点工质的传热性能较差，换热器的换热面积较大，增强了设备的投资；对系统的操作和维护的技术要求较高。图9-16美国加利福尼亚州的一个地热发电站实景，装机容量268MW9.5地热供暖地热能用于采暖、供热和供热水，是目前地热能最广泛的利用形式。地热水热量的利用率定义为：地热水热利用率＝地热水实际供热量/地热水可供热量。地热水供暖系统地热供暖系统可分为地热直接供暖系统与地热间接供暖系统两类图9-17地热直接采暖系统示意图图9－18北京小汤山某地热直接供暖系统工艺流程图（天津地热研究培训研究中心，天津大学，1995）图9-19地热间接供暖系统示意图地源热泵系统它可以直接用地热水，而更多地是利用土壤作为低温热源，即在土壤中埋设盘管或U型管，从土壤吸收的热能通过热泵向室内供暖和供热水。由于空气源热泵在冬季性能急剧下降，且易发生结霜结冻等问题影响热泵的运行，因此用地源热泵替代空气源热泵正在许多国家和地区获得推广应用。地源热泵利用地热能有三种方式第一种是采用埋地换热器的闭式回路（图a）。第二种是抽出地热水，地热水通过热泵地面换热器，即蒸发器，将地热能释放给热泵工质（b）。第三种是将吸热装置浸入表层地热水池（c）。图9－20地源热泵的种类图9-21U管埋地换热器地源热泵系统地热热风供暖地热热风供暖适用于热耗量大的建筑物和有防水要求的供暖场合。供暖的热风系统可以为集中送风式和分散加热式两种。集中送风式是将空气在一个大的热风加热器中加热，然后输出到各个供暖房间；分散加热式是将地热水引向各个房间的暖风机或风机盘管系统，以加热房间的空气。图9-22集中送风式地热热风系统9.6地热能的其它利用地热能在农业、养殖业、加工业以及医疗、旅游等方面应用领域十分广阔。利用温度适宜的地热水灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水可以养鱼，加速鱼类的生长；利用地热建造温室，进行育秧、孵化和种植蔬菜花卉；利用地热对农产品、瓜果进行脱水干燥以及培养菌种；地热温泉中常含有一些化学元素，如铁、钾、钠、氢、硫磺等，因此使得地热温泉产生特殊的医疗保健作用，也可以开发作为饮用矿泉水。地热温室图9-23地热水直接加热温室示意图：1.地热井；2.热水箱；3.加热系统；4.调节阀；5.放空管；6.排水阀；7.溢水阀；8.排水阀；9.连接管；10.回水管；11.透明塑料膜。图9－24温室中加热管的布置地热在工农业加工和干燥中的应用图9－25某些工农业利用项目的所需温度范围（LundEditor，1998）地热在医疗和旅游方面的利用地热在医疗和旅游方面的