Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Подождите немного. Документ загружается.

171

Рис. 8.10. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения

с применением теплового насоса:

1 – скважина; 2 – испаритель; 3 – компрессор; 4 – конденсатор;

5 – регулирующий вентиль

Горячая вода из скважин 1 подается к испарителю теплового насо-

са 2, где происходит передача ее тепла быстро испаряющемуся рабоче-

му веществу. Образующиеся пары сжимаются компрессором 3 и на-

правляются в конденсатор 4, где конденсируются при более высоком

давлении, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления.

Охлажденная вода сбрасывается в канализацию. Эффективность схемы

повышается

при работе теплового насоса летом в режиме холодильной

машины. В целях более полного срабатывания тепла термальной воды

была предложена более сложная модификация этой схемы с тепловыми

насосами.

г) совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева

(рис. 8.11).

Схема г – комплексная система теплоснабжения с трансформаци-

ей тепла сбросной воды в сочетании с пиковым ее подогревом и качест-

венным регулированием (рис. 8.11).

Вода из источника 1, пройдя очистку 2, перекачивается насосной

станцией 3 в количестве

по однотрубному теплопроводу 4 и посту-

пает к потребителям с температурой

. Один поток воды

догревает-

ся в пиковой котельной 5 до температуры

и поступает в смеситель 7,

где к нему подмешивается отработанная вода, предварительно подогре-

тая в конденсаторах теплового насоса 8 до температуры

172

Рис. 8.11. Схема комплексного геотермального теплоснабжения

с применением пикового догрева и тепловых насосов:

1 – скважина; 2 – водоочистка; 3 – насосная станция;

4 – транзитный теплопровод; 5 – пиковый догреватель; 6 – система отопления;

7 и 12 – смесители; 8 – конденсаторы; 9 – испарители;

10 – система горячего водоснабжения; 11 – бак-аккумулятор

Отработанная вода с температурой

после системы отопления 6

разветвляется на три потока. Одна часть

поступает в конденсаторы

теплового насоса 8 и смеситель 7. Вторая часть ее направляется в испа-

рители теплового насоса 9, где она охлаждается до температуры

сбрасывается. Третья часть направляется в смеситель 12, из которого

вода с температурой

в количестве

поступает в бак-аккумулятор

11 и систему горячего водоснабжения 10.

Второй поток воды источника

через вентиль

поступает в

смеситель 12 и сеть горячего водоснабжения. Если температура геотер-

мальной воды ниже температуры

, то вода догревается до

в котель-

ной 5 и через вентиль

поступает в систему горячего водоснабжения в

количестве

С целью повышения отопительного коэффициента и обеспечения

более гибкого регулирования теплонасосные агрегаты включаются в

систему теплоснабжения по последовательно-противоточной схеме так,

173

чтобы нагрев воды в конденсаторе 8 и охлаждение сбрасываемой воды в

испарителях 9 осуществлялось в несколько ступеней.

С изменением температуры наружного воздуха качественное ре-

гулирование осуществляется пиковой котельной, тогда как теплопроиз-

водительность теплового насоса и потребление воды из скважин оста-

ются неизменными. После отключения пиковой котельной качественное

регулирование осуществляется тепловым насосом. Это обеспечивает

равномерный годовой график потребления воды из скважин.

В этой системе доля использования тепла геотермальной воды тем

больше, чем ниже расчетная температура в системах отопления. Поэто-

му здесь целесообразно применение конвекторной или панельной сис-

тем отопления, где расчетная температура 40…45 °С.

Сравнение этой системы с бессливной показывает, что удельный

расход геотермальной воды

в схеме с термотрансформаторами почти в

два раза превышает таковой в бессливной системе, между тем коэффи-

циент эффективности оказывается больше. Суммарная доля топливоис-

пользующих установок в годовом тепловом балансе минимальна. Это

обстоятельство создает предпосылки для применения данной схемы в

районах, где затраты на перевозку топлива могут превысить затраты на

бурение большого

числа скважин.

8.3.1.3. Двухконтурные системы геотермального

теплоснабжения

В Энергетическом научно-исследовательскиом институт им.

Г.М. Кржижановского (ЭНИН) имеется положительный опыт создания

двухконтурной системы геотермального теплоснабжения с использова-

нием фенолсодержащей минерализованной термальной воды с темпера-

турой 80 °C.

Применялся пластинчатый теплообменник с пластинами из угле-

родистой стали, защищенными от воздействия агрессивной термальной

воды полимерным покрытием, разработанным в ЭНИНе.

Система геотермального теплоснабжения

создана в г. Кизляр (Да-

гестан) в 1988 г. для отопления и горячего водоснабжения поселка из

15-ти тридцатиквартирных жилых домов, промышленных и коммуналь-

ных объектов. Суммарная тепловая нагрузка составляет 7500 ккал/ч на

отопление и 4500 ккал/ч на горячее водоснабжение.

В настоящее время продолжаются работы по улучшению тепло-

технических характеристик теплообменников и

, в частности, по приме-

174

нению композитных составов полимерного покрытия с повышенной те-

плопроводностью.

РАО «ЕЭС России» считает целесообразным участие в глобаль-

ном стратегическом проекте «Промышленная политика и передача тех-

нологий», а также в региональном стратегическом проекте «Использо-

вание геотермальных ресурсов». Необходимо наладить тесные контакты

и широкое сотрудничество со странами, лидирующими в геотермальной

энергетике и производстве

оборудования, а также со странами, обла-

дающими значительными запасами геотермального тепла (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Двухконтурные ГеоТЭС на низкокипящих рабочих телах

Название, страна

Общая

мощность,

МВт

Число

блоков

Год ввода

в эксплуата-

цию

Изготовитель

оборудования

«Паратунская», СССР 0,68 1 1967 ИТФ СОАН

«Нигорикава», Япония 1 1 1978 Тосиба

«Отаке», Япония 1 1 1978 Мицубиси

«Мак Кейб», США 13,4 1 1979 Магма

«Вабуска», США 1,8 2 1984 Ормат

«Сульфурдейл», США 2,6 4 1985 Ормат

«Маммот-1», США 12 2 1985 Бен Холт

«Ормеса-1», США 30 26 1986 Ормат

«Стимбоут-1», США 9,4 9 1986 Ормат

«Ормеса-2», США 20 20 1987 Ормат

«Сода Лейк-1», США 3,6 3 1987 Ормат

«Ормеса-1Е», США 12,8 10 1988 Ормат

«Ормеса-1Н», США 13,2 12 1989 Ормат

«Стиллвотер», США 15,3 14 1989 Ормат

«Сварценги-1», Исландия 3,9 3 1989 Ормат

«Эгат», Таиланд 0,3 1 1989 Ормат

«Маммот-2», США 12 2 1990 Бен Холт

«ПЛЕС-1», США 15 3 1990 Бен Холт

«Сода Лейк-2», США 12 6 1991 Ормат

«Травале-21», Италия 0,7 1 1991 Ормат

«Пуна Гавайи», США 30 10 1992 Ормат

«Сварценги-2», Исландия 3,9 3 1992 Ормат

«Кастельнуово», Италия 1,3 1 1992 Турбоден

«Секонд Империал», США 40 12 1993 Ормат

175

8.3.1.4. Геотермальные установки со струйными насосами

Геотермальные установки с использованием пароводяной смеси,

поступающей непосредственно из геотермальной скважины, или пара

после сепараторов ГеоТЭС и струйных насосов-инжекторов предназна-

чены для горячего водо- и теплоснабжения и для реинжекции сливных

вод в пласт через скважины закачки. Они могут существенно

(в 2…3 раза) снижать минерализацию

солей в воде благодаря смешению

с холодной и слабоминерализованной водой из поверхностных источ-

ников.

Струйный насос (инжектор-конденсатор) работает как насос, под-

нимающий воду из источника и подающий ее потребителю; он нагрева-

ет ее и может менять ее минерализацию. В камере смешения струйного

аппарата, являющейся эффективным теплообменником смешивающего

типа, происходит ее

интенсивный нагрев. Струйный насос содержит па-

ровое и жидкостное сопла, камеру смешения и диффузор. Он не требует

ухода, достаточно дешев и несложен в изготовлении и обслуживании.

В нем отсутствуют трущиеся и вращающиеся детали, что гарантирует

длительный срок службы.

Струйный насос работает следующим образом. После расширения

в паровом сопле пароводяная смесь

с весьма низким начальным массо-

вом паросодержанием с достаточно высокой скоростью смешивается с

подаваемой в камеру смешения холодной жидкостью. В результате

смешения и конденсации пара давление в камере смешения образуется

достаточно низкое (вакуум), что позволяет засасывать воду из источни-

ка, в том числе и достаточно нагретую, и с примесями. Это позволяет

использовать такой насос для перекачки горячих минерализованных

вод. Благодаря окончанию конденсации паровой фазы в диффузоре и

резкой перестройке структуры течения после диффузора происходит

значительное повышение давления (до 4…5 раз в данном случае) по

сравнению с его значениями на входе в аппарат.

Отличительной особенностью струйного насоса-инжектора явля-

ются его характеристики, позволяющие

эффективно работать в доста-

точно широком диапазоне изменения режимных и геометрических па-

раметров. Он работает с различными расходами жидкости и смеси и

различным массовым паросодержанием на входе. Для регулирования

выходных параметров может использоваться сменный набор горловин

диффузора.

Основным отличием струйных насосов в геотермальных установ-

ках является то, что для перекачки горячей

воды используется вторая

ступень инжектора или отверстия во второй половине его камеры сме-

176

шения (их обычно используют вначале для запуска). При таком исполь-

зовании струйные насосы заменяют дорогостоящие и громоздкие цен-

тробежно-вихревые насосы с электроприводом для работы на горячих

минерализованных водах.

В ЭНИНе были созданы и успешно использовались на Паужет-

ском геотермальном месторождении на Камчатке различные по конст-

рукции струйные насосы, перекачивающие или

поднимающие из источ-

ника от 1 до 60 т/ч холодной и примерно вдвое меньше горячей минера-

лизованной воды. Общая производительность всех одновременно рабо-

тающих насосов составила 120 т/ч. Насосы на Камчатке получали паро-

водяную смесь из бросовых скважин, уже не подающих смесь в сепара-

торы Паужетской геотермальной электростанции.

В рассматриваемых геотермальных

установках (табл. 8.3) тепло-

вая энергия пароводяной смеси из скважин после ее преобразования в

струйном насосе в механическую энергию используется для подъема из

источников холодной и горячей жидкости, для ее нагнетания-подачи

потребителю или для повторной закачки в пласт.

Таблица 8.3

Основные характеристики геотермальных установок со струйными

насосами на Камчатке

Габариты инжекторов, м

•

длина

•

диаметр

1,5…3,5

0,3

Масса инжекторов, кг

150…350

Производительность, т/ч 20…60

Массовое паросодержание смеси после геотермальной скважины

0,03…0,3

Давление:

•

смеси до струйного насоса, МПа

•

жидкости на входе в первую и вторую ступень струйного насоса-

инжектора, МПа

•

в его камере смешения, кПа

•

после струйного насоса, МПа

0,1…0,25

0,05…0,25

10…20

0,25…0,8

Температура жидкости, оС:

•

начальная на входе в первую ступень

•

на входе во вторую ступень

•

на выходе из струйного насоса

10…25

10…95

40…95

Геотермальные установки со струйными насосами могут подавать

горячие рассолы на предприятия для извлечения из них ценного сырья.

Они устраняют загрязнение (тепловое и солевое) окружающей среды,

характеризуются простотой, надежностью, низкой стоимостью и малым

177

весом основного элемента – струйного насоса и повышенной эффектив-

ностью.

8.3.2. Использование геотермального тепла для выработки

электроэнергии

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.

Выбор теплообменников и турбин для обычных геотермальных

источников – достаточно сложная задача, требующая специальных зна-

ний и опыта. Несколько вариантов возможных принципиальных схем

ГеоЭС приведено на рис. 8.12.

На рисунке 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.

Рис. 8.12. Примеры организации цикла для производства электроэнергии:

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

178

Высокопотенциальные месторождения позволяют использовать

практически традиционные конструкции тепловых электростанций с

паровыми турбинами.

Наличие в подземном паре кислот разрушает оборудование. По-

этому в крупных установках природный пар не подводится прямо к

турбине, а служит для испарения воды. Полученный в испарителе водя-

ной пар не содержит кислот, и его можно безопасно использовать в

тур-

бине. Естественный же подземный пар конденсируется в испарителе, и

из конденсата извлекают борную кислоту.

Основные характеристики ГеоЭС приведены в табл. 8.4.

Преобразование низко- и среднепотенциального тепла термальных

вод в электрическую энергию связано с необходимостью применения

специальных конструкций ГеоЭС, где вместо воды применяются другие

рабочие жидкости (фреон, толуол и др.).

Таблица 8.4

Технические характеристики геотермальных электростанций

Характе-

ристики

ГеоЭС малой мощности ГеоЭС средней мощности

Мощность,

МВт

0,5 1,7 2,5 4 6 12 20 23

Расход па-

ра, т/ч

10 38 44 32 75 90 147 170

На рис. 8.13 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.

179

Рис. 8.13. 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 рис. 8.14.

Рис. 8.14. 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

180

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 по-

верхностного воздушного охладителя. Часть бутана из конденсатора

питательным

наносом 9 подается в подогреватель 10, а затем в испари-

тель 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.

Ввиду больших давлений и малых объемов пара в испарителе и

конденсаторе турбина получается очень компактной. Для всех низкоки-

пящих веществ и для очень больших мощностей она будет состоять из

одного рабочего колеса. Данная электростанция также может быть пол-

ностью автоматизирована, и вся установка будет работать без обслужи

вающего персонала.

Россия располагает большими потенциальными запасами геотер-

мальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энер-

гетических термальных вод с температурой 60…200 °C в платформен-

ных и предгорных районах. До последнего времени из-за дешевизны ор-

ганического топлива использование этих запасов было незначительным

(Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт на Камчатке, системы геотер

мального теплоснабжения на Северном Кавказе и Камчатке с годовой

экономией топлива около 1 млн т усл. топл). По мере приближения цен

на топливо к мировым рентабельность геотермальной энергетики по-

вышается и для указанных районов появляется возможность строитель-

ства коммерческих ГеоТЭС.

8.3.2.1. ГеоТЭС на парогидротермах

Геотермальные станции в вулканических районах базируются на

месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных под-

земных трещинных коллекторов с глубины 0,5…3 км. Пароводяная

смесь в среднем имеет степень сухости 0,2…0,5 и энтальпию

1500…2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обес-