能源转换之地热能

地热能发电

摘要：介绍了地热资源的分布，定义和发展应用。从地热发电、地热空调和地热热泵等多个方面论述了地热资源利用情况及其原理过程，分析了地热资源在开发利用过程中存在的问题，指出目前地热发电系统存在的主要问题。

关键字：地热发电；地热空调；地热热泵；原理

1.概述

1.1地热及分类

地球的半径为6370 km，从内到外为地核、地幔和地壳。地壳的厚度为30-40 km，地核的温度约为5000 ℃，由内到外逐渐降低。地壳不是最好的传热体，只有通过比地壳更好的传热体才能利用地下的热能，如水或岩浆，因此地壳的凹陷处可以获得较强形式热能，比如盆地的温泉或火山。

地热资源可分为热水层、干蒸汽田、湿蒸汽田、干热岩层。

热水层：热水层由地下水受大地热流升温而形成，具有常温以上到90 ℃的低温热水，离地面较近，使用方便，用的最广。

干蒸田层：干蒸田层在盆地或河流三角洲的泥沙地带形成，埋地较深（约数千米），压力较高，温度在150 ℃左右，是理想热源。

湿蒸汽田：湿蒸汽田是高温水系统，水温度为150-400 ℃，当域靠近岩浆层，埋地深处压力较高，出地面时会产生饱和蒸汽，当温度压力降低后，就形成干湿水汽混合物。湿蒸汽田虽好，但地球上这种资源并不多。

干热岩层：干热岩层位于靠近岩浆的干岩层。利用这部分能量时需采用复杂的办法，如通过深层钻孔、注水方法取出热量。干热岩层地热能最为丰富，可获取的热量巨大，是将来可利用的热源。

干热岩和地压两类尚处于试验阶段，开发利用很少，未来可能有大规模发展

的潜力。

岩浆型资源的应用还处于课题研究阶段。

1.2我国的地热资源

我国地热资源分布的特点：藏滇、台湾、东南沿海及滇川有4个温泉密集带，广阔的平原地区虽无温泉出入，但地下深处蕴藏着丰富的热水及热卤水资源。我国地热资源丰富的地带如下图1所示，

图1 我国地热资源分布图

藏滇地区，西藏地区和云南省腾冲火山区是我国地热资源最丰富的地方。东北大平原跨松花江及辽河流域，存在有干热岩层地带，其热功率约为140万kW。华北盆地有温泉133处，水温40-90 ℃，热功率约46万kW。台湾地区有温泉103处，大屯火山区1500 m处水温为293 ℃。目前台湾地区地热发电站总装机容量3000kW，其热力功率可达20万kW。

我国已发现的地热区有3200多处，其中可用发电的高温地热有285处。初步估计，我国的地热可采储量相当于4626.5亿t标准煤。近年来我国地热开采利用量每年以7 %的速度增长。我国利用地热资源的方式主要是高温地热发电和中低温地热直接利用，现在我国西藏已建成3座地热变电站，全国地热电站总装机容量为29 MW。我国地热资源利用虽然占世界首位，但在我国能源结构中不足0.5 %，地热发电也仅占世界地热发电的0.35 %，大量开发和有效地利用地热

资源已成为我国当前能源问题形式下一个新的课题。

目前，我国只有西藏的羊八井地热发电站具有一定的生产规模。羊八井地热发电站从1977年10月第1台1000 kW试验机组发电成功投入运行后，从发电量4.94万kW·h增长到2004年年发电量1亿多kW·h，有效地缓解了拉萨电网的供需矛盾。羊八井地热发电站每年的发电量约占拉萨总电量的40 %，冬季可达到50 %。

1.3世界各国地热发电简况

地热带主要分布在地球板块碰撞的边界，全球主要五大地热带是：环太平洋地热带、地中海-喜马拉雅山地热带、大西洋中部地热带、红海-东非地热带和中亚地热带，如图2所示，

图2 世界各国地热资源分布图

地热发电1913年在意大利起步，现已取得了较大规模的发展：全世界地热发电装机总量合计为9169.2 MWe，其中美国占30.5 %，居第一位；菲律宾占21 %，居第二位；以下分别为墨西哥、印尼和意大利。

美国的地热资源主要分布在美国的西海岸加利福尼亚、内华达、犹他州。其中加利福尼亚州的盖瑟斯地热田产量1000 MW是目前世界最大的地热田，也是世界上最大的地热站所在地。意大利是世界上第一个利用地热发电的国家，1913年第一座装机容量0.25 MWe的电站在意大利建成并运行，标志着世界商业性地

热发电的开端。意大利地热发电的主要区域是在托斯卡地区，地热电站主要基地建在拉德瑞罗地热田。菲律宾是环太平洋火山带上的一个国家，火山遍布全国。1977年菲律宾开始大规模建造地热发电站，2000年菲律宾热电发电量占全国能源总量的12.94 %。德国巴伐利亚洲地热资源丰富，2007年冰岛能源技术公司ENEX与德国签订协议，计划在该州建设6座地热发电站。冰岛位于北大西洋靠近北极圈的海域，是欧洲第二大岛国。冰岛境内冰川与火山并存、地震与地热孪生，全岛11.5 %的土地为冰川所覆盖，有火山200多座，活火山30多座。若将冰岛全部地热能用来发电，则每年可发电800多亿千瓦时。2003年冰岛用于家庭供热地热能相当于燃烧64.6万t的油，与过去使用石油供暖相比较，相当于每人每年节省2 t石油。

2.地热发电技术

地热发电是地热利用的最重要方式。地热发电和火力发电的原理相同，都是利用蒸汽的热能在汽轮机中转变为机械能，然后带动发电机发电；不同的是，地热发电不需要庞大的锅炉，也不需要消耗燃料，所用的能源就是地热能。

2.1闪蒸式地热发电系统

地热发电可根据高温地热源温度的高低分为闪蒸式地热发电和双循环式地热发电系统。

闪蒸式地热发电系统技术成熟、运行安全可靠，是目前世界地热发电中采用较多的方式

闪蒸式地热发电系统优点是设备简单、易于制造，可以采用混合式热交换器。缺点是设备尺寸大、容易腐蚀结垢、热效率较低，对地下水的温度、矿化度及不凝气含量等有较高的要求。

不论是地热资源是湿蒸汽田还是热水层，闪蒸汽地热发电系统都是直接利用地下热源所产生的蒸汽推动汽轮机做功的。利用水的沸点和气压的关系，在101.33 kPa下，水在100 ℃沸腾，而在20.265 kPa时，水的沸点为60 ℃，在3.04 kPa时，水在24 ℃就可以沸腾。