绿色电力 第05章++地热能发电.ppt

绿色电力,武汉大学电气工程学院,第五章地热能发电,地热能基本知识地热能应用综述地热能资源地热发电原理和技术简介,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热能基本知识,地球的内部构造地热能的来源,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地球的内部构造,地球的内部构造示意图如下图所示。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,有关地球内部的知识是从地球表面的直接观察及钻井的岩样和火山喷发、地震等资料推断而得到的。根据现在的认识，地球的构成是这样的地球是一个巨大的实心椭球体，表面积约为5.11108km2，体积约为1.081012km3，赤道半径为6378km，极半径为6357km。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球的构造好象是一只半熟的鸡蛋，主要分为三层地壳一厚约30km的铝-硅酸盐薄层。它的厚度各处不一，介于10～70km之间，陆地上平均为30～40km；高山底下可达60～70km；海底下仅为10km左右。地幔（中间层）厚度约2800km、温度在1000C的铁-镁硅酸盐层。其大部分是熔融状态的岩浆，可分为上地幔和下地幔两部分。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地核液态铁-镍层。其内还含有一个固态的内核，温度在2000～5000℃之间，外核深2900～5100km，内核深5100km以下至地心。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大的热库。据估计，即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，全世界地热资源的总量约为1.451026J，相当于4.9481015t标准煤燃烧时所发出的热量。如果将地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准计算，那么，石油的贮存量约为煤炭的3；目前可利用核燃料的贮存量约为煤炭的15；而地热能的总贮存量则为煤炭的1.7亿倍。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热能的来源,地球通过火山爆发、间歇喷泉和温泉等等途径，源源不断地把它内部的热能通过传导、对流和辐射的方式传到地面上来。地球内部的温度这样高，它的热量是从哪里来的呢多数科学家认为，其热源乃是长寿命的放射性同位素进行的热核反应（另一种观点认为，地球最初是由一团高热物质组成，是从太阳派生出来的一个行星，经过四五十亿年以后，表面逐渐冷却，而形成地壳。）。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球物质中放射性元素衰变产生的热量是地热的主要来源。放射性元素有铀238、铀235、钍232和钾40等。放射性元素的衰变是原子核能的释放过程。放射性物质的原子核，无需外力的作用，就能自发的放出电子和氦核、光子等高速粒子并形成射线。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,在地球内部，这些粒子和射线的动能和辐射能，在同地球物质的碰撞过程中便转变成了热能。地球内部的热不断向太空释放。这种地球物理现象就叫大地热流。由于地球的表面积很大，单位面积内放出的热量极其微小，所以全球平均大地热流量并不大，以致人们很难直接感觉出来。但是，其总量却非常大，而且不同地区的大地热流量是不同的，热流高的地区地热资源较丰富。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,目前一般认为，地下热水和地热蒸汽主要是由在地下不同深处被热岩体加热了的大气降水所形成的。地壳中的地热主要靠传导传输，但地壳岩石的平均热流密度低，一般无法开发利用，只有通过某种集热作用，才能开发利用。例如盐丘集热，常比一般沉积岩的导热率大2～3倍。大盆地中深埋的含水层，也可大量集热，每当钻探打到这种含水层，就会出过大量的高温热水，这是天然集热的常见形式。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,岩浆侵入地壳浅处，是地壳内最强的热传导形式。侵入的岩浆体形成局部高强度热源，为开发地热能提供了有利条件。岩浆侵入后，冷却的时间相当长，一般受下列因素影响侵入的岩浆总体积；侵人的深度或岩浆体顶面的埋深；侵入岩浆的性质，酸性岩浆温度较低。约650～850℃，基性岩浆温度较高，1100℃左右，结晶潜热也有差异，酸性岩浆为65carl／g，基性岩浆80carl／g侵入体的形状有无水热系统。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,据科学家推测，一个埋深为4公里的酸性岩浆侵入体，体积为1000公里，初始温度为850℃，若要使侵入体的中心温度冷却到300℃，大约需几十万年。可见地热的扩散是非常慢的。换言之，若要利用这种热能也是比较稳定的。一个天然的温泉，长年不息地流出地热水，而且几百年温度变化不大。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,在地壳中，地热的分布可分为三个带，即可变温度带、常温带和增温带。可变温度带，由于受太阳辐射的影响，其温度有着昼夜、年份、世纪、甚至更长的周期性变化，其厚度一般为15～20m；常温带，其温度变化幅度几乎等于零，深度一般为20～30m；增温带，在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地球每一层次的温度状况是很不相同的。在地壳的常温带以下，地温随深度增加而不断升高，越深越热。这种温度的变化，以“地热增温率”来表示，也叫做“地温梯度”。各地的地热增温率，差别是很大的，平均地热增温率为每加深100m，温度升高8℃。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,到达一定的温度后，地热增温率由上而下逐渐变小。根据各种资料推断，地壳底部至地幔上部的温度大约1100～1300℃，地核的温度大约在2000～5000℃之间。假如我们按照正常的地热增温率来推算，80℃的地下热水，大致是埋藏在2000～2500m左右的地下。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,按照地热增温率的差别，我们把陆地上的不同地区划分为“正常地热区”和“异常地热区”。地热增温率接近3℃的地区，称为“正常地热区。远超过3℃的地区，称为“异常地热区”。在正常地热区，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较深处。在异常地热区，由于地热增温率较大，较高温度的热水或蒸汽埋藏在地壳的较浅部位，有的甚至露出地表。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,那些天然出露的地下热水或蒸汽叫做温泉。温泉是在当前技术水平下最容易利用的一种地热资源。在异常地热区，除温泉外，人们也较易通过钻井等人工方法把地下热水或蒸汽引导到地面上来加以利用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,人们要想获得高温地下热水或蒸汽，就得去寻找那些由于某些地质原因，破坏了地壳的正常增温，而使地壳表层的地热增温率大大提高了的“异常地热区”。“异常地热区”的形成，一种是产生在近代地壳断裂运动活跃的地区，另一种则是主要形成于现代火山区和近代岩浆活动区。除此两种之外，也还有由于其它原因所形成的局部“异常地热区”。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,在“异常地热区”，如果具备良好的地质构造和水文地质条件，就能够形成有大量热水或蒸汽的具有重大经济价值的，“热水田”或“蒸汽田”统称为“地热田”。目前世界上已知的一些地热田中，有的在构造上同火山作用有关，另外也有一些则是产生在火山中心地区的断块构造上。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热能应用综述,地热直接利用地热发电,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热直接利用,我国的中低温地热资源丰富，主要有两种类型①传导型地热资源，是埋藏在沉积盆地中的地下热水，资源分布面广，例如华北平原、松辽平原、鄂尔多斯和四川盆地等，储量大、易开采。②对流型地热资源，是在地下作深循环或出露地表，一般分布在福建、广东、海南、江西、湖北、湖南等东南一带。大面积的分布为开展中低温直接利用提供了资源基础。目前已开发的中低温热水井一般在60℃～110℃之间，有利于直接供热。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,经过近20年的发展，我国地热直接利用已具有相当规模，在世界上处于第2位，约占世界直接利用的19％左右，而且利用面广，在许多地方已形成良性开发。尤其在北方地区，地热采暖已取得良好的经济效益和环境效益。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,我国地热直接利用主要体现在以下方面地热采暖地热温室工业利用,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热采暖,北方地区冬季采暖一直是困惑环境的大问题。我国地热采暖已有十几年的历史，目前，已成为地热利用中经济效益最好的国家之一。虽然，全国地热采暖面积没有确切的调查统计数据，但是初步估计大约在1500万m2左右。以天津市地热采暖为例，至2000年天津市地热采暖面积已近800万m2，节煤28万吨。单井供暖面积最好的达到20万m2左右。例如天津市区有一眼井出水92.5℃、150吨/时、分级供暖面积达到18万m2，每个采暖季节省煤约6000吨。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,在天津东丽区已开发出100℃、200吨/时的高质量井。但是地热水有不同程度的腐蚀性，使用时必须充分考虑。应根据腐蚀程度，供暖系统可采用直接供热系统或中间换热站的间供系统来解决腐蚀问题。另外，地热采暖排放温度一般在40℃左右，高者达50℃，这样高的排放温度既造成热利用率不高，同时又造成环境热污染。为此，天津大学地热中心针对35℃～45℃地热排水，研究成功回收排水中热量的中高温地热热泵装置，比较好地解决了这一问题。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,1999年北京市投资2000多万元，在5个单位建立了地热采暖工程。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热温室,我国是农业大国，农村生活水平提高关系到我国社会经济发展的大计。随着经济发展和人们生活需求的提高，温室种植和温室养殖应运而生，温室热源则是共发展的关键。温室种植所需热源温度不高，在有地热资源的地方，发展温室种植是促进该地区农业发展的方法之一。例如北京已建特种蔬菜温室300多亩；温室鲜花基地每年可产鲜花800多万枝。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,河北省自1986年就开展了地热种植,其中雄县、辛集市、河间县等地都取得了很好的成绩。此外，河北省黄骅地区自20世纪80年代还开始了越冬海虾养殖，十几年来获得了很好的成绩。7年前，天津市汉沽区芦前村利用地热水加温进行鱼虾越冬，建成了100亩的越冬温室和20亩的温室垂钓池，大量放养白鲳、石斑鱼、鳜鱼、罗氏沼虾、海虾和河蟹等高档鱼，形成了地热养殖、孵化越冬基地。不难看到，地热温室给当地农村经济发展带来了活力，促进了地区经济发展和农民生活水平的提高。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,工业利用,受地热资源和工业布局的限制，在工业用热中利用地热水加热的事例不多，但仅有的应用实践证明了节约燃料的效果显著。例如河北省辛集市利用地热水洗毛、制革，洗出的毛色泽好、手感柔软，比用锅炉水洗出的毛每吨多卖600元～1000元。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,河北省辛集市利用1眼114℃的地热井（流量90吨/时）首先供附近居民采暖（1.5万m2），地热温室面积7337m2，温度降至95℃后用于工业烘干，烘干后的排水用于居民生活用热水（洗浴、生活热水等）和加热养鱼池，仅此一眼井年产值达494万元。此外，用地热干燥香菇、木材、蔬菜等都有不同程度的开发利用，但有地热资源的地方不一定有合适的工业，因此工业利用的发展比较缓慢。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,根据地热水成分的不同,可用于温泉疗养和治疗皮肤病。在有条件的地方兴建温泉旅游度假村、康复中心等已成为低温地热利用的热点，全国各地都有此类度假村和康复中心。例如青海西宁市郊15km的塔尔寺风景区，利用地热供5000m2宾馆、10000m2度假村、游泳池、理疗中心等。四川成都平原的彭州、温江、都江堰等地利用地热建成温泉旅游点，收到较好的社会效益和经济效益。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,湖北英山县，从1988年发展地热利用，已初步建成一个“地热城”，形成5个地热开发区优质热带鱼和水产品繁殖越冬基地；工业生产、农业科研和游泳小区；温泉疗养康复和旅游小区；科技经济开发小区；市区居民热水综合利用小区。目前英山县地热利用广泛，涉及养殖、种植、工业缫丝、棉麻洗涤、脱拷、栲胶、恒温、皮革加工等项目，使英山县地热综合利用步入了有序开发，科学管理，注重环保的良性循环阶段。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,为了发展地方经济，有的地方花巨资从远处引地热水。例如，福建省安溪县，从21.5km外引来地热水，供给居民、宾馆和康复中心，形成一座温泉城，促进了当地旅游及房地产开发业。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热发电,1904年，意大利人在拉德瑞罗地热田建立世界上第一座地热发电站，功率为550瓦，开地热能利用之先河。其后，意大利的地热发电发展到50多万千瓦。到80年代末，全世界运行的地热电站，其发电功率每年已超过500万千瓦，1995年达到680万千瓦，年增16％。我国最著名的地热电站，是西藏的羊八井地热电站，装机容量2.5万千瓦。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术。其基本原理与火力发电类似，也是根据能量转换原理，首先把地热能转换为机械能，再把机械能转换为电能。地热发电系统主要有四种,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地热蒸汽发电系统利用地热蒸汽推动汽轮机运转，产生电能。本系统技术成熟、运行安全可靠，是地热发电的主要形式。西藏羊八井地热电站采用的便是这种形式。双循环发电系统也称有机工质朗肯循环系统。它以低沸点有机物为工质，使工质在流动系统中从地热流体中获得热量，并产生有机质蒸汽，进而推动汽轮机旋转，带动发电机发电。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,全流发电系统本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全部能量，但技术上有一定的难度，尚在攻关。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,干热岩发电系统。利用地下干热岩体发电的设想，是美国人莫顿和史密斯于1970年提出的。1972年，他们在新墨西哥州北部打了两口约4000米的深斜井，从一口井中将冷水注入到干热岩体，从另一口井取出自岩体加热产生的蒸汽，功率达2300千瓦。进行干热岩发电研究的还有日本、英国、法国、德国和俄罗斯，但迄今尚无大规模应用。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,我国的地热资源,我国的地热资源分布较广，资源也较丰富。据勘测，在距地表2000米以内的浅层范围内，热能资源储量大约相当于137亿吨标准煤燃烧的热能，若可采率为1，那么也有相当于1.37亿吨标准煤的地热可开发资源量。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地热资源主要分布于构造活动带和大型沉积盆地之中。构造活动带资源量较集中，如西藏、云南、四川一带和东南沿海福建、江西、广东、台湾一带，以及辽东、胶东一带；大型沉积盆地资源分布面广，如华北盆地北京、天津、唐山地区。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,目前已发现地热点2000多处，已经进行过不同程度勘察的有739处，以低于150℃的中低温地热资源为主。高于150℃的地热资源主要分布在西藏、云南和台湾。西藏羊八井硫磺矿地区打出的一口高温地热井，温度高达329.8℃。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,羊八井地热区羊八井位于西藏拉萨西北110公里的当雄县境内的山谷盆地中，海拔4300米，面积约100多平方公里。羊八井北临海拔5000米至6000米高的念青唐古拉山，山顶终年白雪皑皑。进入盆地后，沸泉、热泉、温泉、热水湖、水热爆炸穴等等比比皆是。有的白色气柱带着刺耳的呼啸声直冲云霄。有时热气和高原的寒冷相遇，构成了美妙的自然奇观。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,位于盆地东北端的热水湖，面积达7300多平方米，自然水温高达50摄氏度左右，是我国最大的热水湖。云淡风轻时，巨大的气柱飘然升起，可以直喷到100米的高空。在清澈的湖水深处，还可以看见翻涌的热水潜流。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,我国地热利用状况我国地热资源丰富，已发现的温泉有3000多处，其中热储温度大于150℃，可用于发电的约有200处。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,据初步估计，我国地热可采储量约相当于4626.5亿吨标准煤。受地热资源所限，目前地热电站主要在西藏。随着经济发展，尤其是西藏、云南边疆地区经济的发展，建立地热电站将会促进当地经济发展，弥补电力不足，对巩固国防、增强民族团结有着深远意义。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,我国的中低温地热资源分布广泛，水温一般在50℃～120℃之间。河北省承德地区，自然出露温度达80℃以上；河北怀来地下100m左右，水温即可达到80℃左右；河北河涧县最高温度达110℃左右，以上地区钻井不深，获得温度高，流量大，开采条件好。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,还有些地区地热资源接近热用户，使用方便，地面利用条件好，例如天津市在市区就有丰富的地热资源，开发利用十分方便，地面管网很短，初投资少。此外，辽宁省的营口地区、丹东地区；山东省的招远、东营；湖北省的英山；陕西省的西安、咸阳以及福建省的福州市、漳州市等地都有适合开发的很好的地热资源。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,全球地热资源的分布,在一定地质条件下的“地热系统”和具有勘探开发价值的“地热田”都有它的发生、发展和衰亡过程，绝对不是只要往深处打钻，到处都可发现地热。作为地热资源的概念，它也和其它矿产资源一样，有数量和品位的问题。就全球来说，地热资源的分布是不平衡的。明显的地温梯度每公里深度大于30℃的地热异常区，主要分布在板块生长、开裂-大洋扩张脊和板块碰撞，衰亡-消减带部位。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,环球性的地热带主要有下列4个（1）环太平洋地热带它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界。世界许多著名的地热田，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福；墨西哥的塞罗、普列托；新西兰的怀腊开；中国的台湾马槽；日本的松川、大岳等均在这一带。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,（2）地中海一喜马拉雅地热带它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界。世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。（3）大西洋中脊地热带这是大西洋海洋板块开裂部位。冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,（4）红海一亚丁湾一东非裂谷地热带它包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。除了在板块边界部位形成地壳高热流区而出现高温地热田外，在板块内部靠近板块边界部位，在一定地质条件下也可形成相对的高热流区。其热流值大于大陆平均热流值1.46热流单位，而达到1.7～2.0热流单位。如中国东部的胶、辽半岛，华北平原及东南沿海等地。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,地热温室,羊八井地热,羊八井地热,绿色电力,武汉大学电气工程学院,地热发电原理和技术简介,地热发电是利用地下热水和蒸汽为动力源的一种新型发电技术，它涉及地质学、地球物理、地球化学、钻探技术、材料科学和发电工程等多种现代科学技术。地热发电和火力发电的基本原理是一样的，都是将蒸汽的热能经过汽轮机转换为机械能，然后带动发电机发电。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,不同处地热发电不像火力发电具有庞大的锅炉；不需要消耗燃料；,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,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。按照载热体类型、温度、压力和其它特性的不同，可把地热发电的方式划分为蒸汽型地热发电和热水型地热发电两大类。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,蒸汽型地热发电它是把蒸汽田中的干蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，但在引入发电机组前应把蒸汽中所含的岩屑和水滴分离出去。这种发电方式最为简单，但干蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采技术难度大，故发展受到限制。主要有背压式和凝汽式两种发电系统。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,工作原理将蒸汽从蒸汽井中引出；经净化分离器净化出去杂质；然后送入蒸汽机做功；驱动发电机发电。做功后的蒸汽直接排入大气或用作供热。,背压式汽轮发电机,绿色电力,武汉大学电气工程学院,凝汽式汽轮发电机,在该系统中，蒸汽能在汽轮机中膨胀到很低的压力，能做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，并在其中被循环。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,热水型地热发电热水型地热发电是地热发电的主要方式。目前热水型地热电站有两种循环系统a、闪蒸系统。当高压热水从热水井中抽至地面，于压力降低部分热水会沸腾并“闪蒸”成蒸汽，蒸汽送至汽轮机做功；而分离后的热水可继续利用后排出，当然最好是再回注入地层。,绿色电力,武汉大学电气工程学院,,b、双循环系统。地热水首先流经热交换器，将地热能传给另一种低沸点的工作流体，使之沸腾而产生蒸汽。蒸汽进入汽轮机做功后进入凝汽器，再通过热交换器而完成发电循环。地热水则从热交换器回注入地层。这种系统特别适合于含盐量大、腐蚀性强和不凝结气体含量高的地热资源。发展双循环系统的关键技术是开发高效的热交换器。,