4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Тренды дизайна. Материалы. Стили. Квартиры. Плитка. Ванная комната. Напольные покрытия

Расчет тепловой схемы геоэс. Двухконтурные геотермальные теплоэлектростанции. Схема, описание. Геотермальные электростанции — принципы работы

3.4 РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Произведем расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа, согласно .

Наша геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

Первая работает на насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность — ;

Вторая работает на насыщенном паре хладона R11, который испаряется за счет тепла воды, отводимый из расширителя.

Вода из геотермальных скважин с давлением pгв температурой tгв поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с давлением pp. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идет в испаритель, где охлаждается на и заканчивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке = 20°С. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой tхв. Нагрев воды в конденсаторе = 10°С, а недогрев до температуры насыщения = 5°С.

Относительные внутренние КПД турбин. Электромеханический КПД турбогенераторов = 0,95.

Исходные данные приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1. Исходные данные для расчета ГеоЭС

Принципиальная схема ГеоЭС бинарного типа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальная схема ГеоЭС.

Согласно схеме на рис. 3.2 и исходным данным проводим расчеты.

Расчет схемы паровой турбины, работающей на сухом насыщенном водяном паре

Температура пара при входе в конденсатор турбины:

где — температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; — нагрев воды в конденсаторе; — температурный напор в конденсаторе.

Давление пара в конденсаторе турбины определяется по таблицам свойств воды и водяного пара :

Располагаемый теплоперепад на турбину :

где — энтальпия сухого насыщенного пара на входе в турбину; — энтальпия в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

Расход пара из расширителя на паровую турбину:

где — относительный внутренний КПД паровой турбины; — электромеханический КПД турбогенераторов.

Расчет расширителя геотермальной воды

Уравнение теплового баланса расширителя

где — расход геотермальной воды из скважины; — энтальпия геотермальной воды из скважины; — расход воды из расширителя в испаритель; — энтальпия геотермальной воды на выходе из расширителя. Определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как энтальпия кипящей воды.

Уравнение материального баланса расширителя

Решая совместно эти два уравнения необходимо определить и.

Температура геотермальной воды на выходе из расширителя определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как температура насыщения при давлении в расширителе:

Определение параметров в характерных точках тепловой схемы турбины, работающей в хладоне

Температура паров хладона на входе в турбину:

Температура паров хладона на выходе из турбины:

Энтальпия паров хладона на входе в турбину определяется по p-h диаграмме для хладона на линии насыщения при:

Энтальпия паров хладона на выходе из турбины определяется по p-h диаграмме для хладона на пересечении линий и линии температуры:

Энтальпия кипящего хладона на выходе из конденсатора определяется по p-h диаграмме для хладона на кривой для кипящей жидкости по температуре:

Температура геотермальной воды на выходе из испарителя:

Уравнение теплового баланса испарителя:

где — теплоемкость воды. Принять =4,2 кДж/кг.

Из этого уравнения необходимо определить.

Расчет мощности турбины, работающей на хладоне

где — относительный внутренний КПД хладоновой турбины; — электромеханический КПД турбогенераторов.

Определение мощности насоса для закачки геотермальной воды в скважину

где — КПД насоса, принимается 0,8; — средний удельный объем геотермальной воды .

Электрическая мощность ГеоЭС

Альтернативные источники энергии. Грозовая электростанция

Расчет грозовой электростанции рассчитан, в первую очередь, на определение выходной мощности. Ведь задача любой электростанции заключается в максимальной энергетической эффективности, чтобы окупить средства на эксплуатацию и установку.

Производим основные расчеты производительности насосной секции. Итак, при волне в 1м тело, находящееся на плаву, поднимается вверх на 0,5 м, а затем опускается на 0,5 м. ниже спокойного уровня воды.

Виды и расчет волновой электростанции

Методика расчетов волновой электростанции описана в статье . В курсовом проекте рассмотрены основные формулы и пример расчета мощности волновой ГЭС при установленных параметрах. Максимальная возможная мощность в одном цикле прилив-отлив.

Возобновляемые источники энергии. Расчет, виды и задачи геотермальной электростанции

Существует несколько способов получения энергии на ГеоЭС: — прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами; — непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов.

Еще 150 лет тому назад на нашей планете использовались исключительно возобновляемые и экологически безопасные источники энергии: водные потоки рек и морских приливов — для вращения водяных колес.

Геотермальная энергетика — получение тепловой или электрической энергии за счет тепла земных глубин. Экономически эффективна в районах.

Существует мнение, что использование низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как революцию в системе теплообеспечения, основанную на неисчерпаемости ресурса, повсеместности его распространения.

Геотермальная энергия и ее применение

Рассмотрим управление современной ГеоТЭС на примере системы управления первой в Прибалтике показательной Клайпедской геотермальной электростанцией мощностью 43 МВт.

В соответствии с требованиями Регистра произведем расчет нагрузки СЭС в ходовом режиме. Воспользуемся табличным методом расчета. При заполнении таблицы нагрузок в графы 2-4 вносят данные задания, в графы 5-8 — параметры двигателей.

Расчет судовой электрической станции

Расчет электрической системы на основе схемы замещения

Принципиальная схема трёхобмоточного трансформатора представлена на рис. 4.3, а полная схема замещения совпадает со схемой замещения автотрансформатора (см. рис.3.2). Состав каталожных данных отличается от приведённого в п. 3 тем.

Теплоснабжение промышленных предприятий

Для привода механизмов собственных нужд кпд брутто определяется без учёта затрат энергии. Для ПТУ, работающих по циклу Ренкина, кпд брутто с учётом затрат на привод насоса: где — энтальпия пара в точках 1 и 2 диаграммы.

В состав двухконтурной ГеоТЭУ (рис. 4.2) входит парогенератор 4, в котором тепловая энергия геотермальной пароводяной смеси используется для нагревания и испарения питательной воды традиционной влажнопаровой паротурбинной установки 6 с электрогенератором 5. Отработавшая в парогенераторе геотермальная вода закачивается насосом 3 в обратную скважину 2. Химочистка питательной воды турбоустановки ведется обычными методами. Питательный насос 8 возвращает конденсат из конденсатора 7 в парогенератор.

В двухконтурной установке неконденсирующиеся газы в паровом контуре отсутствуют, поэтому в конденсаторе обеспечивается более глубокий вакуум и термический КПД установки возрастает по сравнению с одноконтурной. На выходе из парогенератора остающаяся теплота геотермальных вод может, как и в случае одноконтурной ГеоТЭС, использоваться для нужд теплоснабжения.


Рис.4.2. Тепловая схема двухконтурной ГеоТЭС

Газы, в том числе сероводород, подаются из парогенератора в барботажный абсорбер и растворяются в отработанной геотермальной воде, после чего она закачивается в скважину захоронения. По данным испытаний на строящейся Океанской ГеоТЭС (Курильские острова) в барботажном абсорбере растворяется 93.97% исходного сероводорода.

Перепад температур в парогенераторе снижает энтальпию острого пара двухконтурной установки h 1 по сравнению с одноконтурной, однако в целом теплоперепад в турбине увеличивается из-за уменьшения энтальпии отработавшего пара h 2 . Термодинамический расчет цикла ведется как для обычной паротурбинной ТЭС (см. раздел по солнечным паротурбинным установкам).

Расход горячей воды из геотермальных скважин для установки мощностью N, кВт, определяется из выражения

где — перепад температур геотермальной воды на входе и выходе из парогенератора,°C, — КПД парогенератора. Полный КПД современных двухконтурных паротурбинных ГеоТЭУ составляет 17.27%.

На месторождениях со сравнительно низкой температурой геотермальных вод (100-200°С) применяют двухконтурные установки на низко- кипящих рабочих телах (фреонах, углеводородах). Экономически оправдано также использование таких установок для утилизации теплоты отсепарированной воды одноконтурных ГеоТЭС (вместо теплофикационного теплообменника на рис. 4.1). В нашей стране впервые в мире (в 1967 г.) создана энергоустановка этого типа на хладоне R-12 мощностью 600 кВт, построенная на Паратунском геотермальном месторождении (Камчатка) при научном руководстве института теплофизики Сибирского отделения АН СССР. Перепад температур теплоносителя составлял 80. 5 о С, холодная вода подавалась в конденсатор из р. Паратунка со среднегодовой температурой 5 о С. К сожалению, эти работы не получили развития из-за былой дешевизны органического топлива.

В настоящее время в АО «Кировский завод» проработан проект и техническая документация двухконтурного геотермального модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R142в (резервный теплоноситель — изобутан). Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях и доставляться железнодорожным транспортом, строительно-монтажные работы и подключение к энергосистеме потребуют минимальных затрат. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до $800 за киловатт установленной мощности.

Наряду с ГеоТЭС на однородном низкокипящем теплоносителе в ЭНИН разрабатывается перспективная установка на смесевом водоаммиачном рабочем теле. Основное преимущество такой установки — возможность ее использования в широком интервале температур геотермальных вод и пароводяной смеси (от 90 до 220 о С). При однородном рабочем теле отклонение температуры на выходе из парогенератора на 10. 20 о С от расчетной приводит к резкому снижению КПД цикла — в 2.4 раза. Изменяя концентрацию компонентов смесевого теплоносителя, можно обеспечить при меняющихся температурах приемлемые показатели установки. Мощность во- доаммиачной турбины в этом диапазоне температур меняется менее чем на 15%. Кроме того, такая турбина имеет лучшие массогабаритные показатели, и водоаммиачная смесь отличается лучшими характеристиками теплообмена, что позволяет уменьшить металлоемкость и стоимость парогенератора и конденсатора по сравнению с энергомодулем на однородном теплоносителе. Такие энергоустановки могут широко использоваться для утилизации сбросной теплоты в промышленности. Они могут иметь устойчивый спрос на международном рынке геотермального оборудования.

Читать еще:  Как сделать печь для шашлыка

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h — s диаграмм паров этих жидкостей.

К проблеме ГеоТЭС примыкает часто упоминаемая в литературе возможность использования тепловых ресурсов Мирового океана. В тропических широтах температура морской воды на поверхности около 25 о С, на глубине 500. 1000 м — около 2. 3 о С. Еще в 1881 г. Д»Арсонваль высказал идею использовать эту разность температур для производства электроэнергии. Схема установки по одному из проектов реализации этой идеи представлена на рис. 4.3.


Рис.4.3. Схема океанской ТЭС: 1 — насос подачи теплой поверхностной воды; 2 — парогенератор низко- кипящего теплоносителя; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — насос подачи холодной глубинной воды; 7 — питательный насос; 8 — судноплатформа

Насос 1 подает теплую поверхностную воду в парогенератор 2, где испаряется низкокипящий теплоноситель. Пар с температурой около 20° C направляется в турбину 3, приводящую в движение электрогенератор 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5 и конденсируется холодной глубинной водой, подаваемой циркуляционным насосом 6. Питательный насос 7 возвращает теплоноситель в парогенератор.

При подъеме через теплые поверхностные слои глубинная вода нагревается не мене чем до до 7. 8° C, соответственно отработавший влажный пар теплоносителя будет иметь температуру не ниже 12. 13° C. В итоге термический КПД этого цикла составит = 0,028, а для реального цикла — менее 2%. В то же время для океанской ТЭЦ характерны высокие затраты энергии на собственные нужды, потребуются очень большие расходы теплой и холодной воды, а также теплоносителя, потребление энергии насосами превысят энергию, вырабатываемую блоком. В США попытки реализовать такие энергоустановки у Гавайских островов не дали положительного результата.

Другой проект океанской ТЭС — термоэлектрический — предполагает использовать эффект Зеебека, размещая спаи термоэлектродов в поверхностных и глубинных слоях океана. Идеальный КПД такой установки, как и для цикла Карно, составляет около 2%. В п.3.2 показано, что реальный КПД термопреобразователей на порядок ниже. Соответственно для теплосъема в поверхностных слоях океанской воды и отдачи теплоты в глубинных пришлось бы сооружать поверхности теплообмена («подводные паруса») очень большой площади. Это нереально для энергетических установок практически заметной мощности. Малая плотность энергии является препятствием для использования океанских запасов теплоты.

Читайте и пишите полезные

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расшири-

теле. Электрическая мощность – N эПТ = 3 МВт;

вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испа-

ряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая

мощность — N эХТ, МВт.

Вода из геотермальных скважин с температурой t гв = 175 °С посту-

пает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с

Геотермальные электростанции (ГТЭС)

Среди альтернативных источников электроэнергии существуют довольно специфические и экзотические способы ее получения. Кроме солнца и ветра в определенных условиях используется внутренние тепловые запасы планеты, для чего созданы геотермальные электростанции (ГеоЭС или ГеоТЭС). Их работа основывается на энергии пара, поступающего из поземных емкостей, содержащих горячую воду естественного происхождения. Он обеспечивает вращение турбоустановки, соединенной с электрическим генератором. В результате, после нескольких превращений одних видов энергии в другие, на выходе получается электрический ток, распределяемый среди потребителей.

История развития

О практическом использовании геотермальных источников известно очень давно. Кроме обычного купания, эти природные ресурсы применялись в публичных банях в качестве источника тепла и горячей воды еще в 1-м веке нашей эры.

Позднее, уже в 14-м веке, французы изобрели первую систему общего теплоснабжения, использующую геотермальный потенциал. В промышленности она начала внедряться в 1827 году в Италии, когда под действием пара из вулканических веществ извлекалась борная кислота.

Первая система отопления, основанная только на подземной энергии, разработана в Америке в 1892 году. Затем в 1926 году Исландия стала использовать гейзеры для отопления сначала тепличных сооружений, а впоследствии – и жилых домов.

В 1852 году был изобретен насос для перемещения тепла, а в 1912 году получен патент на его применение в области добычи и извлечения на поверхность подземного пара. На практике эта идея стала реально возможной лишь в 40-х годах 20 века.

Постепенно дошла очередь и до первой электростанции на подземном тепле, сооруженной в 1960 году в американском штате Калифорния. Ее мощность составила 11 мегаватт, и она стабильно проработала в течение длительного времени. Однако, несмотря на некоторую популярность, широкого распространения эти установки сразу не получили. Лишь когда в 1979 году были изобретены полибутиленовые трубы, геотермальная энергия стала значительно эффективнее в области ее практического использования.

В дальнейшем технологии постоянно развивались и в 1967 году в СССР была построена первая станция с двойным рабочим циклом, использующая для получения электричества более низкие температуры, чем обычно. Такая же установка, сооруженная в 2006 году на Аляске, вырабатывает потенциал с использованием воды, нагретой лишь до 57 градусов.

От подземного тепла до электричества

Для добычи геотермальной энергии задействуется естественное тепло, производимое в глубине земных недр. Подобраться к таким источникам на нужное расстояние возможно по специальным шахтам или скважинам. По мере бурения наблюдается возрастание геотермического градиента на 1 0 С при прохождении точного расстояния в 36 метров. Тепло, извлеченное наверх, представляет собой воду, нагретую почти до кипения или пар.

Полученная этим способом тепловая энергия применяется напрямую в отоплении зданий или при помощи специального оборудования превращается в электроэнергию. Районы, пригодные для получения термальной энергии, есть во многих местах земного шара.

Проведенные исследования показали, что в центральной точке планеты температура ядра составляет примерно 6650 0 С и выше. Постепенно происходит остывание в среднем темпе в 300-350 0 С каждый миллиард лет. В мантии и ядре содержится примерно 98% тепловой энергии, и лишь 2% приходится на слой земной коры. Однако даже эта незначительная доля способна обеспечивать потребности людей в течение длительного времени. Идеальными местами под геотермальные станции считаются места в районе стыков между континентальными плитами, поскольку толщина коры здесь значительно меньше.

Известно, что с повышением глубины скважины пропорционально возрастает и температура. Однако, существует немало мест, где она поднимается значительно быстрее. Это участки с высокой сейсмической активностью, проявляющейся при столкновениях или разрывах тектонических плит. Именно здесь намного проще добывать тепловые ресурсы, отличающиеся повышенным геотермическим градиентом. Такая энергия получается более дешевой из-за сокращения затрат на бурильные и насосные работы.

Иногда вода выходит прямо на поверхность, сразу оказывается нагретой до требуемых параметров, как это случается с гейзерами. Именно в этих точках прежде всего возводятся электроустановки, функционирующие на бесплатной тепловой энергии.

Использование подземного потенциала в реальных условиях

Во многих случаях подземная энергия применяется в двух видах.

  1. Первый вариант – это непосредственная подача тепла в отопительные системы и устройства подогрева горячей воды. Этот способ хорошо зарекомендовал себя в районах высоких широт, в точках, где тектонические плиты смыкаются друг с другом. Вода закачивается в трубы напрямую из глубинных скважин и служит для обогрева объектов.
  2. Второй вариант схематично практически не отличается от первого, только для производства электроэнергии требуется повышенная температура – от 150 0 С. Это основные преимущества геотермальных электростанций.

В качестве живых примеров можно привести американские штаты Калифорнию и Неваду, где за счет подземного тепла снабжаются энергией большие электростанции. В Калифорнии на долю подобных установок в общей массе приходится 5%. В Сальвадоре геотермальными источниками производится свыше 30% электричества. В частных домах этих регионов широко используется экологически чистая и дешевая тепловая энергия.

Читать еще:  Правила простановки печати в трудовой

Способы получения подземной тепловой энергии:

  • Из сухой породы в разогретом состоянии. В естественные резервуары, состоящие из сухих твердых материалов, под высоким давлением закачивается вода. Она увлажняет поры и трещины, увеличивает имеющиеся разломы, после чего нагревается и становится паром или горячей водой.
  • Магма. Находится под землей в виде расплавленной массы, нагретой до температуры 1200 0 С. Довольно редко она в небольших объемах подходит совсем близко к поверхности и располагается на доступных глубинах. В данный момент возможные методы использования магмы как источника бесплатного тепла разрабатываются лишь в теории и на уровне отдельных экспериментов.
  • Горячие воды. Испытывают постоянное давление, располагаются возле поверхности и содержат в своем составе метан в растворенном виде. В данном варианте электроэнергия производится при помощи не только тепла, но и газа.

Как действуют геотермальные установки

В получении электроэнергии при помощи подземного тепла используются три наиболее распространенных варианта.

  1. Прямая схема, где работает пар в сухом виде;
  2. Непрямая, в которой задействованы свойства водяного пара;
  3. Бинарная (смешанная).

Конкретный вариант зависит от того, в каком состоянии находится геотермальная среда – водяном или паровом. Учитываются и температурные показатели. В своем первоначальном виде электростанции работали по первой схеме, когда добытый пар подается напрямую внутрь турбины. Однако, чаще всего стал использоваться второй вариант непрямого действия, когда закачка жидкости производится под повышенным давлением в резервуары генераторных агрегатов, установленных на поверхности. В данной схеме отсутствует непосредственный контакт пара, воды и турбин с генераторами. Каждый способ следует рассмотреть подробнее.

Многие установки пользуются в своей работе гидротермальным сухим паром (рис. 1). Его движение осуществляется напрямую внутрь турбины, соединенной с электрическим генератором. Горячий пар используется вместо обычных видов твердого и жидкого топлива, поэтому данная технология используется до сих пор, хотя она и несколько устарела.

Более прогрессивным считается вариант на парогидротермах (рис. 2) с непрямым действием. Нагрев гидротермального раствора производится до температуры от 182 градусов и выше. Он нагнетается в специальный испаритель и под образовавшимся давлением выполняется его быстрое выпаривание. Под влиянием образовавшегося пара турбинный вал приводится в действие. Жидкость, оставшаяся в емкости, может быть выпарена в другом испарительном устройстве, что дает возможность повысить мощность установки.

В большинстве районов с горячими источниками тепла температура воды довольно умеренная и не превышает 200 0 С, а зачастую она значительно ниже. Такая вода применяется в оборудовании с бинарным циклом и оказывается вполне пригодной для выработки электроэнергии. В данной ситуации принцип работы геотермальной электростанции следующий: помимо воды в системе применяется еще одна, специальная жидкость, с более низкой точкой кипения. Они обе проходят внутри теплообменника, где нагретая подземная вода превращает в пар другую жидкость. Полученный за счет этого пар, попадает в турбину и начинает вращать лопатки.

Данная система функционирует полностью в замкнутом цикле, поэтому каких-либо ядовитых выбросов в окружающую среду практически нет. Так как вода с умеренной температурой обычно встречается в горячих источниках, то в перспективе большинство электроустановок будет переведено на этот рабочий режим.

В дальнейшем планируется использовать и другие геотермальные ресурсы. Горячая вода и пар составляют лишь незначительную часть от общих резервов. Практически неиссякаемые энергетические источники будут обеспечены за счет сухих твердых пород и магмы. В данное время ведутся практические разработки, нацеленные на снижение стоимости получения геотермального электричества.

Геотермальные установки в России

На территории Российской Федерации располагается немало районов с активной вулканической деятельностью. В основном, это Дальний Восток, Камчатка, Сахалин и Курильские острова. Именно в этих местах в разное время были построены геотермальные электростанции. Рассмотрим наиболее известные станции.

Паужетская ГеоТЭС

Первая в России электростанция такого типа была построена в 1966 году. Основной целью установки стало обеспечение электричеством населенных пунктов и рыбоперерабатывающих предприятий. Местом расположения был определен западный берег Камчатского полуострова, рядом с селом Паужетка и вулканом Камбальным.

При запуске станция выдавала установленную мощность в 5 мегаватт, а к 2011 году этот показатель был увеличен до 12 МВт. В последнее время ведутся работы по реализации проекта с бинарным энергоблоком, созданным российскими инженерами. Это позволит увеличить мощность станции до 17 МВт и улучшить экологическую обстановку за счет сокращения выбросов отработанных материалов.

Верхне-Мутновская ГТЭС (опытно-промышленная)

Располагается в юго-восточной части Камчатки непосредственно на вулкане Мутновский. Высота над уровнем моря составляет 780 м. Окончание строительства и ввод в эксплуатацию – 1999 год. Оборудована тремя энергоблоками по 4 мегаватта, общая мощность станции – 12 МВт.

Рядом расположена еще одна, более современная установка, введенная в строй в 2003 году. Показатель установленной мощности – 50 МВт, планируется довести до 80 МВт. Обслуживание объекта выполняется полностью в автоматическом режиме. За счет обеих станций на Камчатке значительно снизилась зависимость от привозного топлива. Две геотермальные электростанции производят примерно 30% всей электроэнергии полуострова.

Станция Океанская

Расположена на Курильском острове Итуруп, введена в строй в 2006 году. Производительность – 2,5 МВт.

Станция Менделеевская

Находится на Курильском острове – Кунашире, неподалеку от вулкана Менделеева. Производительность составляет 3,6 Мвт, после модернизации она возрастет до 7,4 МВт.

Преимущества и недостатки ГТЭС

Несомненными положительными чертами геотермальных установок являются:

  • Работают на возобновляемых источниках энергии на весь период существования планеты.
  • В сравнении с солнцем и ветром подземная энергия отличается повышенной стабильностью.
  • Экологические преимущества и чистота, минимальное негативное влияние на окружающую обстановку.
  • Для функционирования геотермальные электростанции не требуют какого-либо другого топлива.
  • Возможность применения в частном секторе, окупается сравнительно быстро.

Среди минусов наиболее существенными будут такие:

  • Обязательная привязка к конкретной местности с подходящими условиями.
  • При бурении скважин часть газов улетучивается в атмосферу.
  • Вероятность спровоцировать землетрясение из-за нарушений структуры породы.
  • Необходимость больших первоначальных вложений.

1.7.2. Технологические схемы геотермальных электростанций

Как уже отмечалось, ГеоЭС целесообразно сооружать, если температура геотермального флюида не ниже 100 °С. Высокотемпературные геотермальные ресурсы ограничены и в основном встречаются в местах молодого вулканизма и разломов земной коры. Обычно такие ресурсы представлены парогидротермами, представляющими собой насыщенный пар с той или иной степенью сухости. Возможны различные методы использования парогидротерм в технологических схемах ГеоЭС.

1. Пар, содержащийся в высокотемпературном флюиде, отделяют в сепараторе от жидкой фазы и направляют в паровую турбину, а жидкость закачивают обратно в пласт. Для более полного использования энергии первичного флюида целесообразно отсепарировапную жидкую фазу дросселировать до более низкого давления, за счет чего образуется еще некоторое количество пара, который может быть направлен в промежуточную ступень турбины. Это метод используют на большинстве ГеоЭС.

  • 2. Первичный флюид используют для нагрева и испарения рабочего агента, циркулирующего во вторичном контуре бинарной ГеоЭС.
  • 3. Отработанный в турбине пар и жидкий сепарат используют для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента, циркулирующего в низкотемпературном контуре в цикле Ренкина.

На рис. 1.24 приведены принципиальные тепловые схемы ГеоЭС, которые зависят от качества геотермального теплоносителя (температуры, паросодержания, минерализации и т.п.).

В схеме на рис. 1.24, а сухой пар из скважин после отделения в сепараторе твердых включений направляется непосредственно в турбину, оттуда в конденсатор поверхностного типа. Охлажденный конденсат закачивается обратно в пласт.

В схеме на рис. 1.24, 6 пароводяная смесь поступает в сепаратор- расширитель, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а отделенная жидкость и конденсат из конденсатора закачиваются обратно в пласт.

В бинарном (двухконтурном) цикле (рис. 1.24, в) геотермальный теплоноситель передает теплоту в промежуточных теплообменниках другому рабочему телу. Бинарный цикл имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся:

  • • более полное использование теплоты рассола и закачка его в пласт с меньшей температурой;
  • • возможность использования геотермальных ресурсов с пониженной температурой для выработки электроэнергии;

Рис. 1.24. Тепловые схемы ГеоЭС:

а — схема ГеоЭС, работающей на сухом паре с конденсатором поверхностного типа; 6 — схема ГеоЭС, работающей на пароводяной смеси с одноступенчатым расширителем; в — схема ГеоЭС с бинарным циклом на низкокипящем рабочем агенте; I — геотермальная скважина; 2 — расширитель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; б — нагнетательный насос; 7 — циркуляционный насос второго контура; 8 — блок теплообменников для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента

  • • агрессивные компоненты геотермального теплоносителя не попадают в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;
  • • сопутствующие вредные газы не попадают в окружающую среду.

Недостатком бинарного цикла является усложнение схемы и некоторая потеря температурного (обычно и без того достаточно низкого) потенциала, поскольку для передачи тепла от флюида к рабочему телу необходима разность температур. Нижняя температура цикла в этом случае ограничена возможностью выпадения из флюида по мере его охлаждения растворенных в нем солей [68].

Читать еще:  Что делать с конденсатом от кондиционера

На рис. 1.25 приведена тепловая схема ГеоЭС с тремя расширителями. Использование расширителей усложняет схему, обусловливает необходимость использования трех паровпусков в турбину, по позволяет существенно повысить выработку электроэнергии на единицу массы рассола, поднимаемого из скважины. Прирост мощности ГеоЭС с двумя ступенями расширения по сравнению с ГеоЭС с одной ступенью достигает 20 %, а для ГеоЭС с тремя ступенями — 27 % [72].

Идея применения неводяных паров в качестве рабочих тел теплосиловых установок для выработки электроэнергии впервые была реализована в России. В 1965 г. была изготовлена фреоновая энергетическая установка УЭФ-90/05 мощностью 750 кВт для выработки электроэнергии. Греющей средой для установки служила геотермальная вода с температурой 80 °С Средне-Паратунского месторождения. В течение 1967—1974 гг. на Камчатке в лаборатории натурных испытаний Института теплофизики СО АН СССР проводились экс-

Рис. 1.25. Принципиальная тепловая схема ГеоЭС с расширителями в качестве паро- генерирующих устройств:

1 — геотермальная добычная скважина; 2 — дегазатор I ступени; 3 —дегазатор II ступени; 4 — отделитель шлама; 5 — расширитель I ступени; 6 — расширитель II ступени; 7 — расширитель III ступени; 8 — турбина; 9 — генератор; 10 — конденсатор; 11 — насосы плуатационные исследования, подтвердившие надежную работу энергоустановки. Успешные испытания по использованию низко- кипящего вещества на Паратунской ГеоЭС расширили область эффективного преобразования тепловой энергии низкого потенциала в электрическую, позволили повысить глубину использования теплоты энергоресурсов [51].

Технологическая схема Паратунской ГеоЭС (рис. 1.26) позволяет реализовать цикл Ренкина, который совершается низкокипящим рабочим телом (хладон Я12) в закрытом теплосиловом контуре, в котором за счет тепла термальной воды образуется пар заданных параметров. В соответствии со схемой жидкий фреон питательным насосом подается последовательно в три подогревателя, испаритель и пароперегреватель поверхностного типа. После пароперегревателя фреоновый пар давлением 1,4 МПа и температурой 75 °С направляется в турбину, где расширяется до конечного давления 0,5 МПа и при температуре 15 °С конденсируется в поверхностном конденсаторе. Жидкий фреон поступает через промежуточный ресивер к питательным насосам и цикл повторяется.

На рис. 1.27 приведена тепловая схема предполагаемого IV энергетического блока мощностью 6,5 МВт с комбинированным циклом для опытно-промышленной Верхне-Мутновской ГеоЭС, па которой успешно работают три энергетических блока с традиционным циклом на геотермальном паре мощностью 4 МВт(э) каждый [50].

Рис. 1.26. Схема Паратунской бинарной ГеоЭС:

1 — пароперегреватель; 2 — испаритель; 3 — подогреватели низкокипящсго рабочего агента; 4 — питательный насос; 5 — ресивер; 6 — конденсаторы; 7 — турбина; 8 — генератор; 9 — вход горячей термальной воды; 10 — вход охлаждающей воды

Рис. 1.27. Принципиальная тепловая схема комбинированной геотермальной электростанции с бинарным циклом для Верхне-Мутновской ГеоЭС:

1 — добычная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — сепаратор; 4 — паровая турбина; 5 — генераторы; 6 — турбина на низкокипящем рабочем агенте; 7 — конденсатор- испаритель; 8 — пароперегреватель; 9 — воздушный конденсатор; 10 — ресивер (кондсн- сатосборник); 11 — циркуляционный насос; 12 — нагнетательный насос

Турбина 4 мощностью 2,5 МВт работает на геотермальном паре, получаемом при сепарации пароводяной смеси, поступающей из добычных скважин. Водяной пар после турбины при давлении 0,11 МПа и температуре около 100 °С поступает в конденсатор-испаритель 7, где конденсируется, отдавая тепло на подогрев и испарение пизкокипящего рабочего агента циркулирующего во втором контуре. Низкокипящий теплоноситель (изобутан) после пароперегревателя 8 поступает на турбину мощностью 4 МВТ(Э^. Охлажденный в воздушном конденсаторе 9 низкокипящий теплоноситель поступает в ресивер 10, откуда циркуляционным насосом 11 направляется в конденсатор-испаритель 7. Сепарат после пароперегревателя 8 и конденсат геотермального пара из испарителя 7 направляются к нагнетательной скважине посредством насоса 12 для закачки по скважине 2 в подземный горизонт.

Наибольший эффект от использования геотермальных ресурсов достигается при одновременном тепло- и электроснабжении небольших городов и поселков, удаленных от централизованной системы энергообеспечения. В качестве примера на рис. 1.28 представлена схема тепло- и электроснабжения пос. Алтхайма (Австрия) населением 5 тыс. человек. Небольшая ГеоТЭЦ имеет тепловую мощность 9 МВт и электрическую мощность 1 МВт, протяженность тепловых

Рнс. 1.28. Схема тепло- и электроснабжения пос. Алтхайма:

1 — теплообменники; 2 — теплообменник-испаритель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — циркуляционный насос; 7,8 — подвод и отвод охлаждающей воды; 9 — потребители тепла

сетей достигает 14,5 км [35]. Термальная вода температурой 106 °С и расходом 100 л/с на поверхности разделяется на два потока. Первый поток проходит через теплообменники системы отопления домов и нагревает воду, циркулирующую в тепловой сети. Второй поток направляется к блоку теплообменников бинарной ГеоЭС, где температура воды снижается до 70 °С при испарении и перегреве низкоки- пящего рабочего тела, циркулирующего в цикле Ренкина. Далее этот же поток поступает в теплообменник системы теплоснабжения школы и плавательного бассейна пос. Алтхайма.

После теплообменников по нагнетательной скважине отработанная термальная вода температурой 65 °С возвращается в геотермальный резервуар, расположенный па расстоянии 1700 м от добычной скважины. Строительство ГеоТЭЦ позволило улучшить экологическую обстановку в районе пос. Алтхайма. При этом экономится около 2500 т жидкого топлива в год.

Представляет интерес опыт эксплуатации геотермальной станции пущенной в эксплуатацию в 1995 г. в Германии [77]. Установленная тепловая мощность системы — 6 МВт. Система включает циркуляционный контур, состоящий из добычной и нагнетательной скважин, и наземный контур теплоснабжения. Эксплуатируется верхний триасовый пласт песчаника, характеризующийся следующими параметрами: глубина залегания — 2200-^2300 м; толщина пласта — 40ч-60 м; температура — 100 °С; минерализация — 220 г/л; пористость —

  • —12 2
  • 20ч-22 %; проницаемость — (0,5-^ 1,0) -10 м ; производительность — з
  • 110-И80 м /(ч • МПа). Эксплуатация геотермальной станции в основном подтвердила ее концепцию: материал и оборудование выдержали высокие температуры и солесодержание. Проблемы, связанные с отложением солей при реинжекции термальных вод, могут быть решены с помощью их мягкой кислотной обработки. Геотермальный потенциал станции эффективно не использовался вследствие ограниченных возможностей потребителей и особенностей системы теплоснабжения. Максимально дебит скважины используется только несколько дней в году. Летом и в переходные периоды года глубинный

насос работает при минимальной нагрузке с расходом до 40 м 3 /ч.

Для более эффективного использования геотермального потенциала в 2003 г. станция была дополнена предвключенным бинарным энергоблоком по выработке электроэнергии. Принципиальная схема расширенной станции показана на рис. 1.29.

Такая система позволяет максимально использовать эксплуатационный дебит, равный ПО м 3 /ч. Часть термальной воды, неиспользованная для подачи тепла, направляется в блок с циклом Ренкина на органическом рабочем теле, где она охлаждается до 70 °С. Регулирование разделения термальной воды на два потока и температуры термальной воды после их смешения зависит от температуры в теплосети

Рис. 1.29. Принципиальная схема ГеоТЭЦ, реализованная в Германии:

1 — добычная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — теплообменник-испаритель; 4 — турбина; 5 — генератор; 6 — конденсатор; 7 — циркуляционный насос; 8,9 — подвод и отвод охлаждающей воды; 10 — противоточный теплообменник; 11 — потребители тепла после противоточного теплообменника. Номинальная электрическая мощность энергоблока — 0,21 МВт. Рабочим телом в цикле Ренкина является изопентан (С5Н|2), который расширяется в одноступенчатой турбине.

На рис. 1.30 представлена принципиальная схема ГеоЭС с двойным (комбинированным) циклом, реализованная в США [20].

Геотермальный флюид температурой 280 °С и массовым расходом 278 кг/с последовательно направляется в испаритель и нагреватель первичного контура, где при передаче тепла происходит нагрев и испарение воды при температуре 215 °С. Далее насыщенный пар направляется в паровую турбину мощностью 33,4 МВт. Отработанный в первичном контуре геотермальный теплоноситель температурой 167 °С также последовательно проходит через испаритель и нагреватель вторичного контура, после чего при температуре 66 °С закачивается в подземный резервуар. В изобутановом цикле пары

Рнс. 1.30. Схема ГеоЭС с двойным циклом (США):

1 — паровая турбина; 2 — турбина на низкокипящем агенте (изобутан); 3 — генераторы; 4, 3 — испаритель и нагреватель первичного цикла; 6,7 — испаритель и теплообменник- нагреватель вторичного цикла; 8, 9 — циркуляционные насосы первичного и вторичного циклов; 10, II — воздушные системы охлаждения изобутана при температуре 125 °С направляются в турбину мощностью 22,3 МВт для выработки электроэнергии.

Схемы ГеоЭС с двойным циклом перспективны для реализации на Мутновском геотермальном месторождении на Камчатке, что позволит наиболее эффективно использовать тепловой потенциал геотермального пара. В настоящее время разработан технический проект энергоблока № 4 Верхе-Мутновской ГеоЭС с комбинированным циклом мощностью 6,5 МВт [25].

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector