Двухконтурные геотермальные теплоэлектростанции. Схема, описание

Практическое занятие № 6

Цель: ознакомиться с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО), а также с методикой их расчета.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО.

2. В соответствии с индивидуальным заданием решить практические задачи.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Использование тепловой энергии океана

Технология преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) позволяет создавать электричество за счет разницы температур между теплой и холодной океанской водой. Холодная вода перекачивается через трубу с глубины более 1000 метров (из места, куда солнечные лучи никогда не попадают). Система также использует и теплую воду из области, близкой к поверхности океана. Нагретая солнечными лучами вода проходит через теплообменник с химическими веществами с низкой температурой кипения, например аммиаком, что создает химический пар, приводящий в движение турбины электрогенераторов. Затем пар конденсируется обратно в жидкую форму при помощи охлажденной воды из глубин океана. Тропические регионы считаются наиболее удачным местом для размещения систем ПТЭО. Это обусловлено большей разностью температур между водой на мелководье и на глубине.

В отличие от ветровых и солнечных ферм, океаническая ТЭС может производить экологически чистую электроэнергию круглосуточно, 365 дней в году. Единственным побочным продуктом таких энергоблоков является холодная вода, которая может использоваться для охлаждения и кондиционирования воздуха в административных и жилых зданиях рядом с энергогенерирующим объектом.

Использование геотермальной энергии

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

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300-350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·10 12 Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840000000000 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.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

· 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, вызывающих разрушение труб;

· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задача 1. Определить начальную температуру t 2 и количество геотермальной энергии Е o (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р гр = 2700 кг/ м 3 ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.

Среднюю температуру поверхности t o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ = 1·10 3 кг/м 3 . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км 2 . Минимально допустимую температуру пласта принять равной t 1 =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ o (лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м 3 /(с·км 2). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz) τ =0 и через 10 лет (dE/dz) τ =10?

Задача 1 посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру - скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры р гр =2700 кг/м 3 , а коэффициент теплопроводности λ гр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км.

Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м 2 . Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.

В полутермальных районах температурный градиент равен 40-80 °С/км. Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.

В гипертермальных районах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км. Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

T г =T o +(dT/dz)·z,

где Т o - температура на поверхности Земли, К (° С).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности F.

Теплоемкость пласта С пл (Дж/К) можно определить по уравнению

C пл =[α·ρ в ·C в +(1- α)·ρ гр ·C гр ]·h·F,

где р в и С в - соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость

р гр и С гр - плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р гр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т 1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

E 0 =C пл ·(T 2 -T 1)

Постоянную времени пласта τ 0 (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м 3 /с) можно определить по уравнению:

τ 0 =C пл /(V·ρ в ·С в)

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

E=E 0 ·e -(τ / τ o)

где τ - число лет с начала эксплуатации;

е - основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

Задача 2 Считается, что действительный КПД η океанической ТЭС, использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (T 1 -T 2)= ∆T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, η t k . Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t , °С, а температура воды на глубине океана t 2 , °С. Какой расход теплой воды V , m/ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт?

Задача 2 посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур (∆T=15÷26 o C) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5-9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы "теплой" и "холодной" воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.

Q 0 =p·V·C p ·∆T,

где р - плотность морской воды, кг/м 3 ;

С р - массовая теплоемкость морской воды, Дж/(кг · К);

V - объемный расход воды, м 3 /с;

∆T = T 1 -T 2 - разность температур поверхностных и глубинных вод

(температурный перепад цикла) в °С или К.

В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N 0 (Вт) может быть определена как

N 0 =η t k ·Q o ,

или с учетом (1) и выражения для термического КПД цикла Карно η t k:

N 0 =p·C p ·V·(∆T) 2 /T 1.

Задача 3 Двухконтурная пароводяная геотермальная электростанция с электрической мощностью N получает теплоту от воды из геотермальных скважин с температурой t гс . Сухой насыщенный пар на выходе из парогенератора имеет температуру на 20 0 С ниже, чем t гс . Пар расширяется в турбине и поступает в конденсатор, где охлаждается водой из окружающей среды с температурой t хв . Охлаждающая вода нагревается в конденсаторе на 12 0 С. Конденсат имеет температуру на 20 0 С выше, чем t хв . Геотермальная вода выходит из парогенерирующей установки с температурой на 15 0 С выше, чем конденсат. Относительный внутренний коэффициент турбины η оі , электрический КПД турбогенератора η э =0,96. Определить термический КПД цикла Ренкина, расход пара и удельный расход теплоты, расходы воды из геотермальных скважин и из окружающей среды.

В одноконтурной паротурбинной ГеоТЭУ энтальпия сухого насыщенного пара после сепарации определяется по температуре геотермальной воды t гв. Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара или h-s диаграммы. В случае двухконтурной ГеоТЭУ учитывается перепад температур в парогенераторе Δt. В остальном расчет ведется как и для солнечной паротурбинной ТЭС.

Расход пара определяется из соотношения

кг/с,

где η t – термический КПД цикла,

η оі – Относительный внутренний КПД турбины,

η э –электрический КПД турбогенератора,

N – мощность ГеоТЭУ, кВт,

Расход горячей воды из геотермальных скважин определяется из формулы

, кг/с,

расход холодной воды из окружающей среды на конденсацию пара

, кг/с,

где с = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды,

η пг – КПД парогенератора,

Δt пг – перепад температур геотермальной воды в парогенераторе, 0 С,

Δt хв – перепад температур холодной воды в конденсаторе, 0 С.

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

Величины и единицы их измерения	Варианты заданий
N, МВт
t хв., 0 С
t хв., 0 С
η oi , %

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

Кг/с, (4.3)

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.

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

Цель лекции: показать возможности и способы использования геотермального тепла в системах электроснабжения.

Тепло в виде горячих источников и гейзеров может быть исполь-зовано для производства электроэнергии по различным схемам на гео-термальных электростанциях (ГеоЭС). Наиболее легко выполнимой схемой является схема с применением пара жидкостей, имеющих низ-кую температуру кипения. Горячая вода из природных источников, обогревая такую жидкость в испарителе, обращает ее в пар, используе-мый в турбине и служащей приводом генератора тока.

На рисунке 1 изображен цикл с одним рабочим телом, например с водой или фреоном (а ); цикл с двумя рабочими телами – водой и фрео-ном (б ); прямой паровой цикл (в ) и двухконтурный цикл (г ).

Технологии производства электрической энергии в значительной степени зависят от теплового потенциала термальных вод.

Рисунок. 1 - Примеры организации цикла для производства электроэнергии:

I – геотермальный источник; II – турбинный цикл; III – охлаждающая вода

Высокопотенциальные месторождения позволяют использовать практически традиционные конструкции тепловых электростанций с паровыми турбинами.

Таблица 1 -Технические характеристики геотермальных электростанций

На рисунке 2 представлена наиболее простая схема небольшой электростанции (ГеоЭС) использующей тепло горячего подземного ис-точника.

Вода из горячего источника с температурой около 95 °С насосом 2 подается в газоудалитель 3, где происходит отделение растворенных в ней газов.

Далее вода поступает в испаритель 4, в котором происходит ее превращение в насыщенный пар и небольшой перегрев за счет тепла пара (от вспомогательного котла), предварительно отработавшего в эжекторе конденсатора.

Слегка перегретый пар совершает работу в турбине 5, на валу ко-торой находится генератор тока. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе 6, охлаждае-мом водой с обычной температурой.

Рисунок 2-. Схема небольшой ГеоЭС:

1 – приемник горячей воды; 2 – насос горячей воды; 3 – газоудалитель;

4 – испаритель; 5 – паровая турбина с генератором тока; 6 – конденсатор; 7 – циркуляционный насос; 8 – приемник охлаждающей воды

Такие простейшие установки функционировали в Африке уже в 50-х годах.

Очевидным вариантом конструкции современной энергоустановки является геотермальная электростанция с низкокипящим рабочим веще-ством, представленная на рисунке 3. Горячая вода из бака-аккумулятора поступает в испаритель 3, где отдает свое тепло какому-либо веществу с низкой температурой кипе-ния. Такими веществами могут быть углекислота, различные фреоны, шестифтористая сера, бутан и др. Конденсатор 6 – смешивающего типа, который охлаждается холодным жидким бутаном, поступающим из поверхностного воздушного охладителя. Часть бутана из конденсатора питательным наосом 9 подается в подогреватель 10, а затем в испаритель 3.

Важной особенностью этой схемы является возможность работы в зимнее время с низкими температурами конденсации. Эта температура может быть близкой к нулю или даже отрицательной, т. к. все перечис-ленные вещества имеют очень низкие температуры замерзания. Это по-зволяет значительно расширить пределы температур, используемых в цикле.

Рисунок 3. Схема геотермальной электростанции с низкокипящим рабочим веществом:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – испаритель, 4 – турбина, 5 – генератор, 6 – конденсатор, 7 – циркуляционный насос, 8 – поверхностный воздушный охладитель, 9 – питательный насос, 10 – подогреватель рабочего вещества

Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара.

Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка пред-ставляет собой паротурбинную установку с противодавлением. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим вы-ходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химиче-ские вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторич-ный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электро-станция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в ком-прессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные за-траты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема геотермальной электростанции с непосредственным ис-пользованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор;

4 – выход в атмосферу или на химический завод

Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех рай-онов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой ус-тановки даже при переменном дебите скважин.

В Италии работает несколько таких станций. Одна из них – мощ-ностью 4 тыс. кВт при удельном расходе пара около 20 кг/с или 80 т/ч; другая – мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7–8 скважин.

Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара (рисунок 5) – это наиболее современная схема для получения электрической энергии.

Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденса-тора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор (рисунок 5).

По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие гео-термальные электростанции: «Лардерелло-2» (Италия), «Вайракей» (Новая Зеландия) и др.

Областью применения двухконтурных энергоустановок на низко-кипящих рабочих веществах (хладон-R12, водоаммиачная смесь,) является использование тепла термальных вод с температурой 100…200 °C, а также отсепарированной воды на ме-сторождениях парогидротерм.

Рисунок 5 - Схема геотермальной электростанции с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – насос;

5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – компрессор; 8 – сброс

Комбинированное производствоэлектрическойитепловойэнергии

Комбинированное производство электрической и тепловой энер-гии возможно на геотермальных тепловых электрических станциях (ГеоТЭС).

Наиболее простая схема ГеоТЭС вакуумного типа для использо-вания тепла горячей воды с температурой до 100 °С приведена на рисунке 6.

Работа такой электростанции протекает следующим образом. Го-рячая вода из скважины 1 поступает в бак-аккумулятор 2. В баке она ос-вобождается от растворенных в ней газов и направляется в расширитель 3, в котором поддерживается давление 0,3 атм. При этом давлении и при температуре 69 °С небольшая часть воды превращается в пар и на-правляется в вакуумную турбину 5, а оставшаяся вода насосом 4 пере-качивается в систему теплоснабжения. Отработавший в турбине пар сбрасывается в смешивающий конденсатор 7. Для удаления воздуха из конденсатора устанавливается вакуумный насос 10. Смесь охлаждаю-щей воды и конденсата отработавшего пара забирается из конденсатора насосом 8 и отдается для охлаждения в вентиляционную градирню 9. Охлажденная в градирне вода подается в конденсатор самотеком за счет разряжения.

Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт (3х4 МВт) явля-ется опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоТЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения Петропав-ловск-Камчатского промышленного района.

Рисунок 6 -. Схема вакуумной ГеоТЭС с одним расширителем:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – расширитель, 4 – насос горячей воды, 5 – вакуумная турбина 750 кВт, 6 – генератор, 7 – смешивающий конденсатор,

8 – насос охлаждающей воды, 9 – вентиляторная градирня, 10 – вакуумный насос

На Паужетской ГеоТЭС (юг Камчатки) мощностью 11 МВт используется на па-ровых турбинах только отсепарированный геотермальный пар из паро-водяной смеси, получаемой из геотермальных скважин. Большое коли-чество геотермальной воды (около 80 общего расхода ПВС) с темпе-ратурой 120 °C сбрасывается в нерестовую реку Озерная, что приводит не только к потерям теплового потенциала геотермального теплоноси-теля, но и существенно ухудшает экологическое состояние реки.

Тепловые насосы

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии с низкой температурой к потребителю теплоносителя с более высокой температурой,. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная (рисунок 7). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель -теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту, находящуюся в водоемах, грунтах, сточных водах и тому подобное. В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью электромотора, в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии. Для компрессора нужен также источник низкопотенциального тепла.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (рисунок 8). Для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м).

Рисунок 7 – Схема работы теплового насоса

Рисунок 8 - Использование в качестве источника тепла энергии грунта

К достоинствам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке ТНУ необходимо затратить 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии.. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования, которая может быть получена от ветровых и солнечных энергетических установок. Срок окупаемости тепловых насосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта.

Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР =2.0 при температуре источника −20 °C, и порядка СОР = 4.0 при температуре источника +7 °C.

В настоящее время геотермальная энергия используется в 51 стране в электрогенерирующих технологиях. За пять лет (с 2010 по 2015 годы) суммарная мощность геотермальных электростанций возросла на 16 % и составила 12 635 МВт. Существенное увеличение мощности геотермальных электростанций обусловлено экологической безопасностью, существенной экономической эффективностью и высокими показателями использования установленной мощности.

Сегодня геотермальные электростанции (ГеоЭС) эксплуатируются в 26 странах с ежегодной выработкой электроэнергии около 73 549 ГВт . Ожидаемый рост установленной мощности геотермальных электростанций к 2020 году — порядка 21 443 МВт (рис. 1). Значительные показатели в области геотермальной энергетики имеют США: общая установленная мощность ГеоЭС составляет 3450 МВт при ежегодной выработке электроэнергии 16,6 МВт/ч. На втором месте Филиппины с суммарной мощностью ГеоЭС 1870 МВт, на третьем Индонезия — 1340 МВт. При этом наиболее существенный прирост мощности ГеоЭС за последние пять лет отмечен в Турции — с 91 до 397 МВт, то есть на 336 %. Далее следуют Германия — на 280 % (с 6,6 до 27 МВт) и Кения — на 194 % (с 202 до 594 МВт).

В современной геотермальной энергетике наиболее распространёнными являются ГеоЭС с тепловой схемой турбоустановки, включающей дополнительное расширение геотермального пара, общая мощность которой составляет 5079 МВт. На перегретом геотермальном паре работают энергоблоки ГеоЭС суммарной мощностью 2863 МВт. Общая мощность энергоблоков ГеоЭС с двумя ступенями расширения пара равна 2544 МВт.

Геотермальные бинарные энергоблоки с органическим циклом Ренкина получают всё большее распространение, и на сегодняшний момент их суммарная мощность превышает 1800 МВт. Средняя единичная мощность бинарных энергоблоков равна 6,3 МВт, энергоблоков с одним давлением сепарации — 30,4 МВт, с двумя давлениями сепарации — 37,4 МВт, а энергоблоков, работающих на перегретом паре, — 45,4 МВт.

Основной прирост установленной мощности современных геотермальных электростанций в мире в последние годы осуществляется в значительной степени за счёт сооружения новых ГеоЭС с энергоблоками бинарного цикла.

Технологические схемы современных ГеоЭС можно классифицировать по фазовому состоянию геотермального теплоносителя, типу термодинамического цикла и применяемых турбин (рис. 2). Геотермальные электростанции работают на геотермальном теплоносителе в виде перегретого пара, пароводяной смеси и горячей воды. Прямой цикл ГеоЭС характеризуется использованием во всём технологическом тракте в качестве рабочей среды геотермального теплоносителя.

ГеоЭС с бинарным циклом в основном применяются на месторождениях с низкотемпературной горячей водой (90-120 °C), которые характеризуются использованием во втором контуре низкокипящего рабочего тела. Двухконтурные ГеоЭС предполагают использование бинарного и комбинированного бинарного циклов. В комбинированном цикле ГеоЭС паровая турбина работает на геотермальном паре, а утилизация тепла отработавшего или сбросного геотермального теплоносителя в виде жидкой фазы осуществляется в бинарной энергоустановке второго контура.

Конденсационные турбины одноконтурных ГеоЭС работают на геотермальном перегретом паре, а также на насыщенном паре, отсепарированном из пароводяной смеси. Турбины с противодавлением используются на одноконтурных ГеоТЭС, которые наряду с выработкой электроэнергии обеспечивают теплом системы теплоснабжения.

В настоящее время в России энергоблоки с противодавленческими турбинами эксплуатируются на островах Кунашир и Итуруп (входят в Курильскую гряду). На Калужском турбинном заводе были разработаны энергоблоки «Омега-500», «Туман-2,0» и «Туман-2,5» .

Противодавленческие турбоустановки значительно проще конденсационных по своей конструкции, поэтому их цена существенно ниже.

Достаточно часто применяются технологические схемы одноконтурных ГеоЭС с одним, двумя и тремя давлениями сепарации, так называемые схемы SingleFlash, Double-Flash и Triple-Flash, соответственно. Так, ГеоЭС с двумя и тремя давлениями сепарации предполагают использование дополнительного вторичного пара, полученного в расширителе вследствие вскипания сепарата. Это позволяет увеличить использование тепла геотермального флюида по сравнению с ГеоЭС с одним давлением сепарации.

Геотермальные паротурбинные установки производят компании в Японии, США, Италии и России.

В табл. 1 представлены основные фирмы-производители современных паровых турбоустановок и оборудования для геотермальных электростанций. Конструкция геотермальных турбин обладает рядом особенностей, которые обусловлены использованием низкопотенциального геотермального насыщенного пара в качестве рабочей среды, отличающейся коррозионной агрессивностью и склонностью к образованию отложений.

К современным передовым технологиям повышения эффективности геотермальных турбин можно отнести:

• внутриканальную сепарацию влаги в проточной части турбины, включая периферийную сепарацию влаги, отвод влаги через щели в полых сопловых лопатках и ступень-сепаратор;
• системы периодической промывки проточной части и концевых уплотнений на работающей турбине;
• применение технологии управления физико-химическими свойствами геотермального теплоносителя присадками поверхностно-активных веществ;
• снижение потерь в турбинных решётках за счёт оптимизации геометрии сопловых и рабочих лопаток, включая использование высокоэффективных саблевидных лопаток.

Так, в конструкции геотермальной паровой турбины ОАО «КТЗ» мощностью 25 МВт для Мутновской ГеоЭС применены специальные устройства для сепарации влаги, позволяющие удалить до 80 % жидкой фазы в виде крупных капель и жидких плёнок из проточной части . Начиная с четвёртой турбинной ступени, в проточной части применена развитая система периферийной сепарации влаги. В седьмой и восьмой ступенях обоих потоков турбины используется внутриканальная сепарация влаги в сопловых решётках. Достаточно эффективным методом удаления влаги является применение специальной турбинной ступени-сепаратора, которая позволяет увеличить КПД турбина почти на 2 %.

Солесодержание пара, поступающего в проточную часть турбин ГеоЭС, зависит от минерализации исходного геотермального флюида и эффективности разделения фаз в сепарационных устройствах. Эффективность сепарационных устройств в значительной степени определяет степень заноса проточной части турбин солеотложениями, а также влияет на интенсивность каплеударной эрозии турбинных лопаток и коррозионного растрескивания металла элементов проточной части турбин.

В технологических схемах современных геотермальных электростанций применяются вертикальные и горизонтальные сепараторы. Вертикальные сепараторы используются в основном на ГеоЭС, построенных при участии новозеландских специалистов в Новой Зеландии, Филиппинах и др. странах. Горизонтальные сепараторы применяются в геотермальных энергоблоках в России, США, Японии и Исландии. Причём до 70 % ГеоЭС в мире работает с вертикальными сепараторами . Вертикальные сепараторы способны в среднем обеспечивать степень сухости пара на выходе до 99,9 %. При этом их эффективность существенно зависит от режимных параметров: расхода и давления влажного пара, влагосодержания пароводяной смеси (ПВС), уровня жидкости в сепараторе и др.

В России разработаны и эксплуатируются на энергоблоках ГеоЭС горизонтальные сепараторы, отличающиеся высокой эффективностью и малогабаритными характеристиками. Степень сухости пара на выходе из сепаратора достигает 99,99 %. В основу этих разработок легли исследования и технологии предприятий, производящих оборудование для АЭС, судостроения и других отраслей . Такие сепараторы установлены и успешно работают в модульных энергоблоках ВерхнеМутновской ГеоЭС и на первой очереди Мутновской ГеоЭС (рис. 3).

Преимущество бинарных установок, заключающееся прежде всего в возможности производить электроэнергию на основе низкотемпературного источника тепла, в значительной степени определило основные направления их применения. Особенно целесообразно использование бинарных установок для:

• энергообеспечения (также и автономного) регионов, обладающих низкотемпературными геотермальными ресурсами;
• повышения мощности действующих ГеоЭС, работающих на высокотемпературном геотермальном теплоносителе, без бурения дополнительных скважин;
• повышение эффективности использования геотермальных источников за счёт применения бинарных установок в технологических схемах вновь проектируемых комбинированных геотермальных электростанций.

Теплофизические, термодинамические и др. свойства органических низкокипящих веществ оказывают существенное влияние на вид и эффективность теплового цикла, технологические параметры, конструкцию и характеристики оборудования, режимы эксплуатации, надёжность и экологичность бинарных установок.

На практике применяются около 15-ти различных низкокипящих органических веществ и смесей в качестве рабочего тела бинарных установок. По факту в настоящее время геотермальные бинарные энергоблоки в основном работают на углеводородах — около 82,7 % от суммарной установленной мощности бинарных энергоблоков в мире, фторуглеродах — 6,7 %, хлорфторуглеродах — 2,0 %, водно-аммиачной смеси — 0,5 %, отсутствуют данные по рабочему телу для 8,2 % .

Геотермальные электростанции с комбинированным бинарным циклом отличаются тем, что геотермальный флюид первого контура не только является источником тепла для второго контура, но и непосредственно используется для преобразования теплоты в механическую работу в паровой турбине.

Паровая фаза геотермального двухфазного теплоносителя используется непосредственно для выработки электрической энергии путём расширения в паровой турбине с противодавлением, а теплоту конденсации геотермального пара (а также сепарата) направляют во второй низкотемпературный контур, в котором для выработки электроэнергии используется органическое рабочее тело. Применение подобной комбинированной схемы ГеоЭС особенно целесообразно в случаях, когда исходный геотермальный флюид содержит большое количество неконденсирующихся газов, поскольку затраты энергии на удаление их из конденсатора могут быть значительными.

Результаты термодинамических расчётов показывают, что при всех равных исходных условиях использование бинарного энергоблока в геотермальных электростанциях комбинированного цикла может увеличить мощность ГеоЭС типа Single-Flash на 15 %, а ГеоЭС DoubleFlash — на 5 %. В настоящее время бинарные установки производятся на заводах в США, Германии, Италии, Швеции, России и др. странах. Сведения о некоторых технических характеристиках бинарных установок, выпускаемых различными производителями, представлены в табл. 2.

На рис. 4 представлены данные о стоимости установленной мощности в 1 кВт при сооружении различных ГеоЭС с турбоустановками на геотермальном паре и низкокипящем органическом рабочем теле, свидетельствующие о зависимости стоимости ГеоЭС от применяемого цикла и температуры геотермального геофлюида.

Наиболее перспективными российскими геотермальными энергетическими проектами являются расширение Мутновской ГеоЭС (50 МВт) и Верхне-Мутновской ГеоЭС (12 МВт) комбинированными (с бинарным циклом) энергоблоками мощностью 10 и 6,5 МВт, соответственно, за счёт утилизации тепла их сбросного теплоносителя без бурения дополнительных скважин, а также строительство второй очереди Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт.

Выводы

1. В мировой геотермальной энергетике применяются технологические схемы с ГеоЭС прямого, бинарного и комбинированного циклов — в зависимости от фазового состояния и температуры геотермального теплоносителя.
2. Основной прирост в суммарной установленной мощности ГеоЭС в мире в последние годы осуществляется за счёт развития бинарных геотермальных энерготехнологий.
3. Удельная стоимость установленной мощности геотермальных энергоблоков существенно зависит от температуры геотермального теплоносителя и с её увеличением резко снижается.