可再生能源 地热能.ppt

第六章地热能 6 1概况6 2地热能利用技术6 2 1地热供暖6 2 2地热制冷6 2 3地热发电一 地热蒸汽发电二 地热水发电三 联合型发电6 3地温的开发利用6 4地热能开发利用发展预测思考题 6 1概况一 地热能的基本概念地热产生的方式 1 地热资源的生成与地球岩石圈板块发生 发展 演化及其相伴的地壳热状态 热历史有着密切的内在联系 特别是与更新世以来构造应力场 热动力场有着直接的联系 从全球地质构造观点来看 大于150 的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘 如板块的碰撞带 板块开裂部位和现代裂谷带 小于150 的中 低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带 断陷谷和坳陷盆地地区 2 目前普遍认为 地下热水或低热蒸汽 主要是在不同深度被热岩体的热传导的方式加热了的大气降水 它们可以升温到与地下水下渗深度所具有的与地温相当的温度 在补给区的静水压力和温差导致的密度差的作用下 升温水产生环流并沿着裂隙通道上升 可溢出地表 这就是常见的温泉 热泉 3 如果由地幔涌出的岩浆形成的强大的热源 则在地表可观察到高热流和高强度的地热异常现象 如地震 火山爆发等 4 地热能的来源还可以来自地球内部岩石和矿物中含有的具有足够丰度 生热率高 集中在地表数百公里的放射性元素衰变所产生的巨大的热能量 有人曾估计 地球内部由放射性元素衰变而产生的热量平均每年为5万亿亿卡 地热资源赋存在一定的地质构造部位 有明显的矿产资源属性 因而对地热资源要实行开发和保护并重的科学原则 二 地球内部的构造及其温度变化 图6 1地球的构造 地球是一个巨大的热库 它由地壳 地幔和地核 液核 内核 组成 我们知道越往地下温度越高 地热就是指地球内部蕴藏的能量 从地球表面往下正常增温梯度是每1000米增加25 30 在地下约40公里处温度可达到1200 地球中心温度可达到60000C 在地壳中 地温分布状况大致可分为三种 1 变温带 外热带 一般指地表向下15 30米左右 受太阳辐射影响 温度随大气温度变化 并随深度而递减 2 常温带 常温层 它在变温带以下一定深度范围内 并随地理位置而异 其温度值一般保持在高于当地年平均气温1 20C 如 天津为14 50C 而常年气温是12 50C 3 增温带 内热带 常温层以下几十公里 地温受地球内热控制 越往深处温度越高 至一定深度增温梯度减弱 地热分布指标 1 地温梯度 地热分布 它是指沿地下等温面法线向地球中心方向单位距离内温度的增值 通常用0C 100m 或0C km表示 常温带以下平均正常的增温梯度是2 5 30C 100m 一般说来 温度稳定地向地球中心方向递增 但到了一定深度后 增温的速度减缓 2 大地热流 简称热流或热流量 它是指在单位时间内通过地球表面单位面积散失的热流量 其单位是 微卡 平方厘米 秒 cal cm2 s 称为一个热流单位 通常用HFu表示一个热流单位 近年来 多用工程单位毫瓦 平方米 mW m2 表示 1HFu 41 868W m2 其数学表达式为 q dt dz式中 q 大地热流量 W cm2 岩石的热导率 W cm 1 0C 1 t 岩石温度 0C z 深度 cm 地球内部有代表性的温度如下 地壳底部温度约1000C 至100KM处 上地幔顶部局部熔融开始 达13000C 至400KM处 变相区 为15000C 5100KM处 内 外地核边界 为43000C 在6371KM处 地心 为45000C 有的学者认为是50000C 最近美国学者认为地核温度为69000C 三 地热资源概念地热资源是指在可预见的时间内 在当前技术经济和地质环境条件下 地壳内能够科学 合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分 即能供人类经济开发利用的地球内部热能的总量 它包括地热流体及其有用矿物和化学组分 我们现在研究的主要是地热流体部分的地热资源 返回 四 成因类型 低热资源的生成与地球岩石圈板块发生 发展 演化及其相伴的地壳热状态 热历史有着密切的内在联系 特别是与更新世以来构造应力场 热动力场有着直接的联系 从全球地质构造观点来看 大于150 的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘 如板块的碰撞带 板块开裂部位和现代裂谷带 小于150 的中 低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带 断陷谷和坳陷盆地地区 地热资源按其在地下的赋存状态 可以分为水热型 干热岩型和地压型地热资源 其中水热型地热资源又可进一步划分为蒸汽型和热水型地热资源 三 成因类型 表6 1中国地热资源成因类型 1 现 近 代火山型2 岩浆型3 断裂型4 断陷 坳陷盆地型 1 现 近 代火山型现 近 代火山型地热资源主要分布在台湾北部大屯火山区和云南西部腾冲火山区 腾冲火山高温地热区是印度板块与欧亚板块碰撞的产物 台湾大屯火山高温地热区属于太平洋岛弧之一环 是欧亚板块与菲律宾小板块碰撞的产物 在台湾已探到293 高温地热流体 并在靖水建有装机3MW地热试验电站 2 岩浆型在现代大陆板块碰撞边界附近 埋藏在地表以下6 10km 隐伏着众多的高温岩浆 成为高温地热资源的热源 如在我国西藏南部高温地热田 均沿雅鲁藏布江即欧亚板块与印度板块的碰撞边界出露 就是这种生成模式的较典型代表 西藏羊八井地热田ZK4002孔 在井深1500 2000m处 探获329 8 的高温地热流体 羊易地热田ZK203孔 在井深380m处 探获204 高温地热流体 3 断裂型主要分布在板块内侧基岩隆起区或远离板块边界由断裂形成的断层谷地 山间盆地 如辽宁 山东 山西 陕西以及福建 广东等 这类地热资源的成生和分布主要受活动性的断裂构造控制 热田面积一般几平方公里 甚至小于1平方公里 热储温度以中温为主 个别也有高温 单个地热田热能潜力不大 但点多面广 4 断陷 坳陷盆地型主要分布在板块内部巨型断陷 坳陷盆地之内 如华北盆地 松辽盆地 江汉盆地等 地热资源主要受盆地内部断块凸起或褶皱隆起控制 该类地热源的热储层常常具有多层性 面状分布的特点 单个地热田的面积较大 几十平方公里 甚至几百平方公里 地热资源潜力大 有很高的开发价值 表6 2地热资源温度分级 五 温度分级与规模分类 表6 3地热资源规模分类 六 我国地热资源储量与分布 1 高温地热系统 可用于地热发电的有255处 总发电潜力为5800MW 30MW 近期至2010年可以开发利用的10余处 发电潜力300MW 2 中低温地热系统 可用于非电直接利用的2900多处 其中盆地型潜在地热资源埋藏量 相当于2000亿吨标准煤当量 主要分布在松辽盆地 华北盆地 江汉盆地 渭河盆地等以及众多山间盆地如太原盆地 临汾盆地 运城盆地等等 还有东南沿海福建 广东 赣南 湘南 海南岛等 目前开发利用量不到资源保有量的千分之一 总体资源保证程度相当好 返回 6 2地热能利用技术 6 2 1地热供暖一 地热能间接供暖二 地热能直接供暖系统1 开环手动控制地热直接供暖变频调速系统2 闭环自动控制地热直接供暖变频调速系统三 低温地板辐射采暖四 地热热风供暖 返回 一 地热能间接供暖工作原理 天津市紫金新里地热间接供暖实例 来自地热井的地热水 92 50C 进入热交换器 经板式换热器换热后降至450C 其中部分作为地热浴室热源 剩余部分在回灌实施前 就近排入下水道 供暖回水经锅炉生温至900C进入用户 为了充分利用地热资源 加大利用温差 采用两级串联供热方式 其中第一级供回水温度为90 650C 第二级供回水温度为65 400C 为确保大温差的实现 在二级热用户热力系统回水管上设置了回水温控阀 地热供暖系统采用量 质混合调节方式 量调由调速循环泵控制 质调由锅炉生温控制 返回 二 地热能直接供暖系统 1 开环手动控制地热直接供暖变频调速系统工作原理 人工手动设定变频器输出供电频率f 电机接受频率变化的电源信号 带动井泵旋转 使转速发生相应变化 井下热水通过混水器 循环泵进入散热器 为用户供暖 供暖后的冷水一部分由手动排出 一部分经由补水阀循环使用 该装置没有信号反馈 控制系统的操作不受被控参数的直接影响 返回 2 闭环自动控制地热直接供暖变频调速系统工作原理 闭环控制系统也叫反馈控制系统 一般由敏感元件 调速器 执行机构和调节对象组成 该系统以集水器处回水压力为控制信号 由压力传感器感受回水压力的变化 进行回水压力恒压闭环变频调速自动控制 从而实现供热调节 返回 三 低温地板辐射采暖 工作原理 从地下抽出的热水经过过滤器 三通阀 循环泵进入分集水器 根据需要输入各组加热盘管 通过盘管向外辐射热量 从而达到增温的效果 加热盘管主要有直列型 螺旋型和往复型三种方式 如图6 6 直列型盘管敷设比较简单 但管道首末端两侧的地板温差较大 螺旋型和往复型盘管安装复杂 但各侧地板温度均匀 返回 四 地热热风供暖 工作原理 空气经过过滤器进入由地热加热的盘管区被加热 然后由风机送入需要加热的采暖房间 房间的热气还可以再回到加热盘管区内循环使用 返回 6 2 2地热制冷 地热制冷装置的工作原理主要是采用吸收式制冷的工作原理 压缩式制冷不在本章讨论范围之例 地热制冷 吸收式制冷 原理 有一种溶液物质 吸收剂或溶剂 在一定的条件下 可以吸收低沸点的溶液物质 制冷剂或溶剂 组成二元溶剂 如氨 水 水 溴化锂 温度低时 溶解度就小 温度高时 溶解度就大 溶液的这种特性便可用来制冷 如图6 8氨 水制冷系统所示 当氨饱和液体进入冷藏室 蒸发器 后 在等压下吸收热量而汽化 使之成为饱和蒸汽或过热蒸汽 然后进入吸收器 同时 由稀氨水溶液自氨蒸发器经节流阀也进入吸收器 吸收器中的溶液因吸收氨蒸汽而变浓 在吸收过程中氨蒸汽凝结要放出热量 其由冷却水带走 而氨溶液有较低的温度可以吸收较多的氨蒸汽 吸收器中的浓氨水经泵升压 送入氨蒸发器 利用外部热源 地热 对溶液加热 使氨液再次蒸发进入冷凝器 被冷却后 放热凝结成饱和氨液体而完成循环 目前 吸收式制冷装置有两种基本构造 用于00C以上的空气调节装置 采用溴化锂 水系统 以溴化锂为吸收剂 水为制冷剂 用于00C以下的制冷装置 采用氨 水循环系统 氨为制冷剂 水为吸收剂 返回 6 2 3地热发电 地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能 然后再将机械能转变为电能的能量转变过程 地热又称为地热发电的天然地热锅炉 由于地热锅炉里的地热液体类型 温度 压力和焓的不同 地热发电方式也不一样 目前开发的地热资源主要是蒸汽型 热水型和联合型三类 返回 一 地热蒸汽发电 地热蒸汽发电分一次蒸汽法和二次蒸汽法 一次蒸汽法直接利用地下的干饱和蒸汽 或者利用从汽 水混合物中分离出来的蒸汽发电 二次蒸汽法是不直接利用比较脏的天然蒸汽 一次蒸汽 发电 而是让它通过换热器汽化洁净水 在利用洁净蒸汽 二次蒸汽 发电 图6 9是将一次蒸汽先通入热水中 减压扩容分离出二次蒸汽 这种二次蒸汽压力仍高于当地大气压 和一次蒸汽一起进入气轮机发电 返回 二 地热水发电 按常规发电方法地热水是不能直接送入汽轮机去发电的 必须以蒸汽状态输入汽轮机做功 目前对于温度低于1000C的非饱和态地下热水发电 有两种方法 一是减压扩容法 利用抽真空装置 使进入扩容器的地下热水减压汽化 产生低于当地大气压力的扩容蒸汽 然后将汽和水分离 排水 输汽充入气轮机做功 这种系统又称为 闪蒸系统 这种方法存在结垢问题 发电机组容量小 但运行过程比较安全 二是双工质法 它是利用低沸点物质 如氯乙烷 正丁烷 异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质 地下热水通过换热器加热 使低沸点的物质迅速气化 利用所产生的气体推动气轮机做功发电 做功后的工质从气轮机排入冷凝器 经冷凝系统降温 又重新凝结成液态工质循环使用 这种方法称为 中间工质法 这种系统称为 双流系统 或称 双工质发电系统 如图6 10所示 该系统安全性较差 工质容易泄漏发生事故 因而很少采用 图6 10双工质发电示意图 返回 三 联合型发电 工作原理 来自地下的高温流体进入分离器后 汽体可直接推动 号汽轮机发电 发电后的废汽进入汽化器加热二级发电机的工作介质 使之汽化后推动 级汽轮机发电 级发电机后的废气进入集热器变成液体 再进入汽化器气化后循环工作 级发电后的卤水和汽化器下来的废液进入积热器可保持一定的温度 使 级气轮机返回的工质不致遇到太低的温度 积热器中的液体再次进入汽化器 以便再次循环使用 积热器和汽化器中的废液从回灌井排往地下 返回 6 3地温的开发利用 6 3 1 简介地下水具有常年基本恒温的特性 8 12oC 用作制冷时 地下水与室内空气通过地温空调快速热交换 使室温能在10分钟内由35oC降到20oC 使用中还可产生氧负离子净化空气 用作制热时 地温空调与锅炉 燃气炉 电水炉等配套使用 使煤的利用率从60 提高到80 以上 同样取暖效果节煤20 以上 6 3 2 地温的利用 1 地温空调地温空调又称水温空调 它以地下井水和炉水作为冷热源 对室内温度进行快速调控 整个过程实行微电脑自控 通过遥控操作可任意设定温度 随用随开豪华气派 它不用大功率压缩机 空调风机只有几十瓦 连续运行十几小时仅耗一度电 故比一般空调节电90 而价格仅有普通空调的25 左右 是家家买的起的经济实用型空调 2 地温塑料大棚试验结果表明 地下热交换系统通过白昼贮存太阳能并用于夜间加温 能使塑料大棚内外温差维持在7 左右 同时 大棚内地温也得到相应的提高 因此 塑料大棚中应用地下热交换系统可使棚内喜温蔬菜种植期在一年中延长45 55天左右 返回 6 4地热能开发利用发展预测 2010年我国地热能开发目标与任务一 高温地热发电装机达到75 100MW主要在藏滇高温地热区勘探开发200 250 以上深部热储 力争单井地热发电潜力达到10MW以上 单机发电10MW以上 二 地热采暖达到2200 2500万m2主要在北方京 津 冀地区 环渤海经济区 京九产业带 东北松辽盆地 陕中盆地 宁夏银川平原地区发展地热采暖 地热高科技农业 建立地热示范区 单井地热采暖工程力争达到15万m2 三 存在的障碍1 地热管理体制和开发利用工程 项目的市场经济运行机制没有建立起来 旧的计划经济管理体制 运行机制还没有完全改变 影响地热产业快速健康发展 2 地热资源的勘探 开发是具有高投入 高风险和知识密集的新兴产业 化解风险的机制和社会保障制度尚未建立起来 影响投资者 开发者的信心 影响了地热产业发展 3 系统的技术规程 规范和技术标准尚不健全和完善 返回 思考题 一 单项选择题 共10题20分 每题2分 1 西藏羊八井是我国青藏铁路线上的一个站点 已探明在该处地热田ZK4002孔 井深1500 2000m处 具有 的高温地热流体 2007上01 128 2 B 256 3 C 329 8 D 425 6 2 在地壳中 地温分布状况大致可分为三种状态 即变温带 常温带 增温带 在常温带中 地温常年保持在 0C左右 2007下