1、8.1 概述概述8.2 地热能的开发和应用地热能的开发和应用8.3 地热能的发展前景地热能的发展前景复习思考题复习思考题地热能已成为继煤炭、石油之后重要的替代能源之一，也是太阳能、风能、生物质能等新能源家族的重要成员之一，是一种无污染或极少污染的清洁绿色能源。据估算，赋存于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7亿倍，每年从地球内部经地表散失的热量相当于1000亿桶石油燃烧产生的热量。地热资源集热、矿、水为一体，除可以用于低热发电之外，还可以直接用于供暖、洗浴、医疗保健、休闲疗养、养殖、农业、纺织印染、食品加工等方面。8.1 概述 地球是一个巨大的椭球体，构造很像鸡蛋，主要分为地壳、地幔和地核三
2、层。外表相当于蛋壳的一个薄层叫“地壳”，厚度1070 km不等；地壳下面相当于蛋白的那一部分叫“地幔”，总厚度约2900 km；地球内部相当于蛋黄的那一部分叫“地核”，位于地球的中心，约3450 km。地核的物质组成以铁、镍为主，又分为内核和外核。内核的顶界面距地表约5100 km，约占地核直径的1/3。外核的顶界面距地表约2900 km。推测外核可能由液态铁组成，内核被认为是由刚性很高的，在极高压下结晶的固体铁镍合金组成。地核中心的压力可达到350万大气压，温度可达60007000。地幔是介于地表和地核之间的中间层，这是地球内部体积最大、质量最大的一层。它的物质组成具有过渡性。靠近地壳部分，
3、主要是硅酸盐类物质；靠近地核部分，则同地核的组成物质比较接近，主要是铁、镍金属氧化物。8.1.1 地热资源的来源一般认为地幔顶部存在一个软流层，是放射性物质集中的地方，由于放射性物质不断分裂的结果，软流层的温度 很 高，大 致 在1000以上，有些地方可达到2000甚至3000，这样高的温度足可以使岩石熔化，形成熔岩。8.1.1 地热资源的来源图图8-1 地球地质构造与地温分布地球地质构造与地温分布8.1.1 地热资源的来源 熔岩沿着地壳的裂隙涌向地壳表层，有些熔岩因为压力太高或者没有遇到有力的阻挡，直接喷出地面，大部分熔岩则遇到岩石层的阻挡，没有喷出，而是将其周边的岩石加热。如果这些被加热的
4、岩石内有大量的地下水存在，这些地下水就会被加热成热水甚至水蒸气，通过凿井的方式取出地下热水或蒸汽，就是传统意义上的地热资源。图8-2 地热能的形成过程8.1.1 地热资源的来源 地球内部蕴藏着巨大的能量，这些能量产生的原因比较复杂，与地球的形成过程以及地球内部的放射性元素的衰变（俗称“核能”或“原子能”）、地球内部的各种运动和各种化学反应都有关系。地热能的概念有广义的和狭义的两种，广义上可以把地球内部所拥有的全部能量都称为地热能，但地球中心部位的巨大能量是无法利用的，所以一般所说的地热能是指能够开采的地球中心的能量。就目前的技术水平而言，地热资源勘探开采的深度可达地表以下5000 m，其中20
5、00 m以内的地热资源的开采具有很好的经济性，如果地热资源丰富且品位较高，20005000 m的地热资源也具有开采价值。8.1.2 地质资源的特点 储量巨大。据估算，储存于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7亿倍，全球可开采地热资源量为每年500109 GJ，超过当今全球年均一次能源消耗的总量。随着科技的进步，人类将能够利用地球更深部位的地热资源，资源量更大，品位更高，完全可以解决人类未来的能源需求。可以高效、稳定、连续地供应。地热能利用效率高，和其他新能源相比，地热能平均能源利用效率高达73%，是风能的34倍，太阳能的45倍，生物质能的1.5倍。而且，地热资源不受外界环境条件的影响，地热发
6、电不仅可以长期稳定地运行，而且可以随意调峰，在这一点上，不仅优于太阳能和风能这类受环境变化影响的可再生能源，也优于传统的火力发电，因为火力发电调峰困难。地热电站的建设与运行费用不仅与风电和太阳能发电相比具有优势，随着技术的不断进步，与传统火力发电相比也同样具有竞争力，一旦建立起地热电站，其发电所需一次能源的成本几乎为零，是一种完全可以依靠市场化发展和运作的能源技术。8.1.3 地热资源的存在形式（1 1）蒸汽型资源蒸汽型资源 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，掺杂有少量其它气体，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，
7、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，仅占已探明的地热资源总量的0.5%。地热资源按其在地下的赋存状态，可以分为水热型、干热岩型、地压型和岩浆型地热资源；其中水热型地热资源又可进一步划分为蒸汽型和热水型地热资源。8.1.3地热资源的存在形式（2 2）热水型资源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，约占已探明的地热资源总量的10%，其温度范围从接近室温到高达390。根据其温度可分为高温（150）、中温（90150）和低温（90以下）热水型资源。热水型资源的利用途径
8、广泛，普遍应用在地热发电、工业加工、农业灌溉、水产养殖等领域。我国中低温热水型资源直接利用始终走在世界的前列。（3 3）地压型资源）地压型资源地压型地热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23 km的深部沉积盆地中，并被不透水的盖层所封闭，形成长1000 km、宽数百千米的巨大热水体，其压力可达几十MPa，温度约为150260之间，其储量约是已探明的地热资源总量的20%。地压水除了具有高压、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
9、的。8.1.3地热资源的存在形式（4 4）干热岩型资源）干热岩型资源广义地说，干热岩指地下不存在热水和蒸汽的热储岩体。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。干热岩是普遍埋藏于地表以下310 km处，温度高达150650的岩体，没有水和水蒸气，是分布在全球无所不在的资源。干热岩储量十分丰富，约为已探明的地热资源总量的30%。（5 5）岩浆型资源）岩浆型资源 熔岩型地热资源系 指蕴藏在熔融状态和半熔融状态岩浆中的巨大能量。它是埋藏部位最深的一种完全熔化的热熔岩，热储温度6001500。熔岩储藏的热能比其它几种都多，约占已探明的地热资源总量的40%左右。但这类资源一般埋藏较深，钻探尚难
10、达到。可开发的对象多在现代火山区，即地壳浅部存在的岩浆囊或尚未完全凝固的岩浆体中。要直接利用岩浆的巨大热能，难度很大，必须用遥感和地球物理等方法和理论，查明岩浆的形态、规模、埋藏深度，解决开发岩浆源的技术，制造能下到岩浆一定深度的换热器，生产抗高温（1600）、高压（400MPa）、耐强腐蚀的材料，还需掌握地球动力学在极高压力下熔岩的对流和传热过程等，方能有计划地提取热能。8.1.3地热资源的存在形式 目前能为人类开发利用的主要是地热蒸汽和地热水两大类资源，人类对这两类资源已有较多的应用；干热岩和地压两大类资源尚处于试验阶段，开发利用还较少。不过，仅仅是蒸汽型和热水型两种资源的储量也是极为可观
11、的，仅目前可供开采的地下3 km范围内的地热资源，就相当于2.91012 t煤炭燃烧所发出的热量。8.1.4 世界地热资源及其分布 地热资源的成生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，特别是与更新世以来构造应力场、热动力场有着直接的联系。从全球地质构造观点来看，大于150的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘，如板块的碰撞带，板块开裂部位和现代裂谷带；小于150的中、低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地地区。从世界范围来说，主要有4个地热带。图图8-3 8-3 环球地热带分布环球地热带分布地热带名称位置类型热储温度/典型
12、地热田及温度（）环太平洋地热带东太平洋中脊地热亚带位于太平洋板块与南极洲和北美洲板块边界洋中脊型288388美国：盖瑟斯（288）、索尔顿湖（360）墨西哥：塞罗普列托（388）西太平洋岛弧地热亚带位于太平洋板块与欧亚扩印度洋板块边界岛弧型150296中国台湾：大屯（293）日本：松川（250）、大岳（206）菲律宾：蒂威（154）印度尼西亚：卡莫将（150200）新西兰：怀拉开（266）、卡韦劳（285）、布罗德兹（296）东南太平洋缝合线地热亚带位于太平洋板块与南美洲板块边界缝合线型200智利：埃尔塔蒂奥（221）地中海-喜马拉雅地热带位于欧亚板块、非洲板块与印度板块碰撞的拼合地带缝合线型
13、150200中国：羊八井（230）、羊易、腾冲、热海意大利：拉德瑞罗（245）土耳其：克泽尔代尔（200）印度：普加大西洋地热带位于美洲与欧亚、非洲板块边界洋中脊型200250冰岛：亨伊尔（230）、雷克雅内斯（286）、纳马菲雅尔（280）红海-亚丁湾-东非裂谷地热带位于阿拉伯板块（次级板块）与非洲板块边界洋中脊型200埃塞俄比亚：比洛尔（200）肯尼亚：奥尔卡利亚（287）表表8-1 8-1 全球著名的全球著名的4 4个环球地热带特征个环球地热带特征8.1.4世界地热资源及其分布（1 1）环太平洋地热带）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，以显著的高热
14、流、年轻的造山运动和活火山活动为特征，可分为东太平洋中脊、西太平洋岛弧、东南太平洋缝合线3个地热亚带。分布范围包括美国的阿拉斯加、加利福尼亚到墨西哥、智利，从新西兰、印度尼西亚、菲律宾到中国沿海和日本。世界许多著名的地热田，如美国的盖瑟尔斯、长谷、罗斯福，墨西哥的塞罗、普列托，新西兰的怀腊开，中国台湾的马槽，日本的松川、大岳等增多在这一带。开发利用的热储温度一般在250300。8.1.4世界地热资源及其分布（2 2）地中海）地中海-喜马拉雅缝合线型地热带喜马拉雅缝合线型地热带 它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界，西起意大利，向东经土耳其、巴基斯坦进入我国西藏阿里地区，然后向东经雅鲁藏布
15、江流域至怒江而后折向东南，至云南的腾冲。该带以年轻造山运动、现代火山作用、岩浆侵入以及高热流等为特征。热储温度一般在150200。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 3）大西洋洋中脊型地热带）大西洋洋中脊型地热带 出露于大西洋中脊扩张带的一个巨型环球地热带，位于美洲、欧亚、非洲等板块的边界，其大部分在洋底，洋中脊出露海面的部分，主要有冰岛的克拉弗拉、纳马菲雅尔和雷克雅未克等高温地热田。地热带在陆上的主体部分，其热储温度多在200以上。8.1.4世界地热资源及其分布（4 4）红海）红海-亚丁湾亚丁湾-东非裂谷型地热
16、带东非裂谷型地热带 洋中脊扩张带及大陆裂谷系展布，位于阿拉伯板块与非洲板块的边界。以高热流、现代火山作用以及断裂活动为特征。分布范围自亚丁湾向北至红海，向南与东非大裂谷连接。包括吉布提、埃塞俄比亚、肯尼亚等国的地热田，热储温度都在200以上。中低温地热资源则广泛分布于板块内部。远离板块边界的板内广大地区,构造活动性减弱或为稳定块体,热背景正常以至偏低,水热活动随之减弱,一般形成中低温地热资源。板内地热带主要包括板块内部皱褶山系及山间盆地等构成的地壳隆起区和以中新生代沉积盆地为主的沉降区内发育的中低温地热带。8.1.5中国地热资源分布概况 独特的地质构造特征与地理位置，决定了我国是一个地热资源较
17、丰富的国家。如图8-4所示，我国地热资源（尤其是中低温地热资源）广泛分布于我国东南沿海、西南地区、胶东半岛和大面积分布的沉积盆地。按地理位置可划分为以下交区带：藏滇地热带；川滇地热带；郯庐断裂地热带；祁昌弧形地热带；东南沿海地热带；台湾地热带。图8-4 中国常规地热资源分布8.1.5 中国地热资源分布概况 高温地热资源的分布主要集中在两个带上：一个是环太平洋地热带通过的台湾大屯火山区一带，包括我国台湾、福建、广东及辽东半岛，其高温地热田主要分布在台湾省，其余诸省则多属 150 以下的中温热水型地热田；另一个是地中海-喜马拉雅地热带通过的由云南本部腾冲火山区到藏南羊八井一带，是我国内陆水热活动最
18、强烈的地区。在这个带上已发现近百处高于当地沸点的水热活动区，是一个高温水热型和蒸汽型地热带。种种迹象表明，该带也很可能延至中国境内新疆地区。中国中低温地热资源广布于板块内部的大陆地壳隆起区和地壳沉降区。其中，地壳隆起区发育有不同地质时期形成的断裂带，经多期活动，它们多数可成为地下水运动和上升的良好通道。大气降水渗入地壳深部经深循环在正常地温梯度下加热后，沿活动性断裂涌出地表形成温泉。东南沿海地热带是地壳隆起区温泉最密集的地带，主要包括江西东部、湖南南部、福建、广东及海南省等地。在板块内部地壳沉降区，中国广泛发育了中、新生代沉积盆地，如华北盆地、松辽盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、渭河盆地、苏北盆
19、地、准噶尔盆地、塔里木盆地和柴达木盆地等，这些盆地蕴藏着丰富的中低温地热资源。这类资源又往往跟油气或其他矿产资源如煤炭等处在同一盆地之中。8.1.5 中国地热资源分布概况 自20世纪70年代以来，中国有一些学者、研究机构和生产单位对国内一些重点地区和地热田开展了地热资源评价工作，评价成果对地热资源勘查开发和利用起到积极的指导作用。为了摸清资源“家底”，优选勘探靶区，为国家制定中长期地热资源发展规划提供科学依据，中国地质调查局组织开展了全国地热资源评价工作。据全国地热资源评价成果统计（表8-2），中国12个主要盆地（平原）地热资源量为24 964.41018 J，折合标准煤8 531.9 108
20、 t，预计每年可采的地热资源量折合标准煤6.4108 t，每年可减排CO2 13108 t；全国温泉年放热量为1.32 1017 J，相当于燃烧451.83 104 t标准煤产生的热量，若取可采系数5.0，则中国对流型地热资源的可采资源量为6.6 1017 J/a，折合标准煤2 259.1 104 t/a。盆地（平原）面积/km2热储层系地热资源量/1018 J折合标准煤/108 t华北平原90 000明化镇组、馆陶组、基岩5 420.51 852.5河淮盆地68 050新近系1 984.7678.3苏北盆地31 750新近系495.0169.2下辽河盆地3 385新近系31.910.9渭河-
21、运城盆地24 625新近系、第四系3 652.11 248.2松辽盆地144 400白垩系中、上统992.4339.2鄂尔多盆地159 600下白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系2 548.1870.8四川盆地200 000侏罗系、三叠系、二叠系7 783.82 660.2银川平原2 515第三系、奥陶系409.8140.0西宁盆地834第三系238.781.6江汉盆地28 000新近系241.582.5河套平原28 000新近系1 165.9398.5合计781 15924 964.48 531.9表8-2 中国12个主要盆地（平原）地热资源评价结果统计8.1.6 地热能的发展概况 人类很早以前
22、就开始利用地热能，但真正认识地热资源并进行较大规模的开发却始于20世纪中叶。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方法，如热电联供，冷热电三联产，先供暖后养殖等。地热能的利用可分为地热发电和直接利用两大类，对于不同温度的地热流体可利用的范围如下：200400，直接发电或综合发电；150200，可用于双循环发电、制冷、工业干燥、工业热加工等；100150，可用于双循环发电、供暖、制冷、工业干燥、脱水加工、回 收盐类、制作罐头食品等；50100，可用于供暖、温室、家庭用热水、工业干燥；2050，可用于沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。8.1.6 地热能的发展概况一
23、、地热发电地热发电兴起于20世纪初，至今已有100多年的历史。世界上最早利用地热发电的国家是意大利。1904年，意大利建成了世界上第一台552W的小型试验性地热发电机组，开了地热发电之先河。这座地热试验电站利用天然的地热蒸汽发电，是目前世界上为数不多的干蒸汽地热电站之一。1913年，他们建成了第一座商业性的250kW的拉德瑞罗（Larderello）地热电站，并正式投入运行，被认为是世界地热发电的开端。自20世纪90年代以来，拉德瑞罗地热电站陆续淘汰旧机组、建设新机组，截至2013年，电站运行机组为22台，总装机容量为594MW。8.1.6 地热能的发展概况世界其他国家地热发电的历史则大大滞后
24、于意大利。20世纪60年代才陆续开始利用地热发电。新西兰地热开发始于1958年的怀拉基（Wairakei）地热电站，首次利用扩容法解决了热水型地热资源的发电技术。新西兰的地热项目主要集中在北岛中部。2013年总装机容量超过760MW，占全国发电量的10%。此外，一些新的项目也正在进行中，其目标是截至2015年，地热发电增长15%。目前，新西兰地热发电主要分布是：Wairakei（230 MW）、Rotokawa（167 MW）、Kawerau（122 MW）、Mokai（111 MW）、Reporoa（103 MW）、Ngawha（25 MW）。图图8-5 8-5 新西兰地热发电站（左：新西兰
25、地热发电站（左：WairakeiWairakei电电站；右：站；右：RotokawaRotokawa电站）电站）美国是世界上利用地热发电较早的国家，最著名的盖瑟尔斯（Geysers）干蒸汽地热电站建于1960年，是世界上最大的地热电站，装机容量目前已达2800 MW。在美国，地热发电站主要位于加利福尼亚、内华达、俄勒冈、犹他等州。至2014年美国总装机容量约为3448 MW，实际运行超过2000 MW。此外，新工程也在计划和建设中。日本松川（Matsukawa）地热电站于1966年开始运行，至2013年日本全国17个地区约有20个地热电站（其中大多数位于东北和九州地区），总装机容量537 MW
26、。但近年来，日本的地热发电并没有重大的进步和发展，仅新添两座位于Hatchobaru地热田和Kirishima Kokusai地区小于的双工质电站。墨西哥2013年地热装机容量为1017 MW，主要分布在四个地热田：Cerro Prieto地热田（720 MW）、Los Azufres地热田（188 MW）、Los Humeros地热田（40 MW）以及Las Tres Virgenes地热田（10 MW）。2010年，在Los Humeros地热田又新建了两个25 MW的凝汽式机组。现在Los Humeros地热田增加的装机容量为35 MW，总共达到70 MW。8.1.6 地热能的发展概况肯
27、尼亚拥有丰富的地热资源，据估算超过7000 MW。在19801990年，肯尼亚Olkaria地热田总装机容量由15 MW逐渐增加至130 MW，至2008年末增长到166 MW。图8-6是2003年10月开始运行的肯尼亚第二个地热电站Olkaria II电站（装机容量为70 MW），由两个容量为35 MW的三菱冷凝式汽轮发电机组组成，到2005年，装机容量增至105 MW。另外，在肯尼亚的Eburru及其邻近区域，正在规划一个小型（2.5 MW）的一次闪蒸先导电站。肯尼亚计划2020年开发2000 MW。8.1.6 地热能的发展概况图图8-6 8-6 肯尼亚肯尼亚OlkariaOlkaria
28、II II电站电站近年来，冰岛的地热发电量迅速增长，2013年全国范围内的装机容量达到664 MW，另外230 MW也正在计划建设中。主要分布地区为：Hellisheidi（213 MW）、Nesjavellir（120 MW）、Reykjanes（100 MW）、Svartsengi（76 MW）以及Krafla（60 MW）。地热资源的利用占整个冰岛能源消耗的62%，居世界之首。与此同时，自2008年以来，在冰岛的Krafla地热田，冰岛深钻工程（IDDP）顺利开展，开创了冰岛地热资源开发的一个新纪元。这一项目的主要目的是研究在超临界条件下从岩浆地热系统中开采出能量与化学物是否可行。IDD
29、P-1号井完井深度达4500 m，流体温度约452，井口压力140 bar，测量的热焓值为3200 kJ/kg，估算发电功率约为35 MW，如图8-7所示。8.1.6 地热能的发展概况图图8-7 8-7 冰岛冰岛KraflaKrafla地热田地热田IDDP-1IDDP-1号井流体测试号井流体测试德国地热发电起步较晚，2003年11月，在Neustadt-Glewe第一座德国地热电站开始运行，装机容量约230 kW，但是德国开发增强型地热系统走在了世界前列。2008年，世界第一个商业化增强型地热系统（干热岩）在德国Laudau建成。由于德国缺乏高焓地热资源，地热发电主要限于双工质地热电站。根据德
30、国地热协会的官方数据表明，计划到2020年实施150个地热项目，总装机容量有望达到280 MW。8.1.6 地热能的发展概况据2010年印尼世界地热大会统计，世界上约有32个国家先后建立了地热发电站，2017年底全球地热装机达到14,060 MW，排在前10位的地热发电装机国家是：美国(3,591 MW)、菲律宾(1,868 MW)、印度尼西亚(1,809 MW)、土耳其(1,100 MW)、新西兰(980 MW)、墨西哥(951 MW)、意大利(944 MW)、冰岛(710 MW)、肯尼亚(676 MW)、日本(542 MW)。同时，印度尼西亚、土耳其等国家新增地热发电装机容量也保持了较快的
31、增长速度（如图8-9），仅印度尼西亚2017年就新增发电装机容量275MW，远远超过除土耳其之外的其它国家。表8-3总结了2015年世界各种类型地热电站的装机容量及所占比例。图图8-8 20178-8 2017年地热装机容量排行前十的国家及累积装机容量年地热装机容量排行前十的国家及累积装机容量8.1.6 地热能的发展概况8.1.6 地热能的发展概况图图8-9 20178-9 2017年主要国家新增发电装机容量情况年主要国家新增发电装机容量情况类型装机容量/MW所占比例/%干蒸汽286322.6一次闪蒸508140.2二次闪蒸254420.1双工质、联合179014.2背压式1821.4合计12
32、642100表表8-3 20158-3 2015年世界各种类型发电方式装机容量及比例年世界各种类型发电方式装机容量及比例8.1.6 地热能的发展概况 我国的地热发电开始于20世纪70年代初。1970年，广东省丰顺县邓屋建立起中国第一座闪蒸系统（减压扩容法）地热试验电站，利用9192的地热水发电，最大装机容量为300 kW，输出功率约为86 kW。1977年，我国开始开发中高温地热能，并在西藏羊八井建设了第一个中高温地热发电示范电站，并陆续扩建。1985年，阿里地区朗久地热电站的2 MW装机投运，后因地热井产汽量不足，维持1台机组以400 kW出力间断运行；那曲地热电厂1 MW装机于1994年投
33、运，后因井口结垢堵死在1999年停运。目前，我国正在运行的中高温地热发电站只有西藏羊八井，装机容量24.18 MW，每年发电在1108 kW.h上下，在2010年世界地热装机容量中位居全球第18位，发展缓慢。中国地热发电站概览见表8-4。近年来地热发电逐渐得到重视，高温干蒸汽发电技术已经成熟，全流发电在我国取得快速发展，干热岩发电的研发工作稳步推进。国家地热能开发利用“十三五”规划中提出到2020年，地热发电装机容量达到530 MW。相信在不久的将来，我国地热发电将取得新的突破。8.1.6 地热能的发展概况电站名称建成时间地热水温度（）循环方式机组容量（kW）投运年份丰顺地热试验电站（广东省丰
34、顺县邓屋）1970年91一次闪蒸扩容1号机组：86停运1978年91双工质循环2号机组：200停运1984年91一次闪蒸扩容3号机组：300运行温汤地热试验电站（江西省宜春市温汤）1971年67双工质循环50拆除怀来地热试验电站（河北省怀来县后郝窑1971年85双工质循环200拆除招远地热试验电站（山东省招远县）1973年91一次闪蒸扩容200拆除灰汤地热试验电站（湖南省宁乡县灰汤）1975年90一次闪蒸扩容300间断运行熊岳地热试验电站（辽宁省营口市熊岳）1977年84双工质循环100拆除羊八井地热电站（西藏羊八井）1977年145一次闪蒸扩容1号机组：1000停运1981年140160二次
35、闪蒸扩容2号机组：3000运行1982年二次闪蒸扩容3号机组：30001985年二次闪蒸扩容4号机组：30001986年5号机组：30001988年6号机组：30001989年7号机组：30001990年8号机组：30001991年9号机组：3000朗久地热电站（西藏阿里地区朗久）1987年104一次闪蒸扩容1000（实际最高300）间断运行那曲地热电站（西藏那曲镇）1993年110双工质循环1000间断运行清水地热试验电站（台湾省清水）1981年226一次闪蒸扩容3000停运土场地热试验电站（台湾省土场）1985173双工质循环300停运表表8-4 8-4 中国地热发电站概览中国地热发电站概
36、览一、地热直接利用8.1.6 地热能的发展概况 地热资源除发电利用外，更多的是直接用于加热、冷却和各种形式的工农业利用以及医疗、旅游等方面。在世界范围内地热资源直接利用的能量已远远超过世界地热资源的发电量。而且，前者的增长速度比后者快得多。全球地热直接利用设备容量从1995年8.66 GW增至2015年70.33 GW，约为同期地热发电设备容量（13.2 GW）的5.3倍，平均每5年增长1.69倍。地热能直接利用方式主要有地源热泵供暖、常规地热供暖、农业利用、温泉医疗洗浴等。随着地源热泵技术的进步，地源热泵设备容量占比从1995年26%增至2010年69.66%，并在2015年占比保持在70%
37、，其次是洗浴游泳，占13.2%，再次是常规地热供暖，占10.7%，其余温室、水产、工业、融雪等所占比例较小。据估计，2020年地热直接利用设备容量为120 GW，地源热泵设备容量将增至84 GW，是现有容量的1.68倍，将带来30 GW的设备容量需求，市场空间巨大。6.2.1物理转换技术8.1.6 地热能的发展概况 根据WGC（World Geothermal Conference）的数据以及各个国家提供的资料，Lund和Boyb总结了世界范围内，地热资源各种直接利用方式的装机容量变化趋势及分布情况，如表8-5所示，各种地热资源直接利用方式的装机容量均有显著的变化，尤其是在地源热泵方面，增长十
38、分迅速。随着地源热泵受到越来越多的重视，地热资源可以在任何地方得以开发，用于采暖和制冷。利用方式装机容量/MW2015年2010年2005年2000年1995年地源热泵49898331341538452751854采暖75565391436632632579温室加热18301544140412461085水产养殖6956536166051097农业干燥1611251577467工业用途610533484474544洗浴和游泳池91406700540139571085制冷和融雪360368371114115其他794286137238总计703294849328269151458664表表8-5
39、 8-5 地热资源各种直接利用方式的装机容量变化地热资源各种直接利用方式的装机容量变化 世界上利用地热采暖的国家主要有中国、冰岛、意大利、俄罗斯、日本等。冰岛基于丰富的地热资源，首都雷克雅未克已经实现全部地热采暖，全国地热采暖率达86%。此外，美国、法国等发达国家也是地热采暖面积大国，利用地热采暖已经有相当长的一段时间。在过去几年内，土耳其的地热供暖增长了50%，能够满足约65000户住家的需求，到2010年，全国30%的供暖依靠地热资源。瑞士已经安装了30000个地源热泵，每年新增1000口井，来自排水管道的废水通过再次加热，可为附近的村落进行供暖。此外，一些用于融化地面积雪的地热项目也正在
40、开发中。在美国，700000个地源热泵机组已经安装，主要分布在中西部和东部各州，并且每年增长15%。日本位于环太平洋火山带上，地热资源丰富，温泉遍布全国各地，在地热直接利用（医疗和旅游）方面走在世界前列。此外，俄罗斯和意大利的热矿水资源也十分丰富，在医疗和旅游休闲领域也开发已久。8.1.6 地热能的发展概况8.1.6 地热能的发展概况 我国地热资源丰富，温泉广布，地热资源的直接开发利用已有上千年的历史。我国地热开发以中低温地热资源为主，资源潜力约占世界的7.9%，约合2000108 t标准煤。我国的地热直接利用在供暖、工业、温室、水产养殖以及温泉疗养等方面均实现了跨越式发展，直接利用长期居世界
41、首位。根据 2015年世界地热大会数据（图8-10），中国地热直接利用量达到 48 435 GWh，是美国直接利用量的两倍多。其中，热泵利用方式占58%，中深层地热供暖占19%，温泉洗浴占18%，种植养殖等占5%。地热直接利用结构不断优化，中深层地热供暖比例超过温泉洗浴，地热开发能源化利用程度以及技术经济性得以提升图图8-10 20158-10 2015年部分国家地热直接利用产热量年部分国家地热直接利用产热量 我国浅层地热能利用快速发展。截至2017年底，中国地源热泵装机容量达20 GW，年利用浅层地热能折合1900万吨标准煤，实现供暖（制冷）建筑面积超过5亿平方米，应用范围扩展至全国，其中8
42、0%集中在华北和东北南部，包括北京、天津、河北、辽宁、河南、山东等地区。水热型地热能利用持续增长。近10年来，我国水热型地热能直接利用以年均10%的速度增长。据不完全统计，截至2017年底，全国水热型地热能供暖建筑面积超过1.5亿平方米。与此同时，干热岩型地热能资源勘查开发处于起步阶段，地热能勘探开发利用装备较快发展。8.1.6 地热能的发展概况浅层地热能供暖/制冷面积（104m2）水热型地热能供暖面积（104m2）北京4000500天津10002100河北28002600山西500200内蒙古500100山东30001000河南2900600陕西10001500甘肃4000宁夏2500青海0
43、50新疆300100四川10000重庆7000湖北12000湖南2000江西6000安徽180050江苏250050上海10000浙江22000辽宁7000200吉林200500黑龙江300650广东5000福建1000海南1000云南1500贵州80010广西22000全国3920010210表表8-6 8-6 我国地热能采暖利用现状（截至我国地热能采暖利用现状（截至20152015年底）年底）8.2.1 电热发电技术 地热发电是利用地下热水或蒸汽为动力源的一种新型发电技术，其基本原理和火力发电类似，都是利用蒸汽的热能推动汽轮发电机组发电。地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将
44、机械能转变为电能的能量转变过程。与传统火力发电不同，地热发电不需要消耗燃料，没有庞大的锅炉设备，没有灰渣和烟气对环境的污染，是比较清洁的能源。一、地热发电方式8.2.1 电热发电技术 可用于发电的地热能资源主要是高温和中等温度资源。在一些情况下，高温热水和蒸汽可自然溢出地表，如果对这些热水和蒸汽进行采集，即可直接用于推动汽轮机叶片发电。在其他情况下，蒸汽并不能直接到达地表，需要在岩石上钻孔注入高压水产生蒸汽后，再对其进行采集。针对可利用温度不同的地热资源，地热发电可分为地热蒸汽发电、地下热水发电、全流地热发电和地下热岩发电四种方式。1、地热蒸汽发电 地热蒸汽发电主要适用于高温蒸汽地热田，是把蒸
45、汽田中的蒸汽直接引入汽轮发电机组发电，在引入发电机组前需对蒸汽进行净化，去除其中的岩屑和水滴。这种发电方式最为简单，但是高温蒸汽地热资源十分有限，且多存于较深的地层，开采难度较大，故发展受到限制。地热蒸汽发电主要有背压式汽轮机发电和凝汽式汽轮机发电两种。8.2.1 电热发电技术（1 1）背压式汽轮机发电）背压式汽轮机发电 背压式汽轮机发电系统是最为简单的地热蒸汽发电方式，如图8-11所示。工作原理是：把干蒸汽从蒸汽井中引出，净化后送入汽轮机做功，由蒸汽推动汽轮发电机组发电。蒸汽做功后可直接排空，或者送热用户用于农业生产。这种系统大多用于地热蒸汽中不凝性气体含量很高的场合，或者综合利用排气于工农
46、业生产和生活热水。图图8-11 8-11 背压式汽轮机发电系统背压式汽轮机发电系统（2 2）凝汽式汽轮机发电）凝汽式汽轮机发电 为了提高地热电站的机组输出功率和发电效率，凝汽式汽轮机发电系统将做功后的蒸汽排入混合式凝汽器，冷却后再排出，如图8-12所示。在该系统中，蒸汽在汽轮机中能膨胀到很低的压力，所以能做出更多的功。为了保证冷凝器中具有很低的冷凝压力（接近真空状态），设有抽气器来抽气，把由地热蒸汽带来的各种不凝结气体和外界漏入系统中的空气从凝汽器中抽走。8.2.1 电热发电技术图图8-12 8-12 凝汽式汽轮机发电系统凝汽式汽轮机发电系统8.2.1 电热发电技术2、地下热水发电 地下热水发
47、电是地热发电的主要方式，目前地下热水发电系统有两种方式：闪蒸地热发电和中间介质法地热发电。（1 1）闪蒸地热发电）闪蒸地热发电 闪蒸地热发电基于扩容降压的原理从地热水中产生蒸汽。水的汽化温度与压力有关，在降低压力时，水的汽化温度会相应降低。由于热水降压蒸发的速度很快，是一种闪急蒸发过程，同时，热水蒸发产生蒸汽时体积要迅速扩大，因此这个容器叫做闪蒸器或扩容器。用这种方法来产生蒸汽的发电系统，叫做闪蒸地热发电系统或减压扩容法地热发电系统。它又可分为单级闪蒸发电系统和两级闪蒸发电系统。8.2.1 电热发电技术图图8-13 8-13 单级闪蒸发电系统单级闪蒸发电系统 单级闪蒸发电系统简单、投资低，但热
48、效率较低，厂用电率较高，适用于中温（90160）的地热田发电。单级闪蒸发电系统如图8-13所示。8.2.1 电热发电技术当地热源的温度非常高时，分离器底部的水由于压力高于大气压，其温度仍然大大高于常压下水的沸点（100）。这些热水在二级分离系统中膨胀可产生额外的蒸汽，推动汽轮机做功。两级闪蒸发电系统中，第二级膨胀所产生的蒸汽压力较低，因此只能将其通入单独的低压汽轮机或引入汽轮机的中部某一级膨胀做功。采用两级闪蒸系统可使发电量提高20%左右，但系统较复杂，其成本也大大提高。双级闪蒸系统如图8-14所示。采用闪蒸法的地热电站，若热水温度低于100时，全热力系统处于负压状态。这种电站的缺点是：设备尺
49、寸大，容易腐蚀结垢，热效率较低；由于是直接以地下热水蒸气为工质，因而对于地下热水的温度、矿化度以及不凝气体含量等有较高的要求。图图8-14 8-14 两级闪蒸发电系统两级闪蒸发电系统8.2.1 电热发电技术（2 2）中间介质法地热发电）中间介质法地热发电 中间介质法地热发电又称双循环地热发电或热交换法地热发电，即地热水和蒸汽不会直接与汽轮机接触，而是依次进入蒸发器和预热器，将地热水和蒸汽具有的热能传给另一种低沸点的工作流体（如异丁烷、异戊烷、氟利昂等），低沸点物质被加热后沸腾产生蒸汽，推动汽轮机做功。汽轮机排出的乏汽经冷凝器冷凝成液体，经工质循环泵泵回到预热器被加热，循环使用。地热水放热后从预
50、热器排出加以综合利用，或回注入地层热储，如图8-15所示。图图8-15 8-15 单级中间介质法地热发电系统单级中间介质法地热发电系统 一般情况下，换热工质可采用沸点低于水的有机流体。例如，在常压下水的沸点为100，而有些物质如氯乙烷和氟利昂在常压下的沸点温度分别为12.4及-29.8，这些物质被称为低沸点物质，根据这些物质在低温下的沸腾特性，可将它们作为中间介质进行地下热水发电。现今中低温地热发电热力循环系统主要分为3类（表8-7）。其中有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）和卡琳娜循环（Kalina cycle）是常见的两种发电热力循环系统。8.2.1 电热发电
