热水型地热发电论文.docx
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热水型地热发电论文
热
水
型
地
热
发
电
的
研
究
姓名:
顾金涛
学号:
3008207156
学院:
化工学院
班级:
08级化学工程与工艺6班
指导教师:
张裕卿
目录
一、摘要…………………………………………………3
二、地热的介绍…………………………………………3
三、地热发电过程中的传热方式和机理………………5
四、地热发电的发展过程及意义………………………5
五、地热发电的应用实例………………………………6
六、地热发电存在的问题和挑战………………………9
七、参考文献……………………………………………10
关于热水型地热发电的探讨
顾金涛
学号:
3008207156
化工学院08级化学工程与工艺
摘要
作为一种高效节能的可再生能源技术,地热这一资源近年来引起社会的重视。
目前,我国除青海、云南、贵州等少数省区外,其他省区都在不同程度地推广地源热泵技术。
目前,全国已安装地源热泵系统的建筑面积超过3000万平方米。
据不完全统计,截至2006年底,中国地源热泵市场年销售额已超过50亿元,并以20%的速度在增长。
由于是一种清洁能源,所以地热具有良好的发展前景,对于环境的保护也有十分重要的意义。
鉴于此,对地热及其收集利用的研究越来越显得至关重要。
本文通过对热水型地热发电的研究讨论并且结合传热机理来探讨进一步更好的利用地热能源的方法,研究在节能降耗减排方面采取的一些措施。
正文部分
一、地热的介绍
地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下能够科学、合理地开发出来的地壳岩石中的热能和地热流体中的热能及其伴生的有用组分。
地热资源是矿产资源的一部分,也是具有高清洁度的可再生能源。
传统的能源煤、石油等,对环境的污染十分严重。
世界各国一直在研究开发新能源,尤其是可再生能源,以逐渐减少对传统的能源的耗费。
地热能由于储存量巨大,对环境的负面影响小,被称之为清洁能源,并被世界各国列为重点研究开发的新能源之一。
地质学上常按地热资源的赋存状态将其分为蒸汽型、热水型、干热岩型、地压型、岩浆型五大类。
其中本文研究的是热水型发电。
热水型地热能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。
90℃以下称为低温热水田,90~150℃称为中温热水田,150℃以上称为高温热水田。
中、低温热水田分布广,储量大,我国已发现的地热田大多属这种类型。
下面介绍一下地热资源的利用。
150℃以上的高温地热和150℃-90℃的中温地热,主要用于发电、烘干等工业领域(如西藏的羊八井地热田);90℃以下的低温地热(如北京的地下热矿水),由于其温度适宜、清洁无污、富含多种对人体有益的矿物质而用途十分广泛。
低温地热可以在以下方面进行开发:
1)、地热直接供暖
燃煤锅炉的大量使用是造成空气受到严重污染的重要原因。
目前,北京市政府已明令规定在主要城区取消燃煤锅炉,代之以燃油或燃气,以减小大气污染程度。
但燃气和燃油前期投入和运行成本都十分昂贵。
而地热资源的开发为这个问题的解决提供了一条可行之路。
大力提倡与推广地热供暖,将对环保事业作出重要的贡献。
2)、浴疗保健
北京地区的地热水属于中低温热矿水,富含锂、氟、氡、偏硼酸、偏硅酸等多种矿物质,有一定的医疗、保健、养生作用。
经常用热矿水进行洗浴,对高血压、冠心病、心脑血管、风湿病、皮肤病等有一定疗效。
热矿水入室,无疑会大大提高居民的生活质。
3)、娱乐、旅游
依托温泉浴疗,可以开发游泳馆、嬉水乐园、康乐中心、会议中心、疗养中心、温泉饭店、温泉度假村、高级宾馆等一系列娱乐旅游项目。
4)、种植、养殖
可以依托地热井,建造温泉温室,种植名优花卉、特种蔬菜(供给大的饭店、宾馆、酒楼之需)等,也可以用来发展旅游农业。
热水养殖,可以大大缩短多种水生物的孵化期和生长周期。
可以依托地热资源发展高产鱼类养殖业等养殖产业。
5)、余热供暖
用于洗浴、娱乐等方面的地热水在使用后,热水温度依然很高,仍含有大量的热能,如果能有效的加以利用,就会带来巨大的经济效益和社会效益。
最近,北京市地质勘察技术院与清华同房合作实验成功了环保型地温热泵供暖系统,它可以从热水,甚至冷水中提取热能供暖,使地热能的综合利用率提高到了80%左右,其运行成本低于燃气和燃油。
这套系统的实验成功为地热水的余热供暖开辟了广阔的天地。
二、地热发电过程中的传热方式和机理
地热水中的水,按常规发电方法是不能直接送入汽轮机去做功的,必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。
目前对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电有两种方法:
一是减压扩容法。
利用抽真空装置,使进入扩容器的地下热水减压汽化,产生低于当地大气压力的扩容蒸汽然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功,这种系统称闪蒸系统”。
低压蒸汽的比容很大,因而使气轮机的单机容量受到很大的限制。
但运行过程中比较安全。
另一种是利用低沸点物质,如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟里昂等作为发电的中间工质,地下热水通过换热器加热,使低沸点物质迅速气化,利用所产生气体进入发电机做功,做功后的工质从汽轮机排入凝汽器,并在其中经冷却系统降温,又重新凝结成液态工质后再循环使用。
这种方法称“中间工质法”,这种系统称“双流系统”或“双工质发电系统”。
该技术采用对流传热,包括强制对流、蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。
对流传热机理:
流体的运动对传热过程有强烈影响。
当边界层中的流动完全处于层流状态时,垂直于流动方向上的热量传递虽然只能通过流体内部的导热,但流体的流动造成了沿流动方向的温度变化,使壁面处的温度梯度增加,因而促进了传热。
当边界层中的流动是湍流时,壁面附近的流动结构包括湍流区、过渡区和层流底层。
湍流区垂直于流动方向上的热量传递除了热传导外,主要依靠不同温度的微团之间剧烈混合,即依靠对流传热。
三、地热发电的发展过程及意义
1913年,第一座装机容量0.25MW的地热电站在意大利建成并运行,标志着商业性地热发电的开端。
中国开发利用地热用于发电始于上世纪70年代初期,先后在河北、广东、湖南、山东、辽宁等地建成地热试验发电站。
80年代初在西藏羊八井、那曲地热田建工业性的地热电站,总装机容量30.4MW。
我国地热资源丰富,但发展情况不容乐观,基本上还处于计划经济时代。
之前,地热发电多是从高温地热资源获取,随着技术的发展,中低温地热资源也可以用于发电。
我国在20世纪70年代,国家曾在广东丰顺县邓屋、湖南宁乡县灰汤、河北怀来县后郝窑、山东招远县汤东泉、辽宁盖县熊岳、广西象州市热水村和江西宜春县温汤曾建过7个中低温地热发电站。
如今,上述7个电厂,有5个运行数年后即关停,另两个(湖南、广东)虽一直断续运行,但在2008年也彻底停产。
目前,我国并没有新的地热发电装机计划,仅剩一个西藏羊八井高温地热电厂,发电设备也属于超期服役。
我国地热发电在此之后一直未有进展。
国家政策的扶持对行业的发展至关重要。
但是现在地热行业,即使有开发商愿意投资开发地热发电,国家没有相关政策扶持,也使得国内地热发电进程显得举步维艰。
下面介绍一下地热发电对于我们当今的重要意义。
地热资源概述随着传统的能源对环境的影响越来越大,新型能源的出现给中国能源危机提供了转机。
地热能源作为一种新能源为中国经济的发展带来了巨大的效益。
地热资源是一种十分宝贵的综合性矿产资源,其功能多,用途广,不仅是一种洁净的能源资源,可供发电、采暖等利用,而且,还是一种可供提取溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料的热卤水资源和天然肥水资源,同时还是宝贵的医疗热矿水和饮用矿泉水资源以及生活供水水源。
地热资源的综合开发利用经多年实践表明,其社会、经济和环境效益均很显著,在发展国民经济中已显示出越来越重要的作用。
从全球构造看,中国中西部的大部分地区处在欧亚板块内部地壳隆起区和地壳沉降区,分别形成板内隆起断裂型及板内沉降盆地型中低温地热资源。
滇西、川西及藏南地处欧亚板块和印度洋板块的碰撞边界,对形成板缘岩浆活动型高温地热资源极为有利。
在上述大地构造环境下,形成了中西部具有不同温度、矿化度和特殊化学成分的地热资源。
既有高温蒸汽资源及中低温地下热水,又有淡热水、高矿化热卤水及热矿水,为地热资源的综合开发利用提供了资源保证。
地热资源开发利用状况①地热发电我国拥有150℃以上的高温温泉区近百处,集中分布在藏南、滇西和川西地区,成为我国开发利用高温地热能资源最有远景的地区。
著名的羊八井地热田是我国兴建的第一座地热电站.朗久电站和那曲电站是我国兴建的第二和第三座电站,其装机容量分别为2.0MW及1.0MW。
②地热采暖近年来,我国地热采暖有很大的增长,尤其在北方,如北京、天津、大港、任丘、开封等地,取得了良好效果,既节约了常规能源,又减少了环境污染。
③地热农业利用我国中西部大部分地区属农业区,无论是山区或平原地区,地热资源均十分丰富,为地热在农牧副渔等方面的广泛利用提供了优越的资源条件。
目前,地热资源已有效地利用于温室种植(蔬菜、花卉等)、水产养殖、禽类孵化、育雏、农田灌溉、育秧、繁育水稻等方面,效益显著。
羊八井地热田除发电外,建造了面积达50000m2的地热温室,种植西红柿、黄瓜、青椒等20余种蔬菜,取得良好效益。
④地热工业利用我国中西部地区地热水中含有许多贵重的稀有元素、放射性元素、稀有气体和化合物,如:
溴、碘、硼和钾盐等,是国防工业、原子能工业、及农业不可缺少的原料。
目前仅在化工工业和轻纺工业等方面获得较好的利用。
四、地热发电的应用实例
下面通过流程图来说明地热发电的过程。
1-热水井;2-蒸发器;3-预热器;4-工质循环泵;5-凝汽器;
6-汽轮发电机组;7-冷却水;8-排水沟;9-地热井泵
以上就是地热发电流程图,下面对图做简要说明。
首先,地下热水在地热井泵的作用下通过热水井,进入蒸发器中;在蒸发器中,一部分热水变成蒸汽,进入到汽轮发电机组中,推动发电机工作,使其发电,而蒸发器中没有变成蒸汽的热水从蒸发器中出来直接进入8-排水沟中;从6-汽轮发电机组出来的蒸汽通过5-凝汽器后冷凝为液体水,在4-工质循环泵的作用下进入3-预热器;经预热器后,水被升温,然后进入蒸发器,进入下一次循环;另外,冷凝器冷却水的来源是7处的水,最终流入8-排水沟中。
该流程就是热水型地热发电的简要流程。
这个只是概况图,在实际操作中,结构比这个要复杂得多,还要考虑各种其他的因素,如泵的选择,管路的选择与搭配,冷却水的供应,得到的电力的输送等等一系列问题。
下面结合流体流动相关方面的知识,谈谈该过程中涉及到的传热问题以及节能降耗方面的问题。
在该过程中,流体的输送是重中之重,因此,要想达到节能降耗的目标,必须从流体在管道的输送上入手,不断改进技术,达到最好的效果。
地热供热系统可以选用的管材有多种,使用费用和寿命也各异,但是,仅仅以管材价格来选择管子的类型是不全面的,作为地热工程,在做管道选材技术经济比较时,除管材价格外,还应把管子的运输费,安装费及使用寿命,传热效果等一并加以考虑,也就是说,应该做出综合的比较。
考虑到能源的损失,管道保温就显得尤其重要。
保温材料的选择往往与管道的敷设方法、允许的温降、材料价格等多种因素有关。
通过综合比较,可以选用聚氨酯硬脂泡沫塑料作为管道材料,它具有导热系数低,密度小,几乎不吸水,绝缘性好,化学稳定性强,与金属或者非金属粘结牢靠等特点。
对于管道保护层的选择,要做到保护保温层不受外力破坏,保持良好的保温效果,防止外界水分的侵蚀,延长保温结构寿命,一般选用沥青油毡保护层。
这样可以尽最大程度的保证热量散失得最少。
在蒸发器中,提高蒸汽的生成量也是增强节能降耗的重要举措,因此,要对蒸发器内的传热过程进行强化,强化可以从三个方面进行:
第一,增大传热面积。
但是,增大传热面积不能靠增大换热器尺寸来实现,而是要从设备的结构入手,提高单位体积的传热面积,例如如下图所示,用翅肋片来扩大传热面面积和促进流体的湍动从而提高传热效率。
第二,增大平局温度差。
可以通过提高蒸汽的压力来提高蒸汽的温度,从而提高平均温度差。
第三,增大总传热系数。
总传热系数的计算公式为
由此可见,要提高K值,就必须减少各项热阻。
但因各项热阻所占比例不同,故应设法减少对K值影响较大的热阻。
一般来说,在金属材料换热器中,金属材料壁面较薄且导热系数高,不会成为主要热阻;污垢热阻是一个可变因素,在换热器刚投入使用时,污垢热阻很小,不会成为主要矛盾,但随着使用时间的加长,污垢逐渐增加,便可成为障碍传热的主要因素。
减少热阻的方法主要有以下几种:
提高流体的速度;增强流体的扰动;在流体中增加固体颗粒等等。
五、地热发电存在的问题和挑战
地热能开发利用对环境的有害影响很小。
地热能作为新能源,无论是用来发电,还是用于非电直接用热,度能大幅度削减温室气体排放量,减轻环境污染。
但是地热能的开发利用仍然有少量有害物质排放,造成大气、地面和水质的一定污染,必须加以重视。
例如地下热水和地热蒸汽中含有二氧化碳、甲烷、氢、氮、氨和硫化氢等不凝结气体可能造成的空气污染:
废水中硼、砷等有害物质可能造成地表和水源的化学污染;地热电站排出的大量热水可能造成的热污染;大量开采地下热水可能引起的地层变形、地名沉降和诱发地震等危害。
另外,发电后排出的废水的利用也面临着一系列挑战。
地热电站发电后排出的尾水,温度一般都在60~70摄氏度或者更高,适合于工农业生产以及生活上利用,或从中提取有用的化学元素等。
但是,这些都需要良好的技术作支撑,实现起来并不是那么容易。
目前,有3个重大技术难题阻碍了地热发电的发展,即地热田的回灌、腐蚀和结垢。
第一,地热田的回灌。
地热水中含有大量的有毒矿物质.例如我国羊八井的地热水中含有硫、汞、砷、氟等多种有害元素,地热发电后大量的热排水直接排放,会对环境产生恶劣影响.地热回灌是把经过利用的地热流体或其他水源,通过地热回灌井重新注回热储层段的方法.回灌不仅可以很好地解决地热废水问题,还可以改善或恢复热储的产热能力,保持热储的流体压力,维持地热田的开采条件.但回灌技术要求复杂,且成本高,至今未能大范围推广使用,如果不能有效解决回灌问题,将会影响地热电站的立项和发展.因此,地热回灌是亟需解决的关键问题.
如果地热流体是在开放系统里利用,则废水一般在回灌之前必须先在水塘或水箱之中沉降,以除去悬浮状固体物质.有时,可以用过滤装置达到这一目的.为了减少腐蚀性,废水可能还需要进行化学或物理法脱气,最后通过回灌井注入地热储.回灌有时单靠重力即可实现,因为较凉和密度较大的地热废水具有较高的重力压头.如果资源属于以液体水为主的性质,则流体尚可以在分离器(闪蒸器)压力下回灌,或者在一次换热器(双工质系统)地热流体压力下回灌.
对地热储回灌的可行性评价要考虑以下几个重要方面:
①最优地点的选择;②钻井和井孔运行费用与其他排放方法费用之比较;③某一速率回灌所要求的压力,以及回灌量随时间的衰减等运行方面的问题.
回灌系统的设计应能使回灌井和生产井间的走行路径和流动时间实现最大化,只有这样才能防止生产层的水发生快速冷却.同时,水又应当充分地注入生产热储,以尽量减小热储压力的衰减.确定最优回灌方案的关键因素是热储水温和渗透率的空间变化.热储地质对回灌的适应是需要研究的问题.热储必须有一个能够阻止废水向上流动并污染地下水含水层的不透水的盖岩层.如果存在破碎带或者断裂,废水就会向上流动并产生污染.
由于废水和地层、废水和热储流体之间存在相互作用,回灌井周围的孔隙空间就有可能出现各种类型的堵塞.引起结垢和堵塞的原因有:
二氧化硅和硅酸盐类的沉淀和聚合;碱土类发生不溶性碳酸盐、硫酸盐和氢氧化物形式的沉淀;重金属发生硫化物形式的沉淀;氧化还原反应沉淀,如铁的化合物等.所以,在建立回灌井之前都会进行实验性生产,需要进行示踪剂试验,并对地热田进行全面的监测.
第二,地热田的腐蚀。
地热流体中含有许多化学物质,其中主要的腐蚀介质有溶解氧(O2)、H+、Cl-、H2S、CO2、NH3和SO2-4,再加上流体的温度、流速、压力等因素的影响,地热流体对各金属表面都会产生不同程度的影响,直接影响设备的使用寿命.地热电站腐蚀严重的部位多集中于负压系统,其次是汽封片、冷油器、阀门等.腐蚀速度最快的是射水泵叶轮、轴套和密封圈.
第三,地热田的结垢。
由于地热水资源中矿物质含量比较高,在抽到地面做功的过程中,温度和压力会均发生很大的变化,进而影响到各种矿物质的溶解度,结果导致矿物质从水中析出产生沉淀结垢.如在井管内结垢,会影响地热流体的采量,加大管道内的流动阻力进而增加能耗;如换热表面结垢,则会增加传热阻力;垢层不完整处还会造成垢下腐蚀。
参考文献
柴诚敬,张国亮《化工流体流动与传热》第二版化学工业出版社2007年6月
【美】F.G欣斯基《节能与控制》机械工业出版社1987年9月
罗棣庵《传热应用与分析》清华大学出版社
蔡义汉《地热直接利用》天津大学出版社2004年7月
林丽郑秀华詹美萍《地热能源利用现状及发展前景》资源与产业2007年4月
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