Геотермальные электростанции [1, С. 96–98], [2, С. 504–506]
Одним из перспективных направлений использования геотермальной энергии является строительство геотермальных электростанций (ГеоТЭС) на базе самоизливающихся источников.
Преимущества ГеоТЭС по сравнению с объектами традиционной энергетики:
– отсутствие котельного оборудования;
– отсутствие затрат на топливо;
– возможность использования энергоносителя низкого давления;
– простота управления;
– постоянная выходная мощность в течение года, а следовательно, высокий коэффициент использования ГеоТЭС (в отличие от других возобновляемых источников).
На рис. 6.1 приведена схема ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором смешивающего типа.
| Рис. 6.1. Схема ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором смешивающего типа |
Сухой пар из скважин после отделения в сепараторе твердых включений направляется непосредственно в турбину (на схеме – ПТ), а оттуда – в конденсатор смешивающего типа (на схеме – СК). Конденсат охлаждается в градирне (на схеме – Г). Часть охлажденного конденсата используется для конденсации пара, вышедшего из турбины, а остальная часть закачивается обратно в пласт.
Схема ГеоТЭС на пароводяной смеси (рис. 6.2) используется в тех случаях, когда в геотермальной среде преобладает вода.
| Рис. 6.2. Схема ГеоТЭС на пароводяной смеси с одноступенчатым расширением |
Пароводяная смесь поступает в сепаратор (например, испаритель с мгновенным вскипанием), в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а жидкая фракция закачивается обратно в пласт.
В том случае, если термальные воды содержат минеральные примеси, которые, во-первых, могут вызвать быстрый износ рабочих лопаток турбины, а во-вторых, могут представлять коммерческий интерес, указанная схема может быть несколько изменена. В качестве сепаратора в таких схемах может использоваться испаритель с мгновенным вскипанием. В таком испарителе минерализованную воду нагнетают в камеры с пониженным давлением. Часть воды превращается в пар, а минеральные вещества остаются в концентрированном рассоле. Этот рассол в дальнейшем подвергают выпариванию и получают минеральные вещества в количестве, пригодном для продажи, а также пресную воду.
На рис. 6.3 приведена схема ГеоТЭС с бинарным циклом.
| Рис. 6.2. Схема ГеоТЭС с бинарным циклом: ПГ – парогенератор; ПТ – паровая турбина; ПК – поверхностный конденсатор |
Она представляет собой двухконтурный цикл. Геотермальная среда (горячая вода) подается на поверхность посредством погружного насоса. При этом поддерживается давление выше давления насыщения этой среды, чтобы не происходило испарения и выделения растворенных в жидкости газов. Геотермальная среда, проходя через промежуточный теплообменник (на схеме – ПГ), передает теплоту другому рабочему телу, вызывая его нагрев, испарение и перегрев. Таким образом, в турбину (на схеме – ПТ) для совершения механической работы, которая затем затрачивается на генерацию электроэнергии, направляется чистое и неагрессивное рабочее тело. Охлажденная геотермальная вода, содержащая все растворенные соли и газы, закачивается в соседнюю скважину, и, в дальнейшем, циркулирует в непрерывном цикле.
Преимущества двухконтурного цикла:
– более полно используется теплота рассола (минерализованной пароводяной смеси), который закачивается в пласт с меньшей температурой;
– возможно использование геотермальных сред с пониженной температурой;
– исключено попадание агрессивных компонентов геотермальной среды в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;
– исключено попадание сопутствующих вредных газов в окружающую среду.
Недостатки двухконтурного цикла:
– необходимость установки погружных насосов для поддавливания геотермальной среды и обеспечения ее однофазности в промежуточном теплообменнике (из-за большой агрессивности среды, в которой находятся погружные насосы, продолжительность их работы невелика).
Так как цикл Ренкина на водяном паре является весьма неэффективным при низких температурах пара, в качестве рабочего тела второго контура бинарного цикла могут быть успешно использованы низкокипящие вещества, например, изобутан или фреоны. Изобутан является выгодным энергоносителем при температуре геотермальной воды около 160 °С. Пары изобутана, расширяясь, приводят во вращение ротор турбины, который, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе с водяным охлаждением, откуда жидкий изобутан откачивается и подается затем в подогреватель и испаритель для повторения цикла.
Низкокипящие рабочие тела имеют при одной и той же температуре более высокую плотность паров по сравнению с водяным паром, поэтому они обеспечивают получение одинаковой мощности при меньших габаритах турбины. Таким образом, изобутановая турбина имеет намного меньшие габариты и стоимость по сравнению с паровой.
Вопросы для самопроверки
1. Перечислите преимущества ГеоТЭС по сравнению с объектами традиционной энергетики
2. Опишите схему ГеоТЭС на сухом паре смешивающего типа и ее работу
3. Опишите схему ГеоТЭС на пароводяной смеси и ее работу
4. Опишите схему ГеоТЭС с бинарным циклом и ее работу
5. Преимущества двухконтурного цикла по сравнению с другими схемами ГеоТЭС
6. Недостатки двухконтурного цикла по сравнению с другими схемами ГеоТЭС
7. Обоснуйте актуальность использования низкокипящих жидкостей в схемах ГеоТЭС с бинарным циклом
Литература
1. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).
3. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2015. – 382 с. + CD. – (Высшее образование).