动力工程(五)

二、地热发电原理和分类
1．直接利用地热蒸汽发电 将蒸汽型地热资源现有的温度、压力较高的干蒸汽， 从地热井引出经井口分离装置分离，除掉蒸汽中所含的 固体杂质，直接送入汽轮发电机组发电。这种方式投资 少、系统最简单、经济性也高，但蒸汽型地热资源储量 很少，只分布在有限的几个地热带上。
2．闪蒸地热发电系统(减压扩容法)
地热能在开发利用环境污染
地热能在开发利用过程中，也会带来环境污染， 其主要表现在：HS2、CO2的空气污染、含盐废水 的化学污染和热污染、噪声污染、地面沉降等几 方面。 但是上述污染可以通过气体净化、废水回灌、 安装消声器等措施来得到解决，因此地热能仍被 认为是清洁的再生能源。
第二节
海洋能发电
海洋能通常指海洋中所蕴藏的可再生的自然能源， 主要为潮汐能、波浪能、海流能(潮流能)、海水温差能和 海水浓度差能。 海洋面积约占地球表面的71％，因此海洋能的蕴藏量 大、分布广，是清洁的可再生能源，据估计这五种海洋能 的理论可再生总量为788亿kW，技术允许利用功率为64 亿kW。 由于本课程在“水力发电”一章中介绍过潮汐能、波 浪能、海流能(潮流能)，所以本节主要介绍海水温差能和 海水浓度差能。


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。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类。
一、地热资源的类型 地热资源根据其在地下储热中存在的不同形式，可以分 为五种类型： (1)蒸汽型地热资源。地下储热以温度较高的过热蒸 汽为主，杂有少量其他气体，水很少或没有。 (2)热水型地热资源。地下热储以热水或湿蒸汽为主， 根据其温度分为高温(150℃以上)、中温(90-150℃)和 低温(90℃以下)。 (3)地压型地热资源。以地压水的形式储于地表下 2—3km以下的深部沉积盆地中，被岩石盖层封闭有着很 高压力，温度在150—260℃。地压水中还溶有大量的甲 烷等碳氢化合物，构成有价值的产物。
海水浓度差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度 不同的海水之间的化学电位差能，主要存在于河海交接 处的一种可再生能源。 海水浓度差能是两种含盐度不同的水体相混时放 出的一种能量。其广泛分布于陆地江河入海处。海水中 含有大量的矿物盐，海水含盐浓度大于江河水，形成了 盐度差。当两种不同浓度的溶液混合在一起时，淡的溶 液就会向浓的方向渗透，直至浓度平稳为止，这种渗透 就带有压差。研究人员提出了用化学渗透膜隔开浓、淡 水，构成盐度差能电站的设想，预计本世纪将取得实质 性的突破。
2．闭式循环[低沸点 工质循环，见右图] 低沸点工质(如氨、 氟里昂等)在封闭 回路中完成饱和蒸 汽循环，系统处于 高压下，工质蒸汽 体积流量小，通流 部分尺寸不致过大。 但蒸发器和凝汽器 须用体积大的表面 式换热器，金属耗 量大。
3．混合循环 [见下图] 基本与闭式循环相同，但用温海水闪蒸出来的 低压蒸汽来加热低沸点工质。
一、海水温差发电
海水温差能是指海洋表层海水和深层海水之间水温 之差的热能。海洋的表面把太阳的辐射能的大部分转化 成为热水(25-28℃)并储存在海洋的上层，而接近冰点 (4—7℃)的深层海水大面积地在不到1000m的深度从 极地缓慢地环流到赤道。 这样，海洋本身就具有天然的、稳定的高温和低温 两个热源，并在许多热带或亚热带海域终年形成20℃ 左右的垂直海水温差，利用这一温差可以实现热力循环 并发电，其系统构成与地下热水发电很相似。
海水浓度差发电类型
(1) 渗透压法：利用浓度不同溶液之间的渗透压差发 电，这种方法必须通过半透膜才能实现。 (2)渗析电池法：利用不同浓度溶液之间的电位差发电， 又称浓淡电池法。这种方法必须使用两种不同的膜， 即阴离子交换膜与阳离子交换膜才能实现。 (3)蒸汽压差法：利用不同浓度溶液之间饱和蒸汽压的不 同来发电。


地球的内部是一个高温高压的世界，是一个巨大 的 “热库”，蕴藏着无比巨大的热能。地球内部蕴藏的热 量有多大呢？假定地球的平均温度为2000℃，地球的 质量为6x1024kg，地球内部的比热为1.045 J／g•℃，那 么整个地球内部的热含量大约为1.25X1031 J。
即便是在地球表层10km厚这样薄薄的一层，所贮存的热量 就有1025J。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。据估计，全世界地热资源的总量大约为14.5X1025J，相当 于4948 X1012t标准煤燃烧时所放出的热量。 如果把地球上贮存的全部煤炭燃烧时所放出的热量作为100来 计算，那么，石油的贮量约为煤炭的8%，目前可利用的核燃料 的贮量约为煤炭的15％，而地热能的总贮量则为煤炭的17000万 倍。可见，地球是一个名副其实的巨大“热库”，我们居住的地 球实际上是一个庞大的“热球”。

海洋温差电站预计对环境无不良影响，问题 是温差太小、能量密度过低，但技术上没有太多 问题，将来具有大规模开发的潜力。 由于它可以将深海富营养盐类的海水抽到上 层来，将有利于海洋生物的生长繁殖，若与海水 ຫໍສະໝຸດ Baidu殖、淡水供应、海洋采矿、空调和制冷结合起 来综合开发，则可取得更好的经济效果。
二、海水浓度差能发电
双循环系统与闪蒸系统相比较： 优点： ⑴ 低沸点工质的蒸汽比容比减压扩容后的水蒸汽比容 小得多，因此系统的管道和汽轮机尺寸都十分紧凑、造 价也低； ⑵ 汽轮机的做功介质是低沸点工质的蒸汽，就避免了 地热水中气、固杂质所导致的腐蚀问题； ⑶ 可以适应各种不同化学类型的地下热水；能利用温 度较低的地热水；地热排水回灌地下，避免了地面的大 气污染。 缺点： ⑴ 低沸点工质价格贵，来源不广，有的还易燃易爆或 有毒性，因而要求系统各处的密封性好、技术要求高； ⑵ 蒸发器、凝汽器和预热器都必须采用面式换热器， 增加了传热温差引起的不可逆热损失，低沸点工质一般 传热性能较差，换热面积要求较大，从而增加了投资； ⑶ 操作和维修要求高。
闪蒸地热发电的特点是： 系统比较简单，运行和维护较方便，而且 扩容器结构简单、凝汽器采用混合式，金属 消耗量少，造价低。 存在的缺点主要是： 产生的蒸汽压力低则比容大，蒸汽管道、 汽轮机的尺寸相应也大，投资增加；设备直 接受水质影响，易结垢、腐蚀；当蒸汽中挟 带的不凝结气体较多时，需要容量大的抽气 器维持高真空，因此自身能耗大。
3．双循环地热发电系统(低沸点工质循环)
低沸点工质循环是为克服闪蒸地热发电系统的缺点 而出现的一种循环系统。地下热水用深井泵加压打到地 面进入蒸发器，加热某种低沸点工质，使之变为低沸点 工质过热蒸汽，然后送人汽轮发电机组发电，汽轮机排 出的乏汽经凝汽器冷凝成液体，用工质泵再打回蒸发器 重新加热，重复循环使用。为充分利用地热水的余热， 从蒸发器排出的地热水去预热器加热来自凝汽器的低沸 点工质液体，使其温度接近饱和温度，再进人蒸发器。 为了保证从地热井来的地热水在输送过程中不闪蒸成蒸 汽和避免溶解气体从水中逸出，管路中的热水压力始终 大于其温度对应的饱和压力(见图1—50)。
目前，研究海水浓度差发电以渗透压法为主，不过还 处于实验室阶段。其原理是：两种不同盐度的水之间用一 层半透膜隔开，膜两侧会产生一个压力(渗透压)梯度，迫 使水从盐度低的一侧通过膜向盐度高的一侧渗透，直到膜 两侧水的盐度相等为止。 例如，采用水压塔渗透压系统进行海水浓度差能发电， 系统由水压塔、半透膜、海水泵、水轮发电机组等组成， 其中水压塔与淡水间由半透膜隔开。 其工作过程如下： 海水泵向水压塔内充入海水，在渗透压的作用下，淡 水从半透膜向水压塔内渗透，使得水压塔内水位升高，当 塔内水位上升到一定高度后，从塔顶的水槽溢出，冲击水 轮机旋转带动发电机发电。为了使水压塔内的海水保持一 定的盐度，海水泵必须不断向塔内打人海水，以实现系统 连续发电。

1．开式循环[闪蒸法或 扩容法，见右图] 表层温海水进入闪蒸器 产生蒸汽，深层冷海水 在凝汽器中冷却汽轮机 的乏汽。闪蒸器和凝汽 器可使用混合式换热器， 结构简单，维护方便， 若用表面式凝汽器，还 可副产淡水。但 低温水蒸汽饱和压力极 低(4kPa)，比容巨大 ，通流部分尺寸过大， 而且系统内会漏入大量 空气，真空泵电耗很大。
第三节 太阳能发电

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过 程产生的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能 量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的 22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说 太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万 吨煤。
(4)干热岩型地热资源。比上述各种资源规模更为巨大的 地热资源，广义上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，是专指埋深较浅、温度较高 (150-650℃)、有较大开发利用价值的热岩石。 (5)岩浆型地热资源。蕴藏于熔融状和半熔融状岩石中的 巨大能量，温度在 600-1500℃左右，埋藏部位最深， 目前还难以开发。
通常3.5％盐度的海水和河水之间的化学电 位差有相当于240m水头差的能量密度，据估计 世界各河流区域的浓度差能约有300亿kW，可供 利用的大约有26亿kW，我国可以开发利用的估 计有1亿kW。 科学家计算，每条江河入海口的透渗压能相 当于一个240米高的水位所产生的势能。世界上 以约旦河注入死海的河口处的盐能最大，其能量 相当一个500米高的大坝所造成的高水位势能。
4．全流式地热发电系统
根据热力学原理，由井口状态直接膨胀到废弃状态， 就有可能将最大份额的可用功转换出来，而扩容系统不 论级数多少，总是有部分可用能量随最后一级扩容器分 离出来的热水被排掉。全流发电系统就是试图将来自地 热井的地热流体(不论是水或是湿蒸汽)通过一台特殊设 计的两相膨胀机，使其一边膨胀一边做功，最后以汽体 的形式从膨胀机的排汽口排出。 该方法比闪蒸地热发电系统中的单级闪蒸法和两级 闪蒸法地热发电系统的单位净输出功率可分别提高60 ％和30％左右。为了获得全流系统的优越性能，膨胀 机的效率必须达到70％以上，但目前的实验机组还没 有达到这一指标，全流地热发电系统仍未进人商业应用 阶段。
第五章
新能源发电
ELECTRIC POWER GENERATION BY NEW ENERGY
能够提供可利用能量的物质资源
水力发电站 地热发电站 太阳能发电站 火力发电站 核电站
风力发电站
波浪发电站
太阳能收集站
沼气发酵池
潮汐发电站
第一节

地热发电
Geothermal energy
概述：地热能是来自地球深处的可再生热能。 它起源于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。 地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地 壳后，把热量从地下深处带至近表层。 在有些地方，热能随自然涌出的热蒸汽和水 而到达地面，自史前起它们就已被用于洗浴和蒸 煮。通过钻井，这些热能可以从地下的储层引入 水池、房间、温室和发电站。这种热能的储量相 当大。
5．利用干热岩发电 蒸汽型、热水型地热资源开发利用比较方便， 但储量不多，尤其是适合发电的高温资源更少， 而干热岩地热资源分布广、储量多，一般在地表 以下4-6km的深度范围内就可找到。干热岩发电 原理就是将地壳深处干热岩破碎、制造人工的裂 隙系统，把洁净水强制注入裂隙系统取得干热岩 的热能而获取可做功的高温蒸汽，干热岩裂隙系 统就是地下锅炉，干热岩破碎可以采用水力破碎 和核爆炸破碎。目前有少数国家在试验、研究， 如果干热岩流程技术能够解决，地热能也许会成 为重要的新能源。
在目前经济、技 术条件下开发普遍的是 储量相对较多、分布较 广的热水型地热资源， 其热能产生形式是热水 或湿蒸汽，比较合适采 用闪蒸地热发电系统。 来自地热井的热水首先 进入减压扩容器，扩容 器内维持着比热水压力 低的压力，因而部分热 水得以闪蒸并将产生的 蒸汽送往汽轮机膨胀做 功（如右图所示）
如地热井口流 体是湿蒸汽，则先 进入汽水分离器， 分离出的蒸汽送往 汽轮机做功，分离 剩余的水再进入扩 容器(如剩余热水直 接排放就是汽水分 离法，热能利用不 充分)，扩容后得到 的闪蒸蒸汽也送往 汽轮机做功（如右 图所示）