地热发电技术

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 地热发电技术（一）,动力工程系,宋长华,9/24/2024,1,第一节 地热能基本知识,什么叫地热能?地热有多大,?,地球的构造是怎样的?地热温度有多高?,地热从何而来?,形成地热资源的要素?地热资源有哪些形式?,各种地热资源的开发技术概况,.,9/24/2024,2,什么叫地热能?地热有多大？,所谓地热能，简单地说就是来自地下的热能，即地球内部的热能。,据计算，地球陆地以下五公里内，15摄氏度以上岩石和地下水总含热量达焦尔，相当于9950万亿吨标准煤。,按世界年耗100亿吨标准煤计算，可满足人类几万年能源之需要,.,如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为标准来计算、那么，石油的贮存量约为煤炭的3，目前可利用的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亿倍。,9/24/2024,3,地球的内部构造,地球是一个巨大的实心椭球体，它的表面积约为511x10,8,km,2,，体积约为,12,km,2,，赤道半径为6378km，极半径为6357km。地球的构造好像是一只半熟的鸡蛋，主要分为,3层。,温度分布图,1)地壳:,地球的员外面一层，即地球外表相当于鸡蛋壳的部分，地壳由土层和坚硬的岩石组成，它的厚度各处不一，介于1070km之间，,2)地幔:,地球的中间部分，即地壳下面相当于鸡蛋白的部分，也叫做“中间层”，它大部分是熔融状态的岩浆地幅的厚度约为2900km,它内硅镁物质组成，温度在1000以上.,3)地核:,地球的中心，即地球内部相当于鸡蛋黄的部分地核的温度在20005000 之间，外核深29005100km，内核深5100M以下至地心，一般认为是由铁、镍等重金属组成的,9/24/2024,4,地热从何而来?,关于地球的起源问题，目前有许多不同的假说，因此，关于地热的来源问题，也有许多不同的解释。但是，这些解释都一致承认，,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、针232和钾40等，这些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，就能自发地放出电子、氦核和光子等高速粒子并形成射线。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。,9/24/2024,5,形成地热资源的要素?地热资源有哪些形式?,形成地热资源有,热储层、热储体盖层、热流体通道和热源4个要素,。,通常我们把地热资源根据其在地下热储中存在的个同形式，分为,蒸汽型,、,热水型,、,地压型,、,干热岩型,资源和,岩浆型,资源等几类。,9/24/2024,6,各种地热资源的开发技术概况,在上述5类地热资源中，目前能为人类开发利用的主要是,地热蒸汽和地热水两大类,资源，人类对这两类资源已有较多的应用；,干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用很少。,不过，仅仅是蒸汽型资源和热水型资源所包括的热能，其储量也是极为可观的。仅按目前可供开采的地下3km范围内的地热资源来计算，就相当于,10,12,t煤炭燃烧所发出的热量。,9/24/2024,7,4-2 地热资源,一、概述,1地热资源定义,地热资源是指在当的技术经济和地质外境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和热流体中的热能量及其有用的伴生成分,。,目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m以下为,经济型地热资源,，20005000m为,亚经济型地热资源,。,9/24/2024,8,2地热资源类型介绍,(1)蒸汽型资源,蒸汽型资源是指地下热储中以蒸汽为主的对流水热系统，它以产生温度较高的过热蒸汽为主，掺杂有少量其他气体，所含水分很少或没有。,这种干蒸汽可以直接进入汽轮机，对汽轮机腐蚀较轻，能取得满意的工作效果。,但这类构造需要独特的地质条件，因而资源少、地区局限性大。,9/24/2024,9,（2）热水型资源,热水型资源是指地下热储中以水为主的对流水热系统，它包括喷出地面时呈现的热水以及水汽混合的湿蒸汽。,这类资源分布广、储量丰富，根据其温度可分为,高温(150)、中温(90150)和低温(90 以下),。,9/24/2024,10,(3)地压型资源,地压型资源是一种目前尚未被人们充分认识的、但可能是一种十分重要的地热资源.,它以高压水的形式储存于地表以下23Km的深部沉积盆地中，并被不透水的盖层所封闭，形成长1000km、宽数百千米的巨大热水体。,地压水除了高压、高温的特点外，还溶有大量的碳氢化合物(如甲烷等)。,所以，地压型资源中的能量，实际上是,由机械能(压力)、热能(温度)和化学能(天然气)3个部分组成的。,9/24/2024,11,(4)干热岩型资源,干热岩型资源是比上述各种资源规模更为巨大的地热资源。,它是指地下普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。,从现阶段来说，干热岩型资源专指埋深较浅、温度较高的有开发经济价值的热岩石。,提取干热岩中的热量，需要有特殊的办法，技术难度大。,9/24/2024,12,(5)岩浆型资源,岩浆型资源是指蕴藏在熔融状和半熔融状岩浆中的巨大能量，它的温度高达6001500左右。,在一些多火山地区，这类资源可以在地表以下较浅的地层中找到，但多数则是埋在目前钻探还比较困难的地层中。,目前能为人类开发利用的主要是地热蒸汽和地热水两大类资源，人类对这两类资源已有较多的应用；干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用少。,9/24/2024,13,3地下热水形成,地下热水的形成一般可分为,深循环型,和,持殊热源型,两种形成类型.,(1)深循环型。,一边冷水下降，一边热水上升，这就构成,地下热水的循环运动,。,形成过程图,深循环型地下热水的形成、运动和储存，与地质构造密切相关。,(2)特殊热源型。,数十亿年来地壳岩层一直在经历着断裂、挤压、折曲及破碎等变化。每当岩层破裂时，地球深部的岩浆就会通过裂缝向地表涌来。如果涌出地表，即成为,火山爆发,。如果停驻在地表下一定的深度，则成为,岩浆侵入体,。,形成过程图,9/24/2024,14,4地热田类型,地热田分为,热水田,和,蒸汽田,两大类型。,(1)热水田。,这种地热田开采出的介质主要是液态水，温度在60120,之间，多属于深循环型热水，但有时也可能是特殊热源型热水。,热水田是地热田中一种较普遍的类型既可直接用于供暖和工农业生产，也可用于减压扩容法地热发电系统。,9/24/2024,15,4地热田类型,(2)蒸汽田。,当储水层的上方有一透水性很差的覆盖岩层时，由于覆盖层的隔水、隔热作用，覆盖层下面的储水层在长期受热的条件下，就成为聚集大量具有一定压力和温度的蒸汽和热水的热储，即构成为蒸汽田。,蒸汽田模型图.,蒸汽田还可以按井口喷出介质的状态分为干蒸汽田和湿蒸汽田。,蒸汽田特别适合于发电，是十分有开采价值的地热田。,9/24/2024,16,5地热水和天然蒸汽杂质,通常热水中合有较多的,硫酸和铵、铁、铝等硫酸盐;,有时还有,盐酸、硅酸、偏硼酸,等。,在地热水和蒸汽中的,气体成分,，则有,二氧化碳、硫化氢、甲烷、氨、氮、氢、乙烷,等；,在有的热水中还台有,二氧化琉,、盐酸气和氢氖酸气等。,除此之外，无沦热水或蒸汽，都还常常挟带有,泥砂等,固体异物。,地热水和天然蒸汽中的各种杂质，都会对地热发电产生影响.,9/24/2024,17,二、世界地热资源分布,根据板块学说，在各大板块的交接处形成了有丰富地热资源的地热带。从世界范围来说，,主要有如下4个地热带：,1环太平详地热带,2大西洋洋中脊型地热带,3红海亚丁湾东非裂谷型地热带,4地中海一喜马拉雅缝合线型地热带,9/24/2024,18,三、中国地热资源,通过对中国30个省、市、自治区的地热资源普查、勘探表明，中国地热资源丰富，分布广泛。,其中盆地型地热资源潜力在2000亿吨标准煤当量以上。全国已发现地热点3200多处，打成的地热井2000多眼，其中具有高温地热发电潜力有255处，预计可获发电装机5800MW，现已利用的只有近30MW。,9/24/2024,19,三、中国地热资源,1高温地热资源,中国的高温地热资源丰富，可用于地热发电的合255处，,总发电潜力为5800Mw,。主要分布在西藏、滇西和中国台湾地区。,预计到20l0年，还可开发利用10余处新的高温地热资源，发电潜力约为300MW。,9/24/2024,20,三、中国地热资源,2中、低温地热资源,中国的中、低温地热资源中可用于非电直接利用的有2900多处，,其中盆地型潜在地热资源埋藏量约相当于2000亿t标准煤。主要分布在松辽盆地、华北盆地、江汉盆地、渭河盆地、太原盆地、临汾盆地、运城盆地等众多的山问盆地以及东南沿海的福建、广东、赣南、湘南等地。,目前的开发利用量还不到资源保有量的1。,9/24/2024,21,三、中国地热资源,3、中国地热资源的分类（按地热资源成因）,(1) 现代火火山型：在台湾和云南,(2)岩浆型：在西藏,(3)断裂型：如辽宁、山东、山西、陕西以及福建、广东等地。,(4)断陷、凹陷盆地型：如华北盆地、松辽盆地、江汉盆地等。,9/24/2024,22,地热资源温度分级,国际上的一般划分方法为：150以上为高温；90150 为中温；如90 以下为低温。,中国地热勘查国家标准(GBll6151989)规定，地热资源按温度分为,高温、中温、低温3级,，按地热田规模分为大、中、小3类。,9/24/2024,23,课堂作业（2005-10-28）,1、地热能和地热资源的概念？,2、根据热储的不同形式，地热资源分为哪五类？,3、根据地热资源的成因，我国地热资源可划分为哪四种类型？西藏羊八井地热田属哪类？,9/24/2024,24,地球内部温度分布示意图,9/24/2024,25,深循环水图,9/24/2024,26,特殊热源型地下热水形成过程,9/24/2024,27,蒸汽田图,9/24/2024,28,5-3 地热发电原理和技术,地热能的利用可分为直接利用和地热发电两大方面.,一、地热发电原理及分类,(示意图2),原理:,地热发电是利用地厂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。,示意图,1,分类:,按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，可把,地热发电的方式划分为,地热蒸汽发电,和,地下热水发电,两大类.,（外景图）,示意图3,9/24/2024,29,1、地热蒸汽发电,1地热蒸汽发电,(1)背压式汽轮机发电系统。最简单的地热干蒸汽发电，是采用背压式汽轮机地热蒸汽发电系统,(如图),工作原理：,首先把干蒸汽从,蒸汽井,中引出，先加以净化，经过分离器分离出所含的固体杂质，然后就可把蒸汽通入汽轮机做功，驱动发电机发电。做功后的蒸汽，可直接排入大气；也可用于工业生产中的加热过程。,应用：,这种系统大多用于地热,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人民生活的场合.,9/24/2024,30,1、地热蒸汽发电,(2)凝汽式汽轮机发电系统,为提高地热电站的机组出力和发电效率，通常采用凝汽式汽轮机地热蒸汽发电系统,(如图),。,在该系统中，由于蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，因而能做出更多的功。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，并在其中被循环水泵打入冷却水所冷却而凝结成水，然后排走。,在凝汽器中，为保持很低的冷凝压力，即真空状态，设有两台带有冷却器的射汽抽气器来抽气，把由地热蒸汽带来的各种不凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。,9/24/2024,31,2地下热水发电,两种方式：闪蒸地热发电系统；双循环地热发电系统,（1）闪蒸地热发电系统：,直接利用地下热水所产生的蒸汽进入汽轮机工作。,也叫做减压扩容法地热发电系统。,类型：,可以分为：,1）单级闪蒸地热发电系统(又包括,湿蒸汽型,和,热水型两种,)；（图）,2）两级闪蒸地热发电系统； （图）,3）全流法地热发电系统； （图）,9/24/2024,32,2地下热水发电,（2）双循环地热发电系统：,利用地下热水来加热某种低沸点工质，使其产生蒸汽进入汽轮机工作。,（图）,双循环地热发电也叫做低沸点工质地热发电或中间介质法地热发电，又叫做热交换法地热发电。,在这种发电系统中，低沸点介质常采用两种流体；,一种是,采用地热流体作热源；,另一种是,采用低沸点工质流体作为一种工作介质来完成将地下热水的热能转变为机械能。所谓双循环地热发电系统即是由此而得名。,常用的低沸点工质有氯乙烷、正丁烷、异丁烷、氟利昂11、氟利昂12等。,9/24/2024,33,双循环地热发电系统的优缺点,优点：,利用低温位热能的热效率较高：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：,不像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。,9/24/2024,34,双循环地热发电系统的分类,单级双循环地热发电系统,(,如图,),；,两级双循环地热发电系统,(,如图,),；,闪蒸与双循环两级串联发电系统,(,如图,),。,经济性是考察地热发电站设计和建设的最重要的综合性指标。,衡量地热发电站经济性的指标，主要有两个：,1,）一个是,发电量,(kWh,t,热水,),，它表示地热发电站发电效率的高低；,2,）一个是地热发电站的,投资费用,(,元,/,kw,),，它表示电站建设费用的大小。,9/24/2024,35,二、地热发电资源勘探与开采,1地热勘探,（1）勘探内容主要有,：,载热流体的类型,，如蒸汽、热水或汽水混合物等；,地热田的热力参数,，包括地热田的热储量、地热水和冷水的稳定流量、温度及其昼夜、季节、年度变化数据等；,地热水输出计算参数,，包括钻井井口的静水压力,(,水头高度,),、动水压力、密封压力等；,地热发电防腐蚀有关数据,如地热水的化学成分等；,地热发电工程施工的有关数据,，如地热水开采区的工程地质条件,(,包括工程基础砌置深度内土层岩性、厚度、土壤的物理和力学性质,),反地下水的水温、水位、水量等。,9/24/2024,36,1地热勘探,（2）地热资源的普查勘探方法,地球物理方法：,地球物理方法包括地表温度测量、热流测量以及电法、重力、磁力和地震勘探等方法。,地球化学方法：,它主要是分析热泉或沸泉的化学成分，为确定是否勘探提供指导。从勘探到地热田开发，化学勘探都是了解地热田的重要方法。,9/24/2024,37,2地热开采,概念：,地热资源经查明后，为确定地热田的开发方案、必须进行钻探。通过钻探打成,地热井,，取出地热，就叫做,地热开采,。地热并的结构包括,钻孔直径,和,套管,两大方面。,(1)自流井。,图,(2)非自流并。,(3)中、高温地热井。,图,9/24/2024,38,三、地热发电系统设计与建设,地热发电系统的设计与建设，涉及到地热资源的勘探与开采、冷却水源的选择、地热流体的输送以及地热发电没备的选型与安装及调试等一整套综合工程技术。,1、地热发电设备,汽轮发电机发电功率的计算。,机组容量选择。单机容量不宜过大。因为？,汽轮机进口初压。,凝汽器,抽气器。,9/24/2024,39,2、冷却水源及冷却水塔选择,地热电站与火力发电厂一样，通常以地表水作为冷却水源来对汽轮机的排汽进行冷凝。为了维持较低的冷凝温度，提高电站的出力，冷凝器冷却水的温升一般取得比较小。,1）开式供水冷却系统。水源充足的地方用,2）循环供水冷却系统。水源不足的地方用,9/24/2024,40,3地热流体输送,设计地热流体输送系统，要事先了解地热流体的,化学性质、井口压力变化,对流量和气水比的影响以及,闭井时的最大井口压力,等。,地热流体输送系统一般由一条或几条大口径的主干管道和接自井口装置的小口径分支管道所组成。,设计地热流体输送系统要考虑的主要问题之一，是,管径,的选择，以使井口到管道交付端之间的压降不至过大，避免过大的压降使井口产量过低。,9/24/2024,41,4低沸点工质选择,在中间介质法地热发电系统中，是由蒸汽或低沸点工质蒸汽向地下水吸热、对汽轮机作功、向冷却水放热等过程实现热能转换的。,（1）工质概念：,水和低沸点物质在设备系统中起着传送和转换热能的作用，把这些物质称,工质,。,（2）选择工质时应注意考虑以下基本要求：,发电性能好，,即在相同条件下每吨热水的实际发电量较大；,传热性能好，,即在相同条件下放热系数较大；,压力水平适中，,即在地下热水温度下相应的饱和压力不很高，在冷源温度下不山现高度真空；,来源丰富，价格较低；,化学稳定性好，不易分解，腐蚀性和毒性小，不易燃易爆。,9/24/2024,42,5、地热电站防腐蚀,（1）危害：,（2）地热流体腐蚀的主要物质有,：氧(0,2,)、氢离子(H,+,)、氯离子(Cl,-,)、硫化氢(H,2,S)、二氧化碳(C0,2,)、氨(NH,3,)和硫酸盐(sO,4,2-,)等。,（3）防腐措施：,整个系统采用耐腐蚀的金属和非金属材料。,使系统尽量密封，以隔绝外界空气的进入。也可在系统中加亚硫酸盐等除氧剂除氧。,在系统中安装热交换器，使地热水不直接进入利用系统。,对非传热的金属表面涂敷防腐涂料。,针对不同类型的局部腐蚀采取相应的防腐蚀措施。,9/24/2024,43,6地热电站防结垢,（1）垢的类型：,按化学成分，可将垢分为,碳酸钙垢,、,硫酸钙垢,、,硅酸盐垢,和,氧化铁垢,等种类，其物性指标是,硬度,和,孔隙度,。,（2）防结垢方法：,机械除垢：,化学方法处理：,在地热利用系统前部增加阀门：,物理方法除垢：,根据热力学原理计算与控制井口压力。,9/24/2024,44,7地热电站回灌技术,（1）意义：,地热田的大量开采，必将会造成热储寿命缩短，地下水位下降，并导致地面沉降。如把地热发电后的地热弃水回灌地下，就可大大减轻这些弊端，并减轻地热弃水对于环境的污染。,（2）方法：,不同的地热田采用的回灌方式会有所不同。问灌方式的选择取决于地质、环境和经济等综合因素，但一般来说边对边的、深一些的回灌井布局在多数情况下可较好地避免热干扰。,9/24/2024,45,8地热电站尾水综合利用,地热电站发电后排出的尾水，温度一般都在 60,70,左右或更高适合于工农业生产以及生活上利用，或从中提取有用的化学元素等。,如：,广东丰顺邓屋地热试验电站,将排出的热水与冷水混合，每小时约有300t水供给农田灌溉；,湖南灰汤地热试验电站,将排出的热水供当地疗养院和温室利用；,江西温汤地热试验电站,将发电后排出的余热水用于繁育水稻良种和治疗皮肤病、关节炎等。,9/24/2024,46,9、地热电站对环境的影响,地热能开发利用对环境的有害影响很小。地热能作为新能源，无论是用来发电，还是用于非电直接用热，都能大幅度削减温室气体排放量，减轻环境污染。,但地热能的开发利用仍有少量有害物质排放，造成大气、地面和水泥的一定污染，必须加以重视。,例如地下热水和地热蒸汽中含有,二氧化碳、甲烷、氢、氮、氨、硫化氢等不凝结气体,可能造的空气污染：,废水中硼、砷,等有害物质可能造成地表和水源的化学污染；地热电站,排出大量度热水可能造成的热污染,；大量开采地下热水可能引起的,地变形、地面沉降和诱发地震,等危害。,9/24/2024,47,10、地热电站运行,(1)启动和停机：快；操作方便,(2)运行中应注意的主要事项：,1)背压的异常变化。,2)最佳蒸发工况。,3)系统的密封性。,4)腐蚀和结垢。,9/24/2024,48,课堂作业（2005-11-1）,1、地热发电系统有哪两大类？,2、简要介绍地下热水发电的两种方式？,3、选择地热发电工质时的基本要求？,4、地热电站为什么还要回灌？,5、地热电站的防腐措施有哪些？,6、地热电站的防结垢措施有哪些？,9/24/2024,49,地热发电示意图,9/24/2024,50,地热发电示意图2,9/24/2024,51,背压式汽轮机地热蒸汽发电系统,9/24/2024,52,凝气式汽轮机地热蒸汽发电系统,9/24/2024,53,单级双循环地热发电系统,9/24/2024,54,两级双循环地热发电系统,9/24/2024,55,闪蒸与双循环两级串联发电系统,9/24/2024,56,地热自流井井口装置,9/24/2024,57,高温地热井图,9/24/2024,58,地热电站外景图,9/24/2024,59,地热发电示意图3,9/24/2024,60,