新能源發(fā)電技術(shù)

新能源發(fā)電技術(shù)第1頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六故事：楊貴妃入浴華清池（參見教材） 溫泉是來自地下的熱水，說明地球內(nèi)部存在著某種形式的熱能。如何利用這些來自地下的熱能，已經(jīng)成為人們非常關(guān)心的問題。2第2頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6地熱能及其利用關(guān)注的問題地球內(nèi)部蘊藏著豐富的熱能，這些能量是哪里來的？地熱資源的分布有何規(guī)律？人類何時開始懂得地熱能的利用？地熱能的利用方式有哪些？地熱發(fā)電的原理是怎樣的？地熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和難點在哪里？教學目標了解地熱資源情況和地熱能利用的發(fā)展歷史。掌握地熱能利用的主要方式和各自原理。理解發(fā)展利用地熱能的重要意義和發(fā)展方向。3第3頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.1地熱資源的形成地球是一個巨大實心橢球體，體積約為1萬億立方公里?！?.1.1地球的構(gòu)造和熱量來源地球內(nèi)部越深，溫度越高。各層的溫度，如圖所示。4第4頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六地球內(nèi)部的熱量，主要來自放射性元素的衰變。放射性元素的衰變是原子核能的釋放過程。高速粒子的動能與輻射能在與其它物質(zhì)的碰撞過程中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋４送?，熱的來源還有潮汐摩擦熱、化學反應熱等，不過所占比重都不大?！?.1.1地球的構(gòu)造和熱量來源5第5頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.1.2地熱資源的概念并非所有的地球內(nèi)部熱量都能作為能源進行利用。小知識：大地熱流（詳見教材）1）地表每年散發(fā)到大氣的熱量很多。但是太過分散，目前還無法作為能源。2）還有很多熱量埋藏在地球內(nèi)部的深處，開采困難，也很難被人類利用。6第6頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六在某些地質(zhì)作用下，地球內(nèi)部的熱能會向某些地域聚集，集中到特定深度范圍內(nèi)，有些能達到開發(fā)利用的條件?！?.1.2地熱資源的概念有時地球內(nèi)部的熱能會以傳導、對流和輻射的方式傳遞到地面上來，表現(xiàn)為火山爆發(fā)、間歇噴泉和溫泉等形式。地熱資源是指在當前技術(shù)經(jīng)濟和地質(zhì)環(huán)境條件下，能夠從地殼內(nèi)開發(fā)出來的熱能量和熱流體中的有用成分。地熱資源是集熱、礦、水為一體的礦產(chǎn)資源。7第7頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六從技術(shù)經(jīng)濟角度，目前勘查深度可達地表以下5000米， 深度在2000米以內(nèi)的為經(jīng)濟型地熱資源， 深度2000～5000米的為亞經(jīng)濟型地熱資源。地熱資源有明顯的礦產(chǎn)資源屬性，要開發(fā)和保護并重?！?.1.2地熱資源的概念小知識：地下3km范圍內(nèi)的地熱資源（教材154頁）。

8第8頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.2地熱資源的類型1）熱水型 ——包括熱水及濕蒸汽。2）干蒸汽型 ——高溫蒸汽。3）地壓型 ——高壓水，壓力一般可達幾十兆帕。4）干熱巖型 ——溫度很高的巖石層。5）巖漿型 ——高溫熔巖。§6.2.1地熱資源的存在形態(tài)目前人類開發(fā)利用的，主要是地熱蒸汽和地熱水兩大類，已經(jīng)有很多的實際應用。干熱巖和地壓兩類尚處于試驗階段，開發(fā)利用很少，未來可能有大規(guī)模發(fā)展的潛力。巖漿型資源的應用還處于課題研究階段。9第9頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.2.2地熱田80℃的地下熱水，大致埋藏在2000多米的地方。如果想獲得溫度更高的地熱資源，深度還要增加。世界之最：最深的人工礦井（詳見教材）地熱田就是在目前技術(shù)經(jīng)濟條件下具有開采價值的地熱資源集中分布的地區(qū)。目前可開發(fā)的地熱田主要是熱水田和蒸汽田。（1）熱水田熱水田提供的地熱資源主要是液態(tài)的熱水。（2）蒸汽田蒸汽田的地熱資源包括水蒸汽和高溫熱水。10第10頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六世界之最世界上最大的地熱田

蓋瑟爾斯地熱田（詳見教材）。第一個成功開發(fā)的大型熱水田

懷拉基地熱田（詳見教材）。11第11頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.3地熱能資源及其分布地熱能的總儲存量為煤炭的1.7億倍，是一個龐大的熱庫。據(jù)估計，全世界地熱資源的總量大約為1.45×1026

焦耳，

相當于5000萬億噸標準煤燃燒時放出的熱量。更多數(shù)據(jù)，詳見教材?！?.3.1地熱能的蘊藏量12第12頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.3.2世界地熱資源分布全球地熱資源的分布很不平衡，但有一定的規(guī)律。從全球地質(zhì)構(gòu)造觀點來看，小于150℃的中、低溫地熱資源，則分布于板塊內(nèi)部的活動斷裂帶、斷陷谷和坳陷盆地。大于150℃的高溫地熱資源，主要出現(xiàn)在地殼表層各大板塊的邊緣。地質(zhì)板塊的交接處形成的地熱資源豐富的地熱帶，稱為板間地熱帶。特點是熱源溫度高，多由火山或巖漿造成。板塊內(nèi)部靠近板塊邊界的部位，在一定地質(zhì)條件下也可能形成相對的高熱流區(qū)，稱為板內(nèi)地熱帶。13第13頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.3.2世界地熱資源分布環(huán)球性的板間地熱帶有4個。（1）環(huán)太平洋地熱帶許多著名的大型地熱田都在這里，如美國的蓋瑟爾斯；新西蘭的懷拉基地熱田；中國的臺灣馬槽、大屯地熱田等。（2）地中海－喜馬拉雅地熱帶歐亞板塊與非洲板塊和印度板塊的碰撞邊界，“縫合線型”。比較著名的地熱田有：意大利的拉德瑞羅地熱田，中國的西藏羊八井，等等。14第14頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.3.2世界地熱資源分布（3）大西洋中脊地熱帶是大西洋海洋板塊的開裂部位。從冰島至亞速爾群島有許多地熱田，其中最著名的是雷克雅未克地熱田。（4）紅海－亞丁灣－東非裂谷地熱帶位于阿拉伯板塊與非洲塊板的邊界，包括吉布提、肯尼亞等國的地熱田，如著名的肯尼亞阿爾卡利亞高溫地熱田等。各環(huán)球地熱帶的地理位置及與板塊的關(guān)系，參見教材圖6.5。世界上主要的高溫地熱田，參見教材表6-1。

15第15頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六我國擁有豐富的地熱資源。世界上四大板塊地熱帶中，兩個經(jīng)過我國版圖（哪兩個？）。全國地熱可采儲量，是已探明煤炭可采儲量的2.5倍，其中距地表2000米以內(nèi)儲藏的地熱能為2500億噸標準煤。以中低溫地熱資源為主。目前，全國經(jīng)正式勘查并經(jīng)國土資源儲量行政主管部門審批的地熱田有100多處。每年全國可開發(fā)利用的地熱水總量約60多億立方米?！?.3.3我國的地熱資源16第16頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六據(jù)現(xiàn)有資料，我國的地熱資源分布可劃分為7個地熱帶。（1）藏滇地熱帶 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)溫泉700多處，高于當?shù)胤悬c的熱水區(qū)近百處。 這是中國大陸地熱活動最強烈的地帶。

中國之最：中國溫度最高的地熱井。（2）臺灣地熱帶 中國地震最強烈、最頻繁的地帶。水熱活動有100多處。（3）東南沿海地熱帶 包括閩、粵、瓊、浙以及贛湘的一部分。已有大量地熱水被發(fā)現(xiàn)，一般為中低溫地熱水。17第17頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（4）魯皖鄂斷裂地熱帶 主要是低溫地熱資源，一般均為50～70℃。斷裂的深部有較高溫度的地熱水存在。（5）川滇青新地熱帶 昆明到康定一線的南北向狹長地帶，延伸入青海和新疆，擴大到四大盆地。以低溫熱水型資源為主。（6）祁呂弧形地熱帶 有近代地震活動帶，有歷史性溫泉出露地，主要地熱資源為低溫熱水。（7）松遼及其他地熱帶 有裂隙地熱形成，溫度為40～80℃。此外，還有一些像廣西南寧盆地那樣的孤立地熱區(qū)。

18第18頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.4地熱能利用的發(fā)展世界上許多地區(qū)很早就開始了對地熱能的利用。有文獻記載的歷史，也至少有幾千年。早期主要是利用天然溫泉和地下熱水、天然蒸汽。1812年，意大利人就從地熱泉水蒸發(fā)殘渣中提取硼酸。1827年，意大利人率先利用天然地熱蒸汽參與加工。20世紀，地熱資源開始被用于發(fā)電和一些新型的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，直接利用的發(fā)展規(guī)模也越來越大。20世紀中葉開始，地熱大規(guī)模開發(fā)利用漸漸盛行?！?.4.1世界地熱能直接利用19第19頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六目前地熱能的直接利用發(fā)展十分迅速，已廣泛地應用于各個方面，收到了良好的經(jīng)濟技術(shù)效益。地熱能的直接利用，技術(shù)要求較低，所需設(shè)備也較為簡易。直接利用是當前國內(nèi)外地熱能開發(fā)的最主要形式。古籍中有很多關(guān)于溫泉利用的記載。1995年利用的地熱總?cè)萘拷?00萬千瓦，已居世界第一位。到2000年，地熱利用總量超過100億千瓦時，繼續(xù)高居世界首位?！?.4.2我國地熱能直接利用20第20頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六世界第一個地熱供暖系統(tǒng)

1928年，冰島……世界最大的地熱應用工廠

目前世界上最大兩家地熱應用工廠……世界之最21第21頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.4.3世界地熱發(fā)電的發(fā)展自1904年第一次地熱發(fā)電成功以來，已經(jīng)有一個多世紀的的發(fā)展歷史。美國、墨西哥、前蘇聯(lián)、日本、菲律賓、薩爾瓦多、冰島和中國也陸續(xù)開展地熱發(fā)電的試驗研究和開發(fā)建設(shè)。尤其是1970s以來，地熱發(fā)電有了較快的發(fā)展。美國從1973年開始進行干熱巖的地熱開發(fā)試驗。英國、日本、法國也陸續(xù)開始進行干熱巖開發(fā)試驗。用150℃以下的中低溫熱水發(fā)電的研究，約從1970s開始。日本建過兩座利用150℃地熱水發(fā)電的1MW試驗電站。22第22頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六世界之最世界第一個地熱電站－拉德瑞羅（詳見教材）世界第一個濕蒸汽地熱電站－詳見教材世界第一個干熱巖地熱電站－詳見教材世界上最大的地熱電站－詳見教材23第23頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.4.3世界地熱發(fā)電的發(fā)展據(jù)2005年世界地熱大會統(tǒng)計，2004年全球直接利用地熱能超700萬億千瓦時，相當于每年節(jié)約了11232億桶石油；同時，減少CO2排放量5933萬噸。2005年世界地熱發(fā)電裝機容量達到了8912MW。2005年部分國家的地熱發(fā)電統(tǒng)計數(shù)據(jù)，參見表6-3。1975~2005地熱發(fā)電年裝機容量增長很快，參見表6-2。24第24頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.4.4我國地熱發(fā)電的發(fā)展我國的地熱發(fā)電開始于1970s初。在各省相繼建起了幾個小型發(fā)電試驗裝置，如表所示。25第25頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六中國之最中國第一個地熱電站－（詳見教材）中國最大的地熱電站－西藏羊八井（詳見教材）26第26頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六我國仍在實際運行的地熱電站只有西藏羊八井等四座（參見表6-5）。2020年的地熱發(fā)電建設(shè)目標是：

裝機容量達到400MW以上。目前，我國實際運行的地熱電站，年發(fā)電量近1.3億度，

居世界地熱發(fā)電排名第16位。27第27頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.5地熱能的一般利用不同溫度地熱流體的利用方式也有所不同?？傮w而言，地熱能在以下四個方面的應用最為廣泛和成功。1）地熱發(fā)電。2）地熱供暖。3）地熱用于農(nóng)業(yè)。4）溫泉洗浴和醫(yī)療。不同溫度地熱資源的可能利用方式，參見表6-6。§6.5.1地熱能的利用方式28第28頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.5.2地熱用于供暖采暖、供熱或提供熱水，是最普遍的地熱應用方式。包括：—地熱水供暖系統(tǒng)—地源熱泵系統(tǒng)—地源熱風供暖系統(tǒng)中國之最：最大的地熱供暖系統(tǒng)

在天津（詳見教材）世界之最：地源熱泵供暖比例最高的國家

瑞士（詳見教材）

29第29頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六還可以把土壤作為低溫熱源。一般是在土壤中埋設(shè)盤管或U形管，把從土壤吸收的熱能通過熱泵供應給室內(nèi)。30第30頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.5.3地熱用于農(nóng)業(yè)地熱在農(nóng)業(yè)中的應用范圍十分廣闊?！脺囟冗m宜的地熱水灌溉農(nóng)田；—利用地熱水養(yǎng)魚；—利用地熱建造溫室；—利用地熱給沼氣池加溫等。31第31頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.5.4溫泉洗浴和醫(yī)療在我國，溫度在25℃以上的地熱水才能稱為溫泉。地熱水中常含有鐵、硫等化學元素，因此很多天然溫泉具有一定的醫(yī)療保健作用。例如，……有些地熱水還可開發(fā)作為飲用礦泉水，并有特殊健康效果。世界各國都很珍惜，地熱在醫(yī)療領(lǐng)域的應用有誘人前景。中國之最：已知的最早的溫泉32第32頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.6地熱發(fā)電地熱發(fā)電的過程，是先把地熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。地熱電站的蒸氣溫度要比火電廠鍋爐出來的蒸氣溫度低得多，因而地熱蒸氣經(jīng)渦輪機的轉(zhuǎn)換效率較低。地熱發(fā)電一般要求地熱流體的溫度在150℃以上，這時熱轉(zhuǎn)換效率相對較高，因而發(fā)電成本較低，經(jīng)濟性較好。在缺乏高溫地熱資源的地區(qū)，中低溫（例如100℃以下）的地熱水也可以用來發(fā)電，只是經(jīng)濟性較差?！?.6.1地熱發(fā)電的原理33第33頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六經(jīng)過發(fā)電利用的地熱流都將重新注入地下，既能保持地下水位不變，還可在后續(xù)循環(huán)中從地下取回更多的熱量。在實際利用中，有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。例如：1）電站建設(shè)和運行的技術(shù)改進；2）提高地熱能的利用率；3）回灌技術(shù)；4）防止管道結(jié)垢和設(shè)備腐蝕；§6.6.1地熱發(fā)電的原理34第34頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.6.2蒸汽型地熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽型地熱發(fā)電是把高溫地熱田中的干蒸汽直接引人汽輪發(fā)電機組發(fā)電。在引人發(fā)電機組前先要把蒸汽中所含的巖屑、礦粒和水滴分離出去。蒸汽型地熱發(fā)電系統(tǒng)的類型有：－背壓式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)－凝汽式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)35第35頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.6.2蒸汽型地熱發(fā)電系統(tǒng)1）背壓式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)主要由凈化分離器和汽輪機組成。這是最簡單的地熱干蒸汽發(fā)電方式。大多用于地熱蒸汽中不凝結(jié)氣體含量很高的場合，或綜合利用于生產(chǎn)和生活。36第36頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.6.2蒸汽型地熱發(fā)電系統(tǒng)1）凝汽式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)蒸汽在汽輪機中急劇膨脹，做功更多。做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，被冷卻而凝結(jié)成水，然后排走。為保持很低的冷凝壓力（真空），常設(shè)有兩臺帶有冷卻器的抽汽器。采用凝汽式汽輪機，可以提高蒸汽型地熱電站的機組出力和發(fā)電效率，因此常被采用。37第37頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六§6.6.2蒸汽型地熱發(fā)電系統(tǒng)1）凝汽式汽輪機發(fā)電系統(tǒng)38第38頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六這是目前的主要方式，適用于中低溫地熱資源。低溫熱水或濕蒸汽不能直接送入汽輪機，需經(jīng)一定手段，把熱水變成蒸汽或利用其熱量產(chǎn)生別的蒸汽，才能用于發(fā)電。熱水型地熱發(fā)電，主要有兩種方式：－閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)－雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)§6.6.3熱水型地熱發(fā)電系統(tǒng)39第39頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（1）閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)小知識：氣壓與液體的沸點。閃蒸法也叫“減壓擴容法”，就是把低溫地熱水引入密封容器中，通過抽氣降低容器內(nèi)的氣壓，使地熱水在較低的溫度下沸騰生產(chǎn)蒸汽，體積膨脹的蒸汽做功推動輪發(fā)電機。

適合于地熱水質(zhì)較好且不凝氣體含量較少的地熱資源?！?.6.3熱水型地熱發(fā)電系統(tǒng)如果流體是濕蒸汽，則先進入汽水分離器，分離出的蒸汽送往汽輪機，分離下來的水進入閃蒸器。40第40頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（1）閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)為提高地熱能的利用率，還可采用兩級或多級閃蒸系統(tǒng)。發(fā)電量可增加。也可把地熱井口的全部流體，不經(jīng)處理直接送進全流膨脹器中做功，充分地利用地熱流體的全部能量。這種系統(tǒng)稱為全流法地熱發(fā)電系統(tǒng)。全流法單位凈輸出功率可比兩級閃蒸地熱發(fā)電系統(tǒng)提高。不過，這種系統(tǒng)的設(shè)備尺寸大，容易結(jié)垢、受腐蝕，對地下熱水的溫度、礦化度以及不凝氣體含量等有較高的要求?！?.6.3熱水型地熱發(fā)電系統(tǒng)41第41頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（2）雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)也叫低沸點工質(zhì)法，利用地下熱水加熱某種低沸點工質(zhì)，使其產(chǎn)生具有較高壓力的蒸汽并送入汽輪機。做功后的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)，循環(huán)使用。地熱水要回灌到地層中。§6.6.3熱水型地熱發(fā)電系統(tǒng)42第42頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六（2）雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)小知識：常用的低沸點工質(zhì)（詳見教材）。須注意：低沸點工質(zhì)導熱性差，價格較高，來源有限，有些還易燃、易爆、有毒、不穩(wěn)定、對金屬有腐蝕。

§6.6.3熱水型地熱發(fā)電系統(tǒng)雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點：①蒸汽壓力高，設(shè)備尺寸較小，成本較低；②地熱水不接觸發(fā)電系統(tǒng)，可避免關(guān)鍵設(shè)備的腐蝕。為了提高地熱資源的利用率，還可以考慮用兩級雙循環(huán)地熱發(fā)電系統(tǒng)，或者采用閃蒸與雙循環(huán)兩級串聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)。43第43頁，共48頁，2023年，2月20日，星期六1990s中期，以色列一家公司把地熱蒸汽發(fā)電和地熱水發(fā)電系統(tǒng)整合，設(shè)計出一個新的