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1、第六章 地热能 作者 东雪青,普通高等教育“十二五”规划教材,第六章 地热能 第一节 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。与煤炭、石油、天然气、铀相比，地热能分布最广，能量最丰富，而且可以在人类发展的历史中不断地得到补充。地热主要分布在构造板块边缘带，特别是火山和地震分布区，其能量载体主要是地下水。,地热具有以下几个方面的特点： 本土能源:开发利用地热能可以缓解我们对传统能源的依赖，实现能源资源的多元化利用，对加强国家在能源问题上的安全和独立有重要意义。 清洁能源：相对于煤、油等传统化学能源，开发地热能对环境所造成的污染少。 可再生能源:如果开发得
2、当，地热能可被长期稳定使用。 利用上存在多样性:既可以用于发电，也可以直接利用。 投入产出比高:其运行、维修费用相对低。它不但可以长期供热，而且供热时温度稳定，无昼夜之分，是很好的热泵热源和空调冷源。 因此，利用地热及作为空调冷热源中能源转换效率最高的水源热泵应用技术，正受到人们的日益重视和关注。,一、地球和地热能,地球的形状呈梨形，赤道半径约为6378公里，两极半径约为6356公里（见图6-1）。 地球分为地壳、地幔和地核三个圈层见（图6-2）。 地热的主要来源是长寿命的放射性同位素进行热核反应，及地球物质中放射性元素衰变产生的热量 在地壳中，地热的分布可分为可变温度带、常温带和增温带三个带
3、。,图6-1 地球的外部形状,图6-2 地球内部结构剖面图,二、地热现象,地热现象就是通过火山、温泉、间歇喷泉等形式由地球内部传送到地面的热能的现象。 地热现象主要有火山、温泉、沸泥塘、热水爆炸、喷气孔、水热蚀变以及泉华等。 1 、 火山爆发（图6-3） 是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部的热能在地表的一种最为强烈的显示。,图6-3 火山的喷发,2、温泉 温泉或热泉见（图6-4）又称热矿泉是指热水和矿水不断溢出地表的水泉. 3、喷气现象(图6-5) 在高温水热活动区，一股股现白色的水汽柱徐徐上升的现象。,图6-4温泉,图6-5 西藏羊八井蒸汽地热田,4、沸泥塘 沸泥塘的泥浆是由水热蚀变的矿
4、物及沸水组成的。由于水热蚀变矿物的成分不同，因而呈现出各种不同的色彩。 汤泥塘的泥浆有稀有稠，主要取决于泥浆中所合的水量及水热蚀变矿物含量的多少。 5、水热爆炸 在高温地热区，由于近地表岩体中含有水温高达200一250以上的过热水，这些过热水上升到近地表时因压力降低而大量地扩容成蒸汽并强烈地冲破盖层，同时将盖层的岩石块及砾石、砂土等连同热水和蒸汽一起抛掷出地表，在地表除形成一些干坑穴外，还常常形成热水湖、热水塘等。被抛掷到地表的碎石块及砂土按轻重大小散落在坑穴或湖塘周围，这种现象即称为水热爆炸，也可称为泥火山。,6、泉华（图6-6） 当地下热水和蒸汽沿着一定的通道(这些通道常常是陡立的或是近垂
5、直的断裂带和裂隙带)，上升至地表或赋存于地下浅部，由于温度和压力条件的变化，它们在地下深循环运移过程中，曾一度溶解于其中的矿物质，这时又从流体中沉淀了下来，形成色彩和形态各异的泉华沉积，通常称泉华。,7、水热蚀变 在热水(汽)与图岩相互作用中，无论是热水或围岩的化学成分或矿物成分都发生相应的变化，如热水失去一些钾，得到一些钙;围岩发生方解石化、白云石化、绢云母化、高岭石化、拂石化等，这就叫水热蚀变。,图6-6,第二节：地热资源类型及地热资源的分布,一、地热资源的类型及特点 地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，使地壳内能够科学、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
6、有用组分。地质学上常把地热资源分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型和岩浆型五大类，有另一种分法把蒸汽型和热水型合在一起统称为热液。,1、蒸汽型 蒸汽型地热田是最理想的地热资源，它是指以温度较高的干蒸汽或过热蒸汽形式存在的地下储热。 这种地热资源最容易开发，但是蒸汽因很少，仅占已探明地热资源的0.5%，而且地区局限性大。,2、热水型 热水型地热田是指以热水形式存在的地热田，通常既包括温度低于当地气压下饱和温度的热水和温度高于沸点的有压力的热水，又包括湿蒸汽。这类资源分布广，储量丰富，温度范围很大。 3、地压型 一种目前尚未被人们充分认识的、但可能是十分重要的一种地热资源。 地压型资源中的能量实际
7、上是由机械能（高压）、热能（高温）和化学能（天然气）三个部分组成。 4、干热岩型 干热岩是指地层深处普遍存在的没有水或蒸汽的热岩石。 它的储量十分丰富，比蒸汽、热水和地压型资源大得多。 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 岩浆型地热田是指蕴藏在地层更深处处于动弹性状态或完全熔融状态的高温熔岩。温度高达6001500左右。 这种类型的资源据估计约占已探明地热资源的40左右。 上述五类地热资源中，目前应用最广的是热水型和蒸汽型，干热岩和地压两大类尚处于试验阶段，开发利用很少。不过，仅仅是这一部分热能，其储量也是极为可观的了。 地热资源是地球上能源资源的重要组成部分，但是
8、至今尚难准确计算它的储量。 随着科学技术的不断发展，完全可以确信，地热能的开发深度还会逐渐增加，为我们提供的热量将会更大。,二、全球地热资源的分布,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，特别是与更新世纪以来构造应力场、热动力场有着直接的联系。 按板块构造学说，地热带首先被划分为板缘(或板间)地热带及板内地热带两大类。 板缘地热带是指沿板块边界展布的相对比较狭窄但延伸可达数干公里的高温地热带，属于火山型。板缘地热带因具有全球规模而且首尾相接，故常常被称为环球地热带。 板内地热带一般是指广泛分布于板块内部地壳隆起区(褶皱山系、山间盆地)及地壳
9、沉降区(主要是大型中新生代沉积盆地)规模相对较小的低温地热带，属于非火山型。 就全球来说，地热资源的分布是不平衡的。环球性的地热带主要有下列四个：,1、环太平洋地热带 它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界。包括堪察加半岛、日本、菲律宾、印度尼西亚，以及从南美西部起直至阿根廷、秘鲁、厄瓜多尔、中美洲和北美西部。 2、地中海一喜马拉雅地热带 它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界。这条地热带横穿亚洲一直延伸到地中海地区。世界第一座地热发电站意大利的拉德瑞罗地热田就位于这个地热带中。中国的西藏羊八井及云南腾冲地热田也在这个地热带中。,3、大西洋中脊地热带 这是大西洋海洋板块开
10、裂部位，冰岛的克拉弗拉、纳马菲亚尔和亚速尔群岛等一些地热田就位于这个地热带。还有，热地壳物质还存在于洋中脊（如爱尔兰和亚速尔群岛）和内大陆断裂区（如东非断裂、肯尼亚和埃塞俄比亚断裂）。 4、红海-亚丁湾-东非裂谷地热带 它包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田。 除了在板块边界部位形成地壳高热流区而出现高温地热田外，在板块内部靠近板块边界部位，在一定地质条件下也可形成相对的高热流区。如中国东部的胶、辽半岛，华北平原及东南沿海等地。,图6-7,图6-8,三、中国地热资源的类型和分布,1、中国高温地热能资源的分布 藏滇地热带位于：印度、欧亚两大板块的边界。著名的雅鲁藏布江深断裂带，为大陆板块碰
11、撞的接合带，也称为地缝合线，在我国境内，长达二千公里。 台湾地热带位于：太平样板块与欧亚板块的边界，为西太平洋岛弧型地热亚带的一部分。是我国东南部海岛地热活动最强烈的一个带，水热活动区有100余处，100以上的有6处。 2、中国低温地热能资源的分布 东南沿海地热带位于：太平洋板块与欧亚板块交接带以西中国大陆内侧，包括江西东部、湖南南部、福建、广东及海南岛等地 滇川地热带位于：印度与欧亚两大板块交接带以东纵贯滇川南北，沿南北构造带展布。,3我国地热资源分为四种类型： （1）现（近）代火山型 主要分布在台湾北部大屯火山区和云南西部腾冲火山区。 （2）岩浆型 在现代大陆板块碰撞边界附近，埋藏在地表以
12、下61O千米，隐伏着众多的高温岩浆，成为高温地热资源的热源。 （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,图6-9 我国地热田分布图,（4）断陷、凹陷盆地型 主要分布在板块内部巨型断陷、凹陷盆地之内该类地热源的热储层常常具有多层性、面状分布的特点,图6-10,第三节 地热能的利用,人类很早以前就懂得利用地热能。 目前，地热能的最大利用潜力是发电。 在我国如果能将全部地热能转化为电能，将会对我国能源结构产生巨大影响。 如果能将其全部转化为电能，将会对我国能源结构产生巨大影响。 在东部沿海地区储埋藏浅、水质好，同时又多处在人口集中、城镇密布的地区，地热水
13、的利用价值更高。 我国从20世纪70年代开始进行地热能的研究、开发和利用，受到政府的高度重视和支持。,图6-11 美国加利福尼亚盖塞地热发电厂,一、地热发电 据资料介绍和预测，今后世界上地热发电将有相当规模的发展，全世界发展中国家理论上从火山系统就可取得8000万千瓦的地热发电量 我国地热资源的分布较广，但从温度划分来讲，大都属于中低温地热田，主要用于供暖、温泉洗澡之用，用于工业发电则较少。我国进行地热发电研究工作起步较晚，始于六十年代末期。,图6-12 西藏羊八井地热发电站,1、地热蒸气发电热力系统 (1)系统原理 把蒸汽田中的干蒸汽直接引人 汽轮发电机组发电，这种发电 方式最为简单，但干蒸
14、汽地热 资源十分有限故发展受到限制。 主要有背压式和凝汽式两种发 电系统。如图（图6-13）。 (2) 适用范围 适用于高温 (160以上)地热田 发电,1.地热蒸汽井2.分离器3.汽轮机4.发电机 5.混合式凝汽器6排水泵7.排污泵 图6-13 地热蒸汽发电热力系统,2、闪蒸地热水发电热力系统 系统原理：闪蒸是将地热井口来的中温地热汽水混合物，先送到扩容器中进行降压扩容(又称闪蒸)使其产生部分蒸汽，再引到常规汽轮机做功发电。该方式分单级闪蒸系统和双级 (或多级)闪蒸系统。 (1) 单级闪蒸系统（图6-14） 系统简单，投资低，但热效率较低 (2) 双级闪蒸系统（图6-15） 系统热效率较高
15、(一般比单级闪蒸系统高20%)，厂用电率较低。但系统复杂，投资较高。,1.地热井2.热水泵3.一级扩容器 4.汽轮机 5.发电机6.混合式凝汽器7.排水泵8.排污泵 图6-14 单级闪蒸地热水发电热力系统,1.地热井2.热水泵3.一级扩容器4.二级扩容器 5.汽轮机6.发电机7.混合式凝汽器8.排水泵9.排污泵 图6-15 双级闪蒸地热水发电热力系统,3、双循环地热水发电热力系统 双循环地热水发电又叫热交换法地热发电，该方式分单级双循环系统和双级（或多级）双循环系统。 系统原理：在蒸发器中的地热水先将低沸点介质 (如氟里昂、异戊烷、异丁烷、正丁烷、氯丁烷)加热使之蒸发为气体，然后引到普通汽轮机
16、做功发电。排气经冷凝后重新送到蒸发器中，反复循环使用。,(1) 单级双循环系统（图6-16） 系统简单，投资少，但热效率低 (比双级低20%左右)，对蒸发器及整个管路系统严密性要求较高 (不能发生较大的泄漏)，还要经常补充少量中间介质。 (2) 双级 (或多级)双循环系统（图6-17） 双级(或多级)双循环热力系统热效率高 (比单级高 20%左右)，但系统复杂，投资高，对蒸发器及整个管路系统严密性要求较高，也存在防泄漏和经常需补充中间介质的间题。,1.热井水 2.热水泵 3.蒸发器4.汽轮机 5.发电机 6.表面式凝汽器7.循环泵 8.排水管 图6-16 单级双循环地热水发电热力系统,1.热水井2.热水泵3.一级蒸发器4.二级蒸发器 5.汽轮机6.发电机7.表面式凝汽器8.储液罐 9.循环泵10.地热水排水管 图6-17 双级中间介质地热水发电热力系统,4、全流发电系统 本系统将地热井口的全部流体，包括所有的蒸汽、热水、不凝气体及化学物质等，不经处理直接送进全流动力机械中膨胀做功，其后排放或收集到凝汽器中。这种形式可以充分利用地热流体的全
