第10讲 地热能的利用

地热的利用
地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，而对于不 同温度的地热流体可能利用的范围如下： 1、200～400℃ 直接发电及综合利用； 2、150～200℃ 双循环发电，工业干燥，工业热加工； 3、100～150℃ 双循环发电，供暖，工业干燥，脱水加工， 回收盐类； 4、50～100℃ 供暖，温室，家庭用热水，工业干燥； 5、20～50℃ 沐浴，水产养殖，饲养牲畜，土壤加温，脱水 加工。 现在许多国家为了提高地热利用率，而采用梯级开发和综合 利用的办法，如热电联产联供，热电冷三联产，先供暖后养殖 等。 人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗， 利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。 但真正认识地热资源，并进行较大规模的开发利用却是始于20世 纪中叶。
2)地幔：地球的中间部分，它大部
分是熔融状态的岩浆。地幔的厚度 约为2900km，它由硅镁物质组成， 温度在1000℃以上. 3)地核：地球的中心，地核的温度 在2000～5000 ℃之间，外核深 2900～5100km，内核深5100km以下 地幔 地核
至地心，一般认为是由铁、镍等重
金属组成的。
地壳中地温分布大致可分为三带：
地热能，简单地说，就是来自地下的热能，即地球内部蕴藏 的热能。是指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被 经济开采的天然热能。国际上一般指地壳浅部5km以内的热能。 这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致 火山爆发及地震的能量。
• 据计算，地球陆地以下5km内，15摄氏度以上岩石和地下水 总含热量达1.45×1026J，相当于4950万亿吨标准煤的热量。
目前地热资源勘探的深度可达地表以下5000m，其中2000m内为经济型地
热资源，2000～5000m为亚经济型地热资源。
地热资源形成的要素及形式
地热资源形成的要素
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。
地热资源类型
地热资源在地下热储中的形式：蒸汽型、热水型、地压型、
干热岩型和岩浆型资源等几类。
凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。
• 该系统 适用于高温（160℃以上）地热田的发电，系统简单。
1-干蒸汽；2-净化分离器；3-气轮发电机组；4-气压式凝汽器；5-一级抽汽器；6-二 级凝汽器；7-中间冷却器；8-排汽；9-后冷却器；10-冷却水泵；11-冷却水；12=循环 水泵；13-蒸汽井
变温带（外热带） 一般指地表向下15～30m左右，受太阳辐射影响，温度随大气温 度变化，其影响程度随深度而递减。
常温带（常温层）
它在变温带以下一定的深度范围内，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1-2℃。
比如，天津的年平均气温是12℃，地下常温带温度为14～15 ℃。
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， 至一定深度增温减弱。
第十讲 地热能的利用
地热能的来源与分类，地热发 电技术，地热能的直接利用技 术
地热及地热的来源
地热来源于地球内部，是地球内部长寿命放射性同位素 热核反应产生的。
• 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。
1联合循环发电联合循环地热发电系统就是把蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一这种地热发电系统一个最大的优点就是适用于大于150的高温地热流体发电经过一次发电后的流体在不低于120的工况下再进入双工质发电系统进行二次做功充分利用了地热流体的热能既提高了发电效率又将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用大大节约了资源
凝气式汽轮机地热蒸汽发电系统
（2）地下热水发电
地下热水发电分为闪蒸地热发电系统和双循环地热发 电系统两种。此外还有尚未商业利用的全流法地热发电系 统。 ①闪蒸地热发电系统：将地热井口来的地热水，先送 到闪蒸器中进行降压闪蒸（或称扩容）使其产生部分蒸汽 ，再引到常规汽轮机做功发电，也叫做减压扩容法地热发 电系统。 闪蒸地热发电系统又可分为单级和两级之分。
地热资源
• 地热资源是指在可预见的时间内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质和化学 成分。
• 地热资源可划分为高温(>150℃)、中温(90～150℃)和低温 (90 ℃以下)。
• 低温资源按其主要利用途径可分为热水( 60～90℃ ) 、温热 水( 40～60℃ )和温水( 25～40℃ ) ，可供采暖，烘干，医疗 保健，温室，灌溉，沐浴和水产养殖等利用。 • 中高温资源可供发电，干燥和工业利用。
地热异常区
• 地温梯度（地热梯度）
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，通常采用的单位是℃/100m，或℃/km。
地温梯度平均值是3 ℃/100m
•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量，其 单位为微卡/平方厘米· 秒，称一个热流单位，通常用HFu表示， 工程单位多用毫瓦/平方米表示。1HFu=41.87W/m2
• 放射性元素有铀238、铀235、钍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换 热 器 和 地 热 水 回 灌 系 统
地 热 潜 水 泵
地热换热站机房
（2）地热务农 地热在农业中的应用范围十分广阔。如利用温度适宜的地热水 灌溉农田，可使农作物早熟增产；利用地热水养鱼，在28℃水温 下可加速鱼的育肥，提高鱼的出产率；利用地热建造温室，育秧
、种菜和养花；利用地热给沼气池加温，提高沼气的产量 等。
经济效益差的问题。
地热能在应用中要注意地表的热应力承受能力，不能形成过 大的覆盖率，这会对地表温度和环境产生不利的影响！
未来随着与地热利用相关的高新技术的发展，将使人们能更
精确地查明地热资源，更深的钻井将从地层更深处取出地热，使 地热利用更加普及和广泛。
地热利用技术
2、地热发电
地热发电原理及分类 原理: 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。 分类: 按照载热体类型、温度、压力和其他特性的不同，目前 常用的地热发电的方式为地热蒸汽发电和地下热水发电两大类。 除此之外，还有一些新型的发电技术，尚未成熟。
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。 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的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
全球平均热流值为1.5HFu，我国大陆平均热流值约为1.5～1.6HFu。
地壳表层因地质作用使地热增温率提高，在局部地区导致热流值和地温梯 度值高于平均值的现象称为地热异常。而地热异常的范围则称之为地热异 常区。
地热显示：能够直接观 察到的地球内部热能在 地表的自然显现。分为 强显示（150-200℃以上） 和弱显示。
地热发电原理示意图
羊八井地热电站
（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
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。 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。
地热资源类型
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。 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600～1500℃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。
地热利用技术
1.地热能直接利用
（1）地热供暖 将地热能直接用于采暖、供热和供热水。这种利用方式简 单、经济性好，特别是位于高寒的地区。目前，我国利用地 热供暖和供热水发展非常迅速，在京津地区已成为地热利用 中最普遍的方式。 在国外，如冰岛地热供暖开发利用得最好。冰岛于1928年 在首都雷克雅未克建成了世界上第一个地热供热系统，现今 这一供热系统已发展得非常完善，每小时可从地下抽取 7740 吨80℃的热水，供全市11万居民使用。由于没有高耸的烟囱 ，冰岛首都已被誉为“世界上最清洁无烟的城市”。
►单级闪蒸地热发电系统 (又包括湿蒸汽型和热水 型两种)
湿蒸汽型
从地热井喷出的是蒸 气，经汽水分离器分 离后，蒸汽进入汽轮 发电机组发电。发电 后的蒸汽排入混合式 凝气器凝结成水后， 余下的热水则排走再 作其他综合利用，凝 汽器中未凝结气体由 抽气器抽出后排入大 气。
热水型地热田模型
地热资源类型
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(90—150℃)和低温(90 ℃以下)。 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2～ 3km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。
按世界年耗100亿吨标准煤计算，可满足人类几十万年能源
之需要。
地球的构造是怎样的?
• 地球是一个巨大的实心椭球体，它的表面积约为5.11×108km2，体积约为 1.0833×1012km2，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：
1)地壳： 地球最外面一层，地壳由 土层和坚硬的岩石组成，它的厚度 各处不一，介于10～70km之间。 地壳
将地热能直接用于农业在我国日益广泛，北京、天津、西藏和云 南等地都建有面积大小不等的地热温室。各地还利用地热大力发
展养殖业，如培养菌种、养殖非洲鲫鱼、鳗鱼、罗非鱼、罗氏沼
虾等。
（3）地热行医
地热在医疗领域的应用有诱人的前景。目前热矿水就被 视为一种宝贵的资源，世界各国都很珍惜。由于地热水从很 深的地下提取到地面，除温度较高外，常含有一些特殊的化 学元素，从而使它具有一定的医疗效果。如含碳酸的矿泉水 供饮用，可调节胃酸、平衡人体酸碱度；含铁矿泉水饮用后 ，可治疗缺铁贫血症； 氢泉、硫水氢泉洗浴可治疗神经衰弱 和关节炎、皮肤病等。
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。
大气降水—渗透—被加 热—在水压和密度差的作 用下，升温水产生环流并 沿着裂隙通道上升，溢出 地表，形成温泉、热泉。 如果岩浆喷出，则是火山 喷发。
由于温泉的医疗作用及伴随温泉出现的特殊的地质、地
貌条件，使温泉常常成为旅游胜地，吸引大批疗养者和旅游 者。在日本就有1500多个温泉疗养院，每年吸引1亿人到这些
疗养院休养。我国利用地热治疗疾病的历史悠久，含有各种
矿物元素的温泉众多，因此充分发挥地热的医疗作用，发展 温泉疗养行业是大有可为的。
地热开采多使用常规、现成部件和设备，系统比较简单。 地热能直接利用的局限性： 由于受载热介质——热水输送距离的制约，一般来说，热源 不宜离用热的城镇或居民点过远，否则将出现投资多、损耗大等