Расчет тепловой схемы геоэс - Домашний мастер Dach-Master.ru
31 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет тепловой схемы геоэс

Геотермальная энергия. Принцип работы геотермальной электростанции по функциональной блок-схеме. Порядок разработки геотермального источника.

Тепловая энергия, выделяющаяся при извержении вулканов, гейзеров и горячих источников, известна человечеству уже много тысячелетий, но интенсивное использование ее стало возможным лишь с появлением технических средств во второй половине ХХ века. В настоящее время принято выделять два основных класса геотермальных ресурсов: гидрогеотермальные и петрогеотермалъные.

Гидрогеотермальные ресурсы представляют собой ту часть ресурсов геотермальной энергии, которая заключена в естественных коллекторах и представлена природными теплоносителями: подземными водами, паром или пароводяными смесями.

Петрогеотермальные ресурсы, это аккумулированные в блоках нагретых (до 350°С и более) практически безводных (т.н. сухих) горных пород. Технология извлечения петрогеотермальных ресурсов основана на создании искусственных циркуляционных систем (т.н. тепловых котлов).

Специфика геотермальных вод заключается в следующем:

Специфика геотермальных вод заключается в следующем:

– одноразовость использования в системе теплоснабжения;

– постоянная температура в течение отопительного сезона;

– агрессивность, в связи с чем необходимо предусматривать защиту от коррозии и образования осадков в металлических трубопроводах и нагревательных приборах;

– сравнительно низкая температура;

Принцип работы:

В настоящее время геотермальная энергия используется в основном для целей теплоснабжения. Геотермальная котельная состоит из водозаборной и нагнетающих скважин, бойлера, промежуточного накопителя и распределительной сети (рис. 1.11). Накопитель предназначен для покрытия пиковых нагрузок. Горячая вода из подземного резервуара поступает в бойлер и передает тепловую энергию теплоносителю, который через распределительную сеть доставляет ее потребителям.

Рис 1.11 Схема геотермальной котельной

Разработка разведанного источника геотермального тепла в виде сухих скальных породпроизводится внесколько этапов.

Вначале бурят скважины глубиной 5. 7 км, через которые в область горячих скальных пород нагнетают воду.

В местах контакта воды с горячими породами образуется пар, который заполняет все трещины в скальном грунте, образуя водоносные слои, пригодные для использования в ГеоТЭС или котельной.

Далее бурятся заборные скважины, через которые пар из глубины нескольких километров поступает в бак – аккумулятор ГеоТЭС или в бойлер котельной.

Технология преобразования энергии геотермального тепла в электрическую энергию зависит от параметров теплоносителя.

Если в ГеоТЭС поступает сухой пар под высоким давлением, не содержащий солевых и газовых составляющих, такой теплоноситель можно направить непосредственно на лопатки турбины и выработать электрическую энергию.


1-скважина, 2-бак-аккумулятор, 3-расширитель, 4-турбина, 5-генератор, 6-градирня, 7-насос, 8-смешивающий конденсатор, 9,10-насосы

ГеоТЭС опасны для окружающей среды из-за тепловых выбросов в атмосферу и остывание недр земли.

Конструкция СЭС и принцип работы по функциональной блок-схеме на базе метановой технологии.

Рис. 6.18. Функциональная блок-схема двухконтурной солнечной башни:

1 – солнечное излучение; 2 – парогенератор; 3 – оптикохимический преобразователь солнечной энергии; 4 – паровая турбина; 5 – генератор;

6 – конденсатор; 7 – насосы питательной воды; 8 – подогреватель;

9 – накопитель тепла; 10 – хранилище синтез-газа; 11 – компрессоры;

12 – хранилище метана; 13 – метанатор

Двухконтурная станция состоит из двух независимых приемников солнечного излучения, которые выполнены в виде полостей.

Одна из этих полостей будет преобразовывать энергию солнечного излучения непосредственно в пар, который будет направляться на лопатки паровой турбины и преобразовываться в электрическую энергию с помощью генератора.

Другая полость будет захватывать солнечную энергию, которая необходима для термохимического преобразования двуокиси углерода и метана в присутствии катализатора.

Второй контур выполняет функцию хранения термохимической энергии и производства электроэнергии после захода солнца и оперативного управления в облачную погоду.

Термохимическая энергия хранится в продуктах процесса реформирования в виде газовой смеси, состоящей в основном из водорода и окиси углерода, названной синтезгазом (сингаз).

В случае дефицита пара, при появлении облаков, можно вернуть часть тепловой энергии через обратную экзотермическую реакцию в метанаторе, где синтез метана будет происходить в присутствии катали- заторов. Полный термохимический процесс преобразования происходит в замкнутом цикле.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 250 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

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].

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

Читать еще:  Сигнализатор на горючие газы или угарный газ

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].

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 — 48211. ISSN 1994-0408

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Камчатский край располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60…200 °C в платформенных и предгорных районах. Геотермальные станции базируются на источниках пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5…3 км. Пароводяная смесь имеет степень сухости 0,2…0,5 и удельную энтальпию 1500…2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3…5 МВт. В качестве энергопреобразователей применяют паровые турбины.

Характеристика геотермальных ресурсов Камчатки

Камчатские месторождения теплоэнергетических вод трещинно-жильного типа горно-складчатых областей распространены в районах современного и недавнего вулканизма. В табл. 1 приведены основные характеристики Камчатского гидрогеотермального региона.

Основные характеристики гидрогеотермального региона

Запасы воды, тыс. м 3 /сут

Запасы тепла, тыс. Гкал/год

Высокотемпературные геотермальные месторождения Камчатки (по данным ОАО «Геотерм») приведены в табл. 2.

Технические характеристики действующих ГеоЭС (данные 2009 г.)

Состояние теплоносителя на выходе из скважины

Средняя
температура в резервуаре,
° С

Объ e м резервуара, км 3

Прогнозная максимальная электрическая мощность, МВт

Перегретый и насыщенный пар

Перегретый и насыщенный пар

Оценка геотермальных потенциалов Камчатского края

Гидротермальные конвективные системы Камчатского края разделяются условно на высокотемпературные (температура в недрах выше 150 °C) и низкотемпературные (температура ниже 150 °C).

При оценке прогнозных геотермальных ресурсов высокотемпературных систем применялись два основных метода:

по величине естественной тепловой разгрузки (выносу тепла поверхностными термопроявлениями);

по данным определения тепловой энергии, содержащейся в горных породах, насыщенных флюидом и распространенных в пределах гидротермальных систем.

Например, при расчете прогнозных ресурсов действующей Паужетской гидротермальной системы ее тепловая мощность по сумме выноса тепла естественными термопроявлениями была определена в 104 МВт. Увеличивая это значение в четыре раза и вводя коэффициент перехода в полезную работу тепловой энергии на устье скважин (0,23) и перевода ее в электрическую энергию (0,4), получим прогнозную электрическую мощность – 38 МВт. Оценка ресурсов по второму методу требует определения объема блока, слоя или резервуара нагретых горных пород, знание температуры и удельного теплосодержания горных пород. Результаты расчета Паужетской гидротермальной системы приведены в табл. 3.

Характеристика Паужетского месторождения

Средняя температура
резервуара,
° С

Электрическая мощность,
МВтэ

На основании проведенных оценок месторождений, выделены перспективные высокотемпературные геотермальные месторождения, на платформе которых возможна работа проектируемой паротурбинной установки. Характеристики месторождений представлены в табл. 4.

Прогнозные геотермальные ресурсы высокотемпературных систем

Естественная
тепловая разгрузка, МВтт

Средняя температура
резервуара,
° С

Тепловая энергия резервуара, 10 18 Дж

Прогнозная электрическая мощность, МВтэ

В настоящее время на Камчатке закончено строительство четвертого блока Верхне-Мутновской ГеоЭС электрической мощностью 6,5 МВт, комбинированного с бинарным ци клом (отработанный теплоноситель не закачивается обратно в пласт, а используется для выработки электрической энергии). Предполагается, что добавление бинарного блока повысит мощность станции на 50 % без увеличения нагрузки на окружающую среду.

Включение в схему ГеоЭС бинарного блока выполнено впервые в России.

Проектирование паротурбинной установки геотермальной электростанции бинарного цикла

В рамках проектирования паровой турбины решаются следующие научно- технические проблемы:

выбор оптимального низкокипящего рабочего тела;

определение минимальной температуры охлаждения конденсата, обеспечивающей предотвращение отложений в рабочем тракте турбины; выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора — испарителя;

обеспечение экологических ограничений по выбросу сероводорода, основного загрязняющего атмосферу вещества, исследование теплофизических свойств рабочего тела бинарного энергоблока.

Выбор низкокипящего рабочего тела

В качестве низкокипящего теплоносителя второго контура выбран изобутан – углеводород класса алканов, изомер нормального бутана. При бурении геотермальных скважин выделяется большой объем попутных газов, в том числе изобутана. Его температура кипения минус 11,73 °C , температура плавления минус 159,6 °C .

Выбор тепловой схемы геотермальной станции бинарного цикла

Первым этапом выбора тепловой схемы ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка, был анализ принципов создания, упомянутой выше, Верхне‑Мутновской ГеоЭС.

Читать еще:  Утепление фундамента Утепление грунтов и фундаментов

В основу создания Верхне‑Мутновской станции были положены новые технические решения:

применена блочная, при полной заводской готовности, система подготовки пара, которая расположена в непосредственной близости к ГеоЭС;

использован модульный тип ГеоЭС при 100 % заводской готовности основных блоков — модулей (турбогенераторы, электрическое оборудование);

обеспечена экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушным конденсатором, которая позволяет отобрать энергию от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки в землю. В этом случае теплоноситель не попадает в атмосферу.

Принципиально новые технические решения создания Верхне‑Мутновской ГеоЭС были учтены, в частности при выборе тепловой схемы проектируемой станции.

На рис. 1 приведена схема ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка.

Рис. 1. Тепловая схема геотермальной электростанции бинарного цикла:
1– добычная скважина; 2 – нагнетательная скважина; 3 – сепаратор; 4 – паровая турбина; 5 – генератор; 6 – турбина на низкокипящем рабочем агенте; 7 – конденсатор-испаритель; 8 – пароперегреватель; 9 – воздушный конденсатор; 10 – ресивер; 11 – циркуляционный насос; 12 – нагнетательный насос

Проектирование паротурбинной установки на геотермальном рабочем теле

Как показано на рис. 1, комбинированная геотермальная станция бинарного цикла включает в себя два энергетических узла. Первый энергетический узел состоит из паротурбинной установки, работающей на геотермальном рабочем теле.

На данном этапе исследовательской работы определены тепловые характеристики геотермального рабочего тела, низкокипящего рабочего агента, а также параметры сепараторной части и паровой турбины, для наиболее перспективного с экономической и технической точек зрения геотермального месторождения. По результатам оценок месторождений, представленных в настоящей работе, таким является Карымское геотермальное месторождение (см. табл. 4).

При средней температуре резервуара 200 °C теплоносителем на поверхности является перегретый и насыщенный пар/термальная вода.

В бинарной установке для электростанции предусмотрено использование пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, которая забирается из геотермальных скважин, для выработки электроэнергии в двух паротурбинных агрегатах конденсационного типа, работающих в базовом режиме с начальным давлением пара 0,65 МПа. Для обеспечения экологической чистоты проекта в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки (реинжекции) конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу.

Технико-экономические показатели ГеоЭС и паротурбинной установки: установленная мощность ГеоЭС – 50 МВт (два блока); расход пара на один блок – 47,5 кг/с; расход пара на всю ГеоЭС – 95 кг/с; мощность (нетто) блока – 23,03 МВт, ГеоЭС – 46,06 МВт.

Работа сепаратора обеспечивает на выходе степень сухости пара более 0,9998 и общее солесодержание в паре менее 0,5 мг/л. Для обеспечения этих параметров пара сепаратор имеет промывочное устройство, в которое подается чистый конденсат. На номинальном режиме (по мощности) сепараторы пара работают при следующих параметрах:

Параметры пара на входе в сепаратор: расход – 47,317 кг/с; давление (абс) –0,64 МПа; температура – 186,3 °C; влажность пара – 0,02 %.

Параметры пара на выходе из сепаратора: расход – 47,5 кг/с;

давление (абс) – 0,65 МПа; температура – 187 °C; влажность пара – 0,1 %.

Активно‑реактивная двухпоточная турбина обеспечивает номинальную мощность 25 МВт. Она достигается при начальном давлении пара перед стопорной захлопкой 0,62 МПа, содержании в паре неконденсирующихся газов 0,4 % (по массе), давлении пара в конденсаторе 5 кПа. В каждом потоке турбины – восемь ступеней.

Номинальные расчетные параметры пара перед турбиной:

давление пара – 0,62 МПа;

степень сухости пара перед турбиной – 0,9998;

содержание в паре неконденсирующихся газов – 0,4 %;

давление пара в конденсаторе – 5,0 кПа.

Принципиальная схема установки второго контура

Во втором энергетическом узле, включающем турбину, работающую на изобутане, тепловая энергия сепарата Qc передается органическому рабочему телу (ОРТ). Соответствующий тепловой баланс может быть записан в виде:

где Cp c , Cp орт – средняя теплоемкость соответственно сепарата и ОРТ; T 1 c – температура сепарата на входе в теплообменник; T 2 c – температура сепарата на выходе из теплообменника; T 1 орт – температура ОРТ на входе в теплообменник; T 2 орт – температура сепарата на выходе из теплообменника.

На рис. 2 приведена схема установки второго контура.

Рис. 2. Принципиальная схема установки второго контура:
1 – геотермальная скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – конденсатор; 5 – нагнетательный насос; 6 – циркуляционный насос второго контура; 7 – блок теплообменников для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента

Энергоустановка бинарного цикла имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся:

более полное использование теплоты рассола и закачки его в пласт с меньшей температурой;

возможность использования геотермальных ресурсов с пониженной температурой для выработки электроэнергии;

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 установки является усложнение схемы и некоторая потеря температурного потенциала, поскольку для передачи тепла от геотермального флюида к рабочему телу необходим перепад температур.

Особенностью выполнения данной работы является возможность практической реализации и применения в машиностроении результатов проведенного исследования.

В работе определены температурные параметры геотермального и низкокипящего рабочих тел, состояние рабочего тела на поверхности скважин, давления скважин, параметры паровой турбины, давление перед стопорной захлопкой, расход пара и т.д. Кроме того, выполнен расчет и эскизное проектирование основного преобразователя энергии – паротурбинной установки. Исследование геотермальных месторождений и проектирование паротурбинных установок для Камчатского края носит стратегический характер, как в социальной, так и в экономической сферах.

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. М.: Высшая школа, 1980. 550 с.

2. Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: Физмалит, 2010. 256 с.

3. Берман Э. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 411 с.

4. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и

комбинированных установок / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, Э.А. Манушин и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. 519с.

5. Поваров О.А. Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке. М.: Теплоэнергетика, 2001. 154 с.

6. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева.– 2-е изд., испр. и доп.

М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 1997. 684 с.

7. Теплотехника / Под ред. А.М. Архарова.– 3-е изд., переработ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2011.791 с.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы

Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.

Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.

Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.

Геотермальные электростанции — способы использования геотермальной энергии

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в Сальвадоре геотермальная энергия производит около 1/3 электроэнергии. В Айдахо и Исландии геотермальное тепло используется в различных сферах, в том числе и для обогрева жилья. В тысячах домах геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого и недорогого тепла.

Читать еще:  Толкование сна выпечка в сонниках

Геотермальные электростанции — источники геотермальной энергии.

Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.

Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды , содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.

Геотермальные электростанции — принципы работы

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Геотермальные электростанции на парогидротермах

Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии.

Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.

Будущее геотермального электричества.

Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными производителями геотермальной электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.

Чтобы геотермальное электричество стало ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.

Геотермальные электрические станции

Геотермальная электрическая станция – это комплекс инженерных устройств, преобразующих тепловую энергию планеты в электрическую энергию.

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика относится к «зеленым» видам энергии. Данный способ энергообеспечения потребителей получил широкое распространение в регионах с термической активностью планеты для различных видов использования.

Геотермальная энергия бывает:

  • Петротермальная, когда источник энергии — слои земли обладающие высокой температурой;
  • Гидротермальная, когда источник энергии — подземные воды.

Геотермальные установки используются для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства, промышленности и в жилищно-коммунальной сфере.

Принцип работы геотермальной электростанции

В современных геотермальных установках преобразование тепловой энергии земли в электрическую осуществляют нескольким способами, это:

Прямой метод

В установках такого вида, пар, поступающий из недр земли, работает в непосредственном контакте с паровой турбиной. Пар подается на лопасти турбины, которая свое вращательное движение передает генератору, вырабатывающему электрический ток.

Не прямой метод

В этом случае из земли закачивается раствор, который поступает на испаритель, и уже после испарения, полученный пар поступает на лопасти турбины.

Смешанный (бинарный) метод

В устройствах, работающих по этому методу, вода из скважины поступает на теплообменник, в котором, передает свою энергию теплоносителю, который, в свою очередь, под воздействием полученной энергии испаряется, а образовавшийся пар поступает на лопасти турбины.
В геотермальных установках, работающих по прямому методу (способу) воздействия на турбину, источником энергии служит геотермальный пар.

Во втором методе — используются перегретые гидротехнические растворы (гидротермы), которые обладают температурой выше 180 *С.

При бинарном методе – используются горячая вода, забираемая из слоев земли, а в качестве парообразующей используется жидкости с меньшей температурой кипения (фреон и подобные).

Плюсы и минусы

К достоинствам использования электростанций данного вида можно отнести:

  • Это возобновляемый источник энергии;
  • Огромные запасы в дальней перспективе развития;
  • Способность работать в автономном режиме;
  • Не подверженность сезонным и погодным факторам влияния;
  • Универсальность – производство электрической и тепловой энергии;
  • При строительстве станции не требуется устройство защитных (санитарных) зон.

Недостатками станций являются:

  • Высокая стоимость строительства и оборудования;
  • В процессе работы вероятны выбросы пара с содержанием вредных примесей;
  • При использовании гидротермов из глубинных слоев земли, необходима их утилизация.

Геотермальные станции в России

Геотермальная энергетика, наряду с прочими видами «зеленой» энергетики, неукоснительно развивается на территории нашего государства. По расчетам ученых, внутренняя энергия планеты, в тысячи раз превышает количество энергии содержащейся в природных запасах традиционных видах топлива (нефть, газ).

В России успешно работают геотермальные станции, это:

Паужетская ГеоЭC

Расположена около поселка Паужетка на полуострове Камчатка. Ведена в эксплуатацию в 1966 году.
Технические характеристики:

  1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
  2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 124,0 млн.кВт.часов;
  3. Количество энергоблоков – 2.

Ведутся работы по реконструкции, в результате которой электрическая мощность увеличится до 17,0 МВт.

Верхне-Мутновская опытно-промышленная ГеоЭС

Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 1999 году.
Технические характеристики:

  1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
  2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 63,0 млн.кВт.часов;
  3. Количество энергоблоков – 3.

Мутновская ГеоЭС

Наиболее крупная электрическая станция подобного типа. Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 2003 году.
Технические характеристики:

  1. Электрическая мощность – 50,0 МВт;
  2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 350,0 млн кВт.часов;
  3. Количество энергоблоков – 2.

Океанская ГеоЭС

Расположена в Сахалинской области. Введена в эксплуатацию в 2007 году.
Технические характеристики:

  1. Электрическая мощность – 2,5 МВт;
  2. Количество энергомодулей – 2.

Менделеевская ГеоТЭС

Расположена на острове Кунашир. Введена в эксплуатацию в 2000 году.

  1. Электрическая мощность – 3,6 МВт;
  2. Тепловая мощность – 17 Гкал/час;
  3. Количество энергомодулей – 2.

В настоящее время ведется модернизация станции, после которой мощность составит 7,4 МВт.

Геотермальные станции в мире

Во всех технически развитых странах, где есть сейсмически активные территории, где внутренняя энергия земли выходит наружу, строятся и эксплуатируются геотермальные электрические станции. Опытом строительства подобных инженерных объектов обладают:

Страна с наибольшим количеством потребления электрической энергии, вырабатываемой гелиотермическим станциями.

Установленная мощность энергоблоков составляет более 3000 МВт- это 0,3% от всей вырабатываемой электрической энергии в США.

Наиболее крупные это:

  1. Группа станций «The Geysers». Расположена в Калифорнии, в состав группы входит 22 станции, установленной мощностью 1517,0 МВт.
  2. В штате Калифорния, станция «Imperial Valley Geothermal Area» установленной мощностью 570,0 МВт.
  3. В штате Невада станция «Navy 1 Geothermal Area» установленной мощностью 235,0 МВт.

Филиппины

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1900 МВт, что составляет 27 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

  1. «Макилинг-Банахау» установленной мощностью 458,0 МВт.
  2. «Тиви», установленная мощность 330,0 МВт.

Индонезия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1200 МВт, что составляет 3,7 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

  1. «Sarulla Unit I», установленная мощность – 220,0 МВт.
  2. «Sarulla Unit II», установленная мощность — 110,0 МВт.
  3. «Sorik Marapi Modular», установленная мощность — 110,0 МВт.
  4. «Karaha Bodas», установленная мощность – 30,0 МВт.
  5. «Ulubelu Unit» — находится в стадии строительства на Суматре.

Мексика

Установленная мощность энергоблоков составляет 1000 МВт, что составляет 3,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

  1. «Cerro Prieto Geothermal Power Station», установленной мощностью 720,0 МВт.

Новая Зеландия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 600 МВт, что составляет 10,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

  1. «Ngatamariki», установленной мощностью 100,0 МВт.

Исландия

Установленная мощность энергоблоков составляет 600 МВт, что составляет 30,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

  1. «Hellisheiði Power Station», установленной мощностью 300,0 МВт.
  2. «Nesjavellir», установленной мощностью 120,0 МВт.
  3. «Reykjanes», установленной мощностью 100,0 МВт.
  4. «Svartsengi Geo», установленной мощностью 80,0 МВт.

Кроме выше перечисленных, геотермальные электростанции работают в Австралии, Японии, странах Евросоюза, Африки и Океании.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector