地下热水的形成
地下热水的形成
地下热水是指高于当地年平均气温的地下水。我国将地下热水的温度下限规定为20℃（北方）—25℃（南方）。
我国的地下热水资源极为丰富，目前已发现水温在25℃的热水点有2600多处，且具有明显的区域性分布规律，呈现出藏滇、台湾两个高温温泉密集带和东南沿海、滇川两个低温热水密集带。
地下热水多形成于地热异常区（热流值或地热梯度高于区域背景值的地区即可看作地热异常区）。一般认为，地热异常与深部地幔熔融物质向地表浅部运移在岩石圈中形成的岩浆库（岩浆热源体）密切相关（图6-1）。岩浆库的深度一般为5—10km，温度高达600—900℃。
图6-1 高温地热异常形成示意图（HFU为热流单位，1HFU=4984×10－3J/cm2·s）
地下热水的形成受各种复杂的地质－水文地质条件的控制，其中不可缺少的是：有效覆盖层、下伏的透水层，有利的地质构造、热源的存在和足够的水补给，可概括为四个字（即四个要素）：
（1）储（即热储）。主要指渗透性良好的孔隙、裂隙岩层以及断裂裂隙系统，其中赋存有丰富的热水或蒸汽。
（2）盖（即盖层）。由不透水岩层组成，直接覆盖在热储之上，起保温隔热作用，能阻碍地球内部的热能向地表散失。
（3）通（即通道）。系指地下热水（汽）在静水压力作用下上涌的构造通道。
（4）源（主要是热源，也包括水源及水中物质成分的来源）。其中热源是地热区形成的重要条件，在四个要素中，热源起主导作用。热水（汽）的水源问题，也可以说是热水（汽）的成因问题，据同位素研究表明，地下热水大部分来自大气降水，其形成机理模型见图6-2。关于热水中物质组份（即可溶性组份）的来源，主要是热水与岩石之间发生溶滤作用的结果。即热水中大部分可溶性组分来源于围岩，其浓度主要取决于温度和压力条件，其中有的微量组分除溶滤成因外，与岩浆活动、火山喷发、降水也有密切的成因联系。
图6-2 高温热水型地热田模型（据D.E.怀特）
左图曲线1是纯水沸点的参考曲线；曲线2表示沿着由A点得到补给到E点排泄这一曲型循环途径的温度剖面
怎么用地热能来发电？
地热能是来自地球深处的可再生性热能，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。其储量比目前人们所利用能量的总量多很多，大部分集中分布在构造板块边缘一带，该区域也是火山和地震多发区。它不但是无污染的清洁能源，而且如果热量提取速度不超过补充的速度，那么热能而且是可再生的。
怎样利用这种巨大的潜在能源呢？意大利的皮也罗·吉诺尼·康蒂王子于1940年在拉德雷罗首次把天然的地热蒸气用于发电。地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸气，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。1990年安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。
地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将机械能转变为电能的能量转变过程或称为地热发电。
目前开发的地热资源主要是蒸汽型和热水型两类，因此，地热发电也分为两大类。
地热蒸汽发电有一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。二次蒸汽法有两种含义，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。第二种含义是，将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。
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”。这种发电方式安全性较差，如果发电系统的封闭稍有泄漏，工质逸出后很容易发生事故。
20世纪90年代中期，以色列奥玛特（Ormat）公司把上述地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统，该机组已经在世界一些国家安装运行，效果很好。
联合循环地热发电系统的最大优点是，可以适用于大于150℃的高温地热流体（包括热卤水）发电，经过一次发电后的流体，在并不低于120℃的工况下，再进入双工质发电系统，进行二次做功，这就是充分利用了地热流体的热能，既提高发电的效率，又能将以往经过一次发电后的排放尾水进行再利用，大大地节约了资源。