Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции. Геотермальная энергетика: технологии и оборудование. Геотермальные электростанции - способы использования геотермальной энергии

Геотермальная энергетика

Анотация.

Введение.

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой геотермальными элетростанциями.

Список литературы.

Анотация.

В данной работе приведена история развития геотермальной энергетики, как во всём мире, так и в нашей странеРоссии. Выполнен анализ использования глубинного тепла Земли, для преобразования его в электрическую энергию, а также для обеспечения городов и посёлков теплом и горячим водоснабжением в таких регионах нашей страны, как на Камчатке, Сахалине, Северном Кавказе. Сделано экономическое обоснование разработки геотермальных месторождений, строительство электростанций и сроки их окупаемости. Сравнивая энергии геотермальных источников с другими видами источников электроэнергии получаем перспективность развития геотермальной энергетики, которая должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для рест-руктуризации и перевооружения энергетики Камчатской области и Курильских островов, частично Приморья и Северного Кавка-за следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

Введение.

Основными направлениями развития генерирующих мощностей в энергетике страны на ближайшую перспективу является техническое перевооружение и реконструкция электростанций, а также ввод новых генерирующих мощностей. Прежде всегоэто строительство парогазовых установок с КПД 5560% , что позволит повысить эффективность существующих ТЭС на 2540%. Следующим этапом должно стать сооружение тепловых электростанций с использованием новых технологий сжигания твёрдого топлива и со сверхкритическими параметрами пара для достижения КПД ТЭС, равного 46-48%. Дальнейшее развитие получат и атомные электростанции с реакторами новых типов на тепловых и быстрых нейтронах.

Важное место в формировании энергетики России занимает сектор теплоснабжения страны, который является самым большим по объёму потребляемых энергоресурсов более 45% их общего потребления. В системах централизованного теплоснабжения (ЦТ) производится более 71%, а децентрализованными источниками около 29% всего тепла. Электростанциями отпускается более 34% всего тепла, котельными примерно 50%. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020г. планируется рост теплопотребления в стране не менее чем в 1,3 раза, причём доля децентрализованного теплоснабжения будет возрастать с 28,6% в 2000г. до 33% в 2020г.

Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдалённые районы России и соответственно объективный рост отпускных цен на электрическую и тепловую энергию принципиально изменяют отношение к использованию НВИЭ: геотермальной, ветровой, солнечной.

Так, развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах страны позволяет уже сегодня решать проблему электро и теплоснабжения, в частности на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе, в отдельных районах Сибири и европейской части России.

В числе основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширения использования местных нетрадиционных возобновляемых источников энергии и в первую очередь геотермального тепла земли. Уже в ближайшие 7-10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения благодаря термальному теплу можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива.

В последнее десятилетие использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) переживает в мире настоящий бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Данное направление развивается наиболее интенсивно по сравнению с другими направлениями энергетики. Причин этого явления несколько. Прежде всего, очевидно, что эпоха дешевых традиционных энергоносителей бесповоротно закончилась. В этой области имеется только одна тенденция - рост цен на все их виды. Не менее значимо стремление многих стран, лишенных своей топливной базы к энергетической независимости Существенную роль играют экологические соображения, в том числе по выбросу вредных газов. Активную моральную поддержку применению НВИЭ оказывает население развитых стран.

По этим причинам развитие НВИЭ во многих государствах приоритетная задача технической политики в области энергетики. В ряде стран эта политика реализуется через принятую законодательную и нормативную базу, в которой установлены правовые, экономические и организационные основы использования НВИЭ. В частности, экономические основы состоят в различных мерах поддержки НВИЭ на стадии освоения ими энергетического рынка (налоговые и кредитные льготы, прямые дотации и др.)

В России практическое применение НВИЭ существенно отстает от ведущих стран. Отсутствует какая-либо законодательная и нормативная база, равно как и государственная экономическая поддержка. Всё это крайне затрудняет практическую деятельность в этой сфере. Основная причина тормозящих факторов затянувшееся экономическое неблагополучие в стране и, как следствие трудности с инвестициями, низкий платежеспособный спрос, отсутствие средств на необходимые разработки. Тем не менее, некоторые работы и практические меры по использованию НВИЭ в нашей стране проводятся (геотермальная энергетика). Парогидротермальные месторождения в России имеются только на Камчатке и Курильских островах. Поэтому геотермальная энергетика не может и в перспективе занять значимое место в энергетике страны в целом. Однако она способна радикально и на наиболее экономической основе решить проблему энергоснабжения указанных районов, которые пользуются дорогим привозным топливом(мазут, уголь, дизельное топливо) и находятся на грани энергетического кризиса. Потенциал парогидротермальных месторождений на Камчатке способен обеспечить по разным источникам от 1000 до 2000 Мвт установленной электрической мощности, что значительно превышает потребности этого региона на обозримую перспективу. Таким образом, существуют реальные перспективы развития здесь геотермальной энергетики.

История развития геотермальной энергетики.

Наряду с огромными ресурсами органического топлива Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть преумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500м в основном в зонах разломов земной коры.

Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 200°С.

Ещё в 1983г. во ВСЕГИНГЕО был составлен атлас ресурсов термальных вод СССР. В нашей стране разведано 47 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240·10³м³/сут. Сегодня в России проблемами использования тепла земли занимаются специалисты почти 50 научных организаций.

Для использования геотермальных ресурсов пробурено более 3000 скважин. Стоимость исследований геотермии и буровых работ, уже выполненных в этой области, в современных ценах составляет более 4млрд. долларов. Так на Камчатке на геотермальных полях уже пробурено 365 скважин глубиной от225до2266м и израсходовано (ещё в советское время) около 300млн. долларов (в современных ценах).

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904г. Первая геотермальная электростанция на Камчатке, да и первая в СССР Паужетская ГеоТЭС была введена в работу в 1967г. и имела мощность 5мВт, увеличенную впоследствии до 11 мВт. Новый импульс развитию геотермальной энергетике на Камчатке был придан в 90-е годы с появлением организаций и фирм (АО «Геотерм», АО «Интергеотерм», АО «Наука»), которые в кооперации с промышленностью (прежде всего с Калужским турбинным заводом) разработали новые прогрессивные схемы, технологии и виды оборудования по преобразованию геотермальной энергии в электрическую и добились кредитования от Европейского банка реконструкции и развития. В результате в 1999г. на Камчатке была введена Верхне-Мутновская ГеоТЭС (три модуля по 4мВт.). Вводится первый блок 25мВт. первой очереди Мутновской ГеоТЭС суммарной мощностью 50мВт.

Вторая очередь мощностью 100МВт может быть введена в2004г

Таким образом, ближайшие и вполне реальные перспективы геотермальной энергетики на Камчатке определились, что является положительным несомненным примером использования НВИЭ в России, несмотря на имеющиеся в стране серьезные экономические трудности. Потенциал парогидротермальных месторождений на Камчатке способен обеспечить 1000МВт установленной электрической мощности, что значительно перекрывает потребности этого региона на обозримую перспективу.

По данным Института вулканологии ДВО РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электричеством и теплом более чем на 100 лет. Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением мощностью 300МВт (э) на юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше Банном, а на севере на Киреунском месторождениях. Запасы тепла геотермальных вод на Камчатке оцениваются в 5000МВт (т).

На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью), часть из них уже от-крыта и может активно использоваться для близлежащих городов и посёлков.

Курильские острова также богаты запасами тепла земли, их вполне достаточно для тепло и электрообеспечения этой территории в течение 100200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого (30МВт(э)) достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова в ближайшие 100 лет. Здесь на Океанском геотермальном месторождении уже пробурены скважины и строится ГеоЭС. На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 95° С, здесь также строится ГеоТС мощностью 20 МВт (т).

Гораздо большее распространение имеют месторождения термальных вод с температурой 100-200°С. При такой температуре целесообразно использование низкокипящих рабочих тел в паротурбинном цикле. Применение двухконтурных ГеоТЭС на термальной воде возможно в ряде районов России, прежде всего на Северном Кавказе. Здесь хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180° С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В Дагестане в год добывается более 6 млн. м. геотермальной воды. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел, используют геотермальное водоснабжение.

Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности и сельском хозяйстве.

Преобразование геотермальной энергии в электрическую и тепловую.

Одно из перспективных направлений использования тепла высокоминерализованных подземных термальных вод преобразование его в электрическую энергию. С этой целью была разработана технологическая схема для строительства ГеоТЭС, состоящая из геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и паротурбинной установки (ПТУ), схема которой приведена на рис.1. Отличительной особенностью такой технологической схемы от известных является то, что в ней роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник, расположенный в верхней части нагнетательной скважины, куда по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода, которая после передачи тепла вторичному теплоносителю закачивается обратно в пласт. Вторичный теплоноситель из конденсатора паротурбинной установки самотёком поступает в зону нагрева по трубе, спущенной внутри теплообменника до днища.

В основе работы ПТУ лежит цикл Ренкина; t,s диаграмма этого цикла и характер изменения температур теплоносителей в теплообменнике испарителе.

Наиболее важным моментом при строительстве ГеоТЭС является выбор рабочего тела во вторичном контуре. Рабочее тело, выбираемое для геотермальной установки, должно обладать благоприятными химическими, физическими и эксплуатационными свойствами при заданных условиях работы, т.е. быть стабильным, негорючим, взрывобезопасным, нетоксичным, инертным по отношению к конструкционным материалам и дешёвым. Желательно выбирать рабочее тело с более низким коэффициентом динамической вязкости (меньше гидравлические потери) и с более высоким коэффициентом теплопроводности (улучшается теплообмен).

Все эти требования одновременно выполнить практически невозможно, поэтому всегда приходится оптимизировать выбор того или иного рабочего тела.

Невысокие начальные параметры рабочих тел геотермальных энергетических установок приводят к поиску низкокипящих рабочих тел с отрицательной кривизной правой пограничной кривой в t, s диаграмме, поскольку использование воды и водяного пара приводит в этом случае к ухудшению термодинамических показателей и к резкому увеличению габаритов паротурбинных установок, что существенно повышает их стоимость.

В качестве сверхкритического агента вторичного контура бинарных энергетических циклов предложено применять смесь изобутан + изопентан в сверхкритическом состоянии. Использование сверхкритических смесей удобно тем, что критические свойства, т.е. критическая температура tк(x), критическое давление pк(x) и критическая плотность qк (x) зависят от состава смеси x. Это позволит путём подбора состава смеси выбрать сверхкритический агент с наиболее благоприятными критическими параметрами для соответствующей температуры термальной воды конкретного геотермального месторождения.

В качестве вторичного теплоносителя используется легкокипящий углеводородизобутан, термодинамические параметры которого соответствуют требуемым условиям. Критические параметры изобутана:tк = 134,69°C; pк = 3,629МПа; qк =225,5кг/м³. Кроме того, выбор изобутана в качестве вторичного теплоносителя обусловлен его относительно невысокой стоимостью и экологической безвредностью (в отличие от фреонов). Изобутан в качестве рабочего тела нашёл широкое распространение за рубежом, а также предлагается использовать его в сверхкритическом состоянии в бинарных геотермальных энергетических циклах.

Энергетические характеристики установки рассчитаны для большого диапазона температур добываемой воды и различных режимов её работы. При этом во всех случаях принималось, что температура конденсации изобутана tкон =30°C.

Возникает вопрос о выборе наименьшего температурного напораêtрис.2. C одной стороны, уменьшение êt приводит к увеличению поверхности теплообменника испарителя, что может быть экономически не оправдано. С другой стороны, увеличение êt при заданной температуре термальной воды tт приводит к необходимости понизить температуру испарения tз (а, следовательно, и давление), что отрицательно скажется на КПД цикла. В большинстве практических случаев рекомендуется принимать êt = 10÷25ºС.

Полученные результаты показывают, что существуют оптимальные параметры работы паросиловой установки, которые зависят от температуры воды, поступающей в первичный контур парогенератора теплообменника. С увеличением температуры испарения изобутана tз возрастает мощность N вырабатываемая турбиной на 1кг/с расхода вторичного теплоносителя. При этом по мере увеличения tз уменьшается количество испаряемого изобутана на 1кг/с расхода термальной воды.

С повышением температуры термальной воды увеличивается и оптимальная температура испарения.

На рис.3 представлены графики зависимости мощности N, вырабатываемой турбиной, от температуры испарения tз вторичного теплоносителя при различных температурах термальной воды.

Для высокотемпературной воды (tт = 180ºС) рассмотрены сверхкритические циклы, когда начальное давление пара pн= 3,8; 4,0; 4,2; и 5,0МПа. Из них наиболее эффективны с точки зрения получения максимальной мощности является сверхкритический цикл, приближенный к так называемому «треугольному» циклу с начальным давлением pн= 5,0Мпа. При этом цикле вследствие минимальной разности температур между теплоносителем и рабочим телом температурный потенциал термальной воды используется наиболее полно. Сравнение этого цикла с докритическим (pн=3,4Мпа) показывает,что мощность, вырабатываемая турбиной при сверхкритическом цикле, увеличивается на 11%, плотность потока вещества, поступающего на турбину, в 1,7 раза выше, чем в цикле с pн= 3,4Мпа, что приведёт к улучшению транспортных свойств теплоносителя и уменьшению размеров оборудования (подводящих трубопроводов и турбины) паротурбинной установки. Кроме того, в цикле с pн= 5,0Мпа температура отработанной термальной воды tн, нагнетаемой обратно в пласт, составляет 42ºС, тогда как в докритическом цикле с pн= 3,4 МПа температура tн= 55ºС.

В то же время повышение начального давления до 5,0 МПа в сверхкритическом цикле влияет на стоимость оборудования, в частности на стоимость турбины. Хотя с ростом давления размеры проточной части турбины уменьшаются, одновременно возрастает число ступеней турбины, требуется более развитое концевое уплотнение и, главное, увеличивается толщина стенок корпуса.

Для создания сверхкритического цикла в технологической схеме ГеоТЭС необходима установка насоса на трубопроводе, связывающем конденсатор с теплообменником.

Однако такие факторы, как увеличение мощности, уменьшение размеров подводящих трубопроводов и турбины и более полное срабатывание температурного потенциала термальной воды, говорят в пользу сверхкритического цикла.

В дальнейшем следует искать теплоносители с более низкой критической температурой, что позволит создавать сверхкритические циклы при использовании термальных вод с более низкой температурой, так как тепловой потенциал подавляющего большинства разведанных месторождений на территории России не превышает 100÷120ºС. В этом отношении наиболее перспективным является R13B1(трифторбромметан) со следующими критическими параметрами: tк= 66,9ºС; pк= 3,946МПа; qк= 770кг/м³.

Результаты оценочных расчетов показывают, что применение в первичном контуре ГеоТЭС термальной воды с температурой tк= 120ºС и создание во вторичном контуре на хладоне R13B1 сверхкритического цикла с начальным давлением pн= 5,0МПа также позволяют увеличить мощность турбины до 14% по сравнению с докритическим циклом с начальным давлением pн= 3,5МПа.

Для успешной эксплуатации ГеоТЭС необходимо решать проблемы, связанные с возникновением коррозии и солеотложений, которые, как правило, усугубляются с увеличением минерализации термальной воды. Наиболее интенсивные солеотложения образуются из-за дегазации термальной воды и нарушения в результате этого углекислотного равновесия.

В предложенной технологической схеме первичный теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру: пласт - добычная скважина - наземный трубопровод - насос - нагнетательная скважина - пласт, где условия для дегазации воды сведены к минимуму. В то же время следует придерживаться таких термобарических условий в наземной части первичного контура, которые препятствуют дегазации и выпадению карбонатовых отложений (в зависимости от температуры и минерализации давление необходимо поддерживать на уровне 1,5МПа и выше).

Снижение температуры термальной воды приводит к выпаданию и некарбонатных солей, что было подтверждено исследованиями, проведенными на Каясулинском геотермальном полигоне. Часть выпадающих в осадок солей будет отлагаться на внутренней поверхности нагнетательной скважины, а основная масса выносится в призабойную зону. Отложение солей на забое нагнетательной скважины будет способствовать снижению приёмистости и постепенному уменьшению циркулярного дебита, вплоть до полной остановки ГЦС.

Для предотвращения коррозии и солеотложений в контуре ГЦС можно использовать эффективный реагент ОЭДФК (оксиэтили-дендифосфоновая кислота), обладающий длительным антикорро-ионным и антинакипным действием пассивации поверхности. Восстановление пассивирующего слоя ОЭДФК осуществляется путём периодического импульсного ввода раствора реагента в термальную воду у устья добычной скважины.

Для растворения солевого шлама, который будет скапливаться в призабойной зоне, а следовательно и для восстановления приёмистости нагнетательной скважины весьма эффективным реагентом является НМК (концентрат низкомолекулярных кислот), который также можно вводить периодически в циркулируемую термальную воду на участке до нагнетательного насоса.

Следовательно, из выше сказанного можно предложить, что одним из перспективных направлений освоения тепловой энергии земных недр является её преобразование в электрическую путём строительства двухконтурных ГеоТЭС на низкокипящих рабочих агентах. Эффективность такого преобразования зависит от многих факторов, в частности от выбора рабочего тела и параметров термодинамического цикла вторичного контура ГеоТЭС.

Результаты проведенного расчетного анализа циклов с использованием различных теплоносителей во вторичном контуре показывают, что наиболее оптимальными являются сверхкритические циклы, которые позволяют повысить мощность турбины и КПД цикла, улучшить транспортные свойства теплоносителя и более полно срабатывать температуру исходной термальной воды, циркулирующей в первичном контуре ГеоТЭС.

Установлено также, что для высокотемпературной термальной воды (180ºС и выше) наиболее перспективным является создание сверхкритических циклов во вторичном контуре ГеоТЭС с использованием изобутана, тогда как для вод с более низкой температурой (100÷120ºС и выше) при создании таких же циклов наиболее подходящим теплоносителем является хладон R13В1.

В зависимости от температуры добываемой термальной воды существует оптимальная температура испарения вторичного теплоносителя, соответствующая максимальной мощности, вырабатываемая турбиной.

В дальнейшем необходимо изучать сверхкритические смеси, использование которых в качестве рабочего агента для геотермальных энергетических циклов является наиболее удобным, так как путём подбора состава смеси можно легко менять их критические свойства в зависимости от внешних условий.

Другое направление использование геотермальной энергии геотермальное теплоснабжение, которое уже давно нашло применение на Камчатке и Северном Кавказе для обогрева теплиц, отопления и горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном секторе. Анализ мирового и отечественного опыта свидетельствует о перспективности геотермального теплоснабжения. В настоящее время в мире работают геотермальные системы теплоснабжения общей мощностью 17175 МВт, только в США эксплуатируется более 200 тысяч геотермальных установок. По планам Европейского союза мощность геотермальных систем теплоснабжения, включая тепловые насосы, должна возрасти с 1300 МВт в 1995г до 5000 МВт в 2010г.

В СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено--Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988г добывалось 60,8 млн. м³ геотермальной воды, сейчас в России её добывается до 30млн. м³ в год, что эквивалентно 150÷170 тыс. т. условного топлива. Вместе с тем технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минэнерго РФ, составляет 2950 млн. т. условного топлива.

За минувшие 10 лет в нашей стране распалась система разведки, разработки и эксплуатации геотермальных ресурсов. В СССР научно исследовательскими работами по данной проблеме занимались институты Академии наук, министерств геологии и газовой промышленности. Разведку, оценку и утверждение запасов месторождений выполняли институты и региональные подразделения министерства геологии. Бурение продуктивных скважин, обустройство месторождений, разработку технологий обратной закачки, очистки геотермальных вод, эксплуатацию геотермальных систем теплоснабжения осуществляли подразделения Министерства газовой промышленности. В его составе работало пять региональных эксплуатационных управлений, научно-производственное объединение «Союзгеотерм» (Махачкала), которым была разработана схема перспективного использования геотермальных вод СССР. Проектированием систем и оборудования геотермального теплоснабжения занимался Центральный научно-исследовательский и проектно-эксперементальный институт инженерного оборудования.

В настоящее время прекратились комплексные научно-исследовательские работы в области геотермии: от геолого-гидрогеологических исследований до проблем очистки геотермальных вод. Не ведётся разведочное бурение, обустройство ранее разведанных месторождений, не модернизируется оборудование существующих геотермальных систем теплоснабжения. Роль государственного управления в развитии геотермии ничтожна. Специалисты по геотермии разрознены, их опыт не востребован. Анализ существующего положения и перспектив развития в новых экономических условиях России выполним на примере Краснодарского края.

Для данного региона из всех НВИЭ наиболее перспективно использование геотермальных вод. На рис.4 представлены приоритеты использования НВИЭ для теплоснабжения объектов Краснодарского края.

В Краснодарском крае ежегодно добывается до 10 млн. м³/год геотермальной воды с температурой 70÷100º С, что замещает 40÷ 50 тыс. т. органического топлива (в пересчете на условное топли-во). Эксплуатируется 10 месторождений, на которых работает 37 скважин, в стадии освоения находятся 6 месторождений с 23 скважинами. Общее количество геотермальных скважин77. Геотермальными водами отапливается 32 га. теплиц, 11 тыс. квартир в восьми населённых пунктах, горячим водоснабжением обеспечивается 2 тыс. чел. Разведанные эксплуатационные запасы геотермальных вод края оцениваются в 77,7тыс. м³/сут, или при эксплуатации в течение отопительного сезона-11,7млн. м³ в сезон, прогнозные запасы соответственно 165тыс. м³/сут и 24,7млн. м³ в сезон.

Одно из наиболее разработанных Мостовское геотермальное месторождение в 240 км от Краснодара в предгорьях Кавказа, на котором пробурено 14 скважин глубиной 1650÷1850м с дебитами 1500÷3300 м³/сут, температурой в устье 67÷78º С, общей минерализацией 0,9÷1,9г/л. По химическому составу геотермальная вода почти соответствует нормам на питьевую воду. Основной потребитель геотермальной воды данного месторождения тепличный комбинат с площадью теплиц до 30 га, на котором ранее работало 8 скважин. В настоящее время здесь отапливается 40% площади теплиц.

Для теплоснабжения жилых и административных зданий пос. Мостовой в 80-е годы был построен геотермальный центральный тепловой пункт (ЦТП) расчётной тепловой мощностью 5МВт, схема которого приведена на рис.5. Геотермальная вода в ЦТП поступает от двух скважин с дебитом каждая 45÷70 м³/ч и температурой 70÷74ºС в два бака-аккумулятора вместимостью по 300м³. Для утилизации теплоты сбросной геотермальной воды установлено два парокомпрессорных тепловых насоса расчётной тепловой мощностью 500кВт. Отработанная в системах отопления геотермальная вода с температурой 30÷35ºС перед теплонасосной установкой (ТНУ) разделяется на два потока, один из которых охлаждается до 10ºС и сливается в водоём, а второй догревается до 50ºС и возвращается в баки-аккумуляторы. Теплонасосные установки были изготовлены московским заводом «Компрессор» на базе холодильных машин А-220-2-0.

Регулирование тепловой мощности геотермального отопления при отсутствии пикового догрева осуществляется двумя способами: пропусками теплоносителя и циклически. При последнем способе системы периодически заполняются геотермальным теплоносителем с одновременным сливом охлажденного. При суточном периоде отопления Z время натопа Zн определяется по формуле

Zн = 48j/(1 + j), где коэффициент отпускной теплоты; расчётная температура воздуха в помещении, °С; и фактическая и расчётная температура наружного воздуха, °С.

Вместимость баков-аккумуляторов геотермальных систем определяется из условия обеспечения нормируемой амплитуды колебаний температуры воздуха в отапливаемых жилых помещениях (±3°С) по формуле.

где kFтеплоотдача системы отопления, приходящаяся на 1°С температурного напора, Вт/°С; Z = Zн + Zппериод работы геотер-мального отопления; Zппродолжительность паузы, ч; Qp и Qpрасчётная и средняя за сезон тепловая мощность системы отопления здания, Вт; c·pобьёмная теплоёмкость геотермальной воды, Дж/(м³· ºС); nчисло включений геотермального отопления за сутки; k1коэффициент тепловых потерь в системе геотермального теплоснабжения; А1амплитуда колебаний температуры в отапливаемом здании, ºС; Рномсуммарный показатель теплопоглощения отапливаемых помещений; Vс и Vтс вместимость систем отопления и тепловых сетей, м³.

При работе тепловых насосов соотношение расходов геотермальной воды через испаритель Gи и конденсатор Gк определяется по формуле:

Где tk, to, tитемпература геотермальной воды после конденсатора, системы отопления здания и испарителей ТНУ, ºС.

Следует отметить низкую надежность применявшихся конструкций тепловых насосов, так как условия их работы существенно отличались от условий работы холодильных машин. Отношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров при работе в режиме тепловых насосов в 1,5÷2 раза превышает аналогичное отношение в холодильных машинах. Отказы шатуннопоршневой группы, маслохозяйства, автоматики привели к преждевременному выходу этих машин из строя.

В результате отсутствия контроля гидрологического режима эксплуатация Мостовского геотермального месторождения уже через 10 лет давление в устье скважин уменьшилось в 2 раза. С целью восстановления пластового давления месторождения в 1985г. было пробурено три нагнетательных скважины, построена насосная станция, однако их работа не дала положительного результата из-за низкой приёмистости пластов.

Для наиболее перспективного использования геотермальных ресурсов г. Усть-Лабинска с населением 50 тыс. человек, расположенного в 60 км от Краснодара, разработана система геотермального теплоснабжения расчётной тепловой мощностью 65 МВт. Из трёх водонасосных горизонтов выбраны эоцен-палеоценовые отложения глубиной залегания 2200÷2600м с пластовой температурой 97÷100ºС, минерализацией 17÷24г/л.

В результате анализа существующих и перспективных тепловых нагрузок в соответствии со схемой развития теплоснабжения города определена оптимальная, расчётная, тепловая мощность геотермальной системы теплоснабжения. Технико-экономическое сравнение четырёх вариантов (три из них без пиковых котельных с различным количеством скважин и один с догревом в котельной) показало, что минимальный срок окупаемости имеет схема с пиковой котельной рис.6.

Система геотермального теплоснабжения предусматривает строительство западного и центрального термоводозаборов с семью нагнетательными скважинами. Режим эксплуатации термоводозаборов с обратной закачкой охлажденного теплоносителя. Систе\ма теплоснабжения двухконтурная с пиковым догревом в котельной и зависимым присоединением существующих систем отопления зданий. Капитальные вложения в сооружение данной геотермальной системы составили 5,14млн. руб. (в ценах 1984г.), срок окупаемости4,5 года, расчётная экономия замещаемого топлива18,4 тыс. т. условного топлива в год.

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой геотермальными электростанциями.

Расходы на исследования и разработку (бурение) геотермальных полей составляют до 50% всей стоимости ГеоТЭС, и поэтому стоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГеоЭС, довольно значительна. Так, стоимость всей опытно-промышленной (ОП) Верхнее-Мутновской ГеоЭС [мощность 12(3×4) МВт] составила около 300 млн. руб. Однако отсутствие транспортных расходов на топливо, возобновляемость геотермальной энергии и экологическая чистота производства электроэнергии и тепла позволяют геотермальной энергетике успешно конкурировать на энергетическом рынке и в некоторых случаях производить более дешёвую электроэнергию и тепло, чем на традиционных КЭС и ТЭЦ. Для удалённых районов (Камчатка, Курильские острова) ГеоЭС име-ют безусловное преимущество перед ТЭЦ и дизельными станциями, работающими на привозном топливе.

Если в качестве примера рассматривать Камчатку, где более 80% электроэнергии производится на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, работающих на привозном мазуте, то использование геотермальной энергии более выгодны. Даже сегодня, когда ещё идёт процесс строительства и освоение новых ГеоЭС на Мутновском геотермальном поле, себестоимость электроэнергии на Верхне-Мутновской ГеоЭС более чем в два раза ниже, чем на ТЭЦ в Петропавловске Камчатском. Стоимость 1кВт×ч(э) на старой Паужетской ГеоЭС в 2¸3 раза ниже, чем на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2.

Себестоимость 1кВт×ч электроэнергии на Камчатке в июле 1988г была от 10 до 25 центов, а средний тариф на электроэнергию был установлен на уровне 14 центов. В июне 2001г. в этом же регионе тариф на электроэнергию за 1кВт×ч составлял от 7 до 15 центов. В начале 2002г. средний тариф в ОАО «Камчатскэнерго» был равен 3,6 руб. (12центов). Совершенно ясно, что экономика Камчатки не может успешно развиваться без снижения стоимости потребляемой электроэнергии, а этого можно достичь только путём использования геотермальных ресурсов.

Сейчас, перестраивая энергетику, очень важно исходить из реальных цен на топливо и оборудование, а также цен на энергию для разных потребителей. В противном случае можно прийти к ошибочным выводам и прогнозам. Так, в стратегии развития экономики Камчатской области, разработанной в 2001г в «Дальсетьпроекте», без достаточных обоснований за 1000м³ газа была заложена цена 50дол., хотя ясно, что реальная стоимость газа будет не ниже 100дол., а продолжительность освоения газовых месторождений будет составлять 5÷10 лет. При этом согласно предложенной стратегии запасы газа рассчитываются на срок эксплуатации не более 12 лет. Поэтому перспективы развития энергетики Камчатской области должны быть связаны в первую очередь со строительством серии геотермальных электростанций на Мутновском месторождении [до 300МВт(э)] перевооружением Паужетской ГеоЭС, мощность которой должна быть доведена до 20 МВт, и строительство новых ГеоЭС. Последние обеспечат энергетическую независимость Камчатки на многие годы(не менее 100 лет) и позволят снизить стоимость продаваемой электроэнергии.

Согласно оценке Мирового Энергетического Совета из всех возобновляющих источников энергии самая низкая цена за 1кВт·ч у ГеоЭС (смотри таблицу).

Из опыта эксплуатации крупных ГеоЭС на Филлипинах, Новой Зеландии, в Мексике и в США следует, что себестоимость 1кВт·ч электроэнергии часто не превышает 1 цента, при этом следует иметь в виду, что коэффициент использования мощности на ГеоЭС достигает значения 0,95.

Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды, а также при внедрении тепловых насосов, в которых может эффективно применяться тепло земли с температурой 10÷30ºС, т.е. низкопотенциальное геотермальное тепло. В современных экономических условиях России развитие геотермального теплоснабжения крайне затруднено. Основные средства необходимо вкладывать в бурение скважин. В Краснодарском крае при стоимости бурения 1м скважины 8 тыс. руб., глубине её 1800м затраты составляют 14,4 млн. руб. При расчётном дебите скважины 70м³/ч, срабатываемом температурном напоре 30º С, круглосуточной работе в течение 150 сут. в году, коэффициенте использования расчётного дебита в течение отопительного сезона 0,5 количество отпускаемой теплоты равно 4385 МВт·ч, или в стоимостном выражении1,3 млн. руб. при тарифе 300 руб./(МВт·ч). При таком тарифе бурении скважин будет окупаться 11 лет. Вместе с тем в перспективе необходимость развитие данного направления в энергетике не вызывает сомнения.

Выводы.

1.Практически на всей территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 200º С.

2.В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии, способные быстро обеспечить эффективное применение тепла земли на ГеоЭС и ГеоТС для получения электроэнергии и тепла.

3.Геотермальная энергетика должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации и перевооружения энергетики Камчатской области и Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

4.Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20÷25%.

5.Для привлечения инвестиций и кредитов в энергетику следует выполнять эффективные проекты и гарантировать своевременный возврат заемных средств, что возможно только при полной и своевременной оплате элект-ричества и тепла, отпущенных потребителям.

Список литературы.

1. Преобразование геотермальной энергии в электрическую с использованием во вторичном контуре сверхкритического цик-ла. Абдулагатов И.М., Алхасов А.Б. «Теплоэнергетика.-1988№4-стр. 53-56».

2. Саламов А.А. « Геотермические электростанции в энергетике мира» Теплоэнергетика2000№1-стр. 79-80»

3. Тепло Земли: Из доклада «Перспективы развития геотермальных технологий» Экология и жизнь-2001-№6-стр49-52.

4. Тарнижевский Б.В. «Состояние и перспективы использования НВИЭ в России» Промышленная энергетика-2002-№1-стр. 52-56.

5. Кузнецов В.А. «Мутновская геотермальная электростанция» Электрические станции-2002-№1-стр. 31-35.

6. Бутузов В.А. «Геотермальные системы теплоснабжения в Краснодарском крае» Энергоменеджер-2002-№1-стр.14-16.

7. Бутузов В.А. «Анализ геотермальных систем теплоснабжения России» Промышленная энергетика-2002-№6-стр.53-57.

8. Доброхотов В.И. «Использование геотермальных ресурсов в энергетике России» Теплоэнергетика-2003-№1-стр.2-11.

9. Алхасов А.Б. «Повышение эффективности использования геотермального тепла» Теплоэнергетика-2003-№3-стр.52-54.

РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Произведем расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа, согласно .

Наша геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

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

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

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

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

Исходные данные приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1. Исходные данные для расчета ГеоЭС

Принципиальная схема ГеоЭС бинарного типа (рис. 3.2).

Рис. 3.2.

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

Расчет схемы паровой турбины, работающей на сухом насыщенном водяном паре

Температура пара при входе в конденсатор турбины:

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

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

Располагаемый теплоперепад на турбину :

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

Расход пара из расширителя на паровую турбину:

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

Расчет расширителя геотермальной воды

Уравнение теплового баланса расширителя

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

Уравнение материального баланса расширителя

Решая совместно эти два уравнения необходимо определить и.

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

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

Температура паров хладона на входе в турбину:

Температура паров хладона на выходе из турбины:

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

240 кДж/кг.

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

220 кДж/кг.

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

215 кДж/кг.

Расчет испарителя

Температура геотермальной воды на выходе из испарителя:

Уравнение теплового баланса испарителя:

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

Из этого уравнения необходимо определить.

Расчет мощности турбины, работающей на хладоне

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

Определение мощности насоса для закачки геотермальной воды в скважину

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

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.

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.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Скотарев Иван Николаевич

студент 2 курса, кафедра физики СтГАУ, г. Ставрополь

Хащенко Андрей Александрович

научный руководитель, кан. физ.-мат. наук, доцент СтГАУ, г. Ставрополь

Сейчас человечество не сильно задумывается, что оно оставит будущим поколениям. Люди бездумно выкачивают и выкапывают полезные ископаемые. С каждым годом растёт население планеты, а следовательно увеличивается и потребность в ещё в большем количестве энергоносителей таких как газ, нефть и уголь. Продолжаться это долго не может. Поэтому сейчас помимо развития атомной промышленности становится актуальным использование альтернативных источников энергии. Одним из перспективных направлений в этой области является геотермальная энергетика.

Большая часть поверхности нашей планеты обладает значительными запасами геотермальной энергии вследствие значительной геологической деятельности: активной вулканической деятельности в начальные периоды развития нашей планеты а также и по сей день, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В некоторых местах нашей планеты скапливается особенно много геотермальной энергии. Это, например, различные долины гейзеров, вулканы, подземные скопления магмы, которые в свою очередь нагревают верхние породы.

Говоря простым языком геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли. Например извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромной температуре внутри планеты. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра до поверхности Земли (рисунок 1 ).

Рисунок 1. Температура в различных слоях земли

Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями своего полезного применения. Ведь человек в процессе своего развития придумывал множество полезных технологий и во всём искал выгоду и прибыль. Так и произошло с углём, нефтью, газом, торфом и т. д.

Например, в некоторых географических районах использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии, потому что в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии . Сама природа дает человеку в руки уникальный источник энергетики, необходимо только его использовать.

Всего сейчас насчитывается 5 типов источников геотермальной энергии:

1. Месторождения геотермального сухого пара.

2. Источники влажного пара. (смеси горячей воды и пара).

3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду).

4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой.

5. Магма (расплавленные горные породы нагретые до 1300 °С).

Магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура горных пород повышается в среднем на 1 °С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). В мире имеется большое разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования .

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева различных объектов. Геотермальное тепло можно преобразовывать в электричество, если температура теплоносителя достигает более 150 °С. Как раз использование внутренних областей Земли для отопления является наиболее выгодным и эффективным а так же очень доступным. Прямое геотермальное тепло в зависимости от температуры может использоваться для отопления зданий, теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных и рыбопродуктов, выпаривания растворов, выращивания рыбы, грибов и т. д. .

Все существующие на сегодняшний день геотермальные установки делятся на три типа:

1. станции, основой для работы которых являются месторождения сухого пара - это прямая схема.

Электростанции на сухом пару появились раньше всех. Для того чтобы получить требующуюся энергию пар пропускается через турбину или генератор (рисунок 2 ).

Рисунок 2. Геотермальная электростанция прямой схемы

2. станции с сепаратором, использующие месторождения горячей воды под давлением. Иногда для этого используется насос, который обеспечивает нужный объём поступающего энергоносителя - непрямая схема.

Это наиболее распространенный тип геотермальных станций в мире. Здесь воды закачиваются под высоким давлением в генераторные установки. Происходит накачивание гидротермального раствора в испаритель для снижения давления, в результате идёт испарение части раствора. Далее образовывается пар, который и заставляет работать турбину. Оставшаяся жидкость также может приносить пользу. Обычно её пропускают ещё через один испаритель и получить дополнительную мощность (рисунок 3 ).

Рисунок 3. Геотермальная электростанция непрямой схемы

Они характеризуются отсутствием взаимодействия генератора или турбины с паром или водой. Принцип их действия основан на разумном применении подземной воды умеренной температуры.

Обычно температура должна быть ниже двухсот градусов. Сам бинарный цикл заключается в использовании двух типов вод - горячей и умеренной. Оба потока пропускаются через теплообменник. Более горячая жидкость выпаривает более холодную, и образуемые вследствие этого процесса пары приводят в действие турбины , , .

Рисунок 4. Схема геотермальной электростанци с бинарным циклом

Что касается нашей страны геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования из-за уникального ландшафта и природных условий. Найденные запасы геотермальных вод с температурой от 40 до 200 °С и глубиной залегания до 3500 м на её территории могут обеспечить получение примерно 14 млн. м3 горячей воды в сутки. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России. Например, в Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения.

Первая геотермальная электростанция была построена в 1966 году на Паужетском месторождении на полуострове Камчатка с целью электроснабжения окрестных поселков и рыбоперерабатывающих предприятий, что способствовало местному развитию. Местная геотермальная система может обеспечить энергией электростанции мощностью до 250-350 МВт. Но данный потенциал используется только на четверть .

Территория Курильских островов обладает уникальными и одновременно сложным ландшафтом. Электроснабжение находящихся там городов обходится большими сложностями: необходимость доставки на острова средств существования морским или воздушным путём, что достаточно затратно и занимает много времени. Геотермальные ресурсы островов на данный момент позволяют получать 230 МВт электроэнергии, что может обеспечить все потребности региона в энергетике, тепле, горячем водоснабжении.

На острове Итуруп найдены ресурсы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова. На южном острове Кунашире действует ГеоЭс 2,6 МВт, которая используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Планируются строительство еще нескольких ГеоЭс суммарной мощностью 12-17 МВт .

Наиболее перспективными регионами для применения геотермальных источников в России являются юг России и Дальний Восток. Огромный потенциал геотермальной энергетики имеют Кавказ, Ставрополье, Краснодарский край.

Использование геотермальных вод в Центральной части России требует больших затрат из-за глубокого залегания термальных вод.

В Калининградской области в планах осуществление опытного проекта геотермального тепло- и электроснабжения города Светлый на базе бинарной ГеоЭс мощностью 4 МВт.

Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство крупных объектов, так и на использование геотермальной энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов и других объектов с использованием геотермальных циркуляционных систем.

В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.

В 1999 г. была пущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС (рисунок 5 ).

Рисунок 5. Верхне-Мутновская ГеоЭС

Она обладает мощностью 12 МВт (3х4 МВт) и является опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения промышленного района Петропавловск-Камчатска.

Но несмотря на большие плюсы в этом направлении присутствует и недостатки:

1. Главный из них заключается в необходимости закачки отработанной воды обратно в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что делает невозможным сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

2. Иногда действующая геотермальная электростанция может приостановиться в результате естественных изменений в земной коре.

3. Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.

4. Строительство ГеоЭС может отрицательно повлиять на землю стабильности в окружающем регионе.

Большинство этих недостатков незначительны и в полнее решаемы .

Сегодня в мире люди не задумываются об последствиях своих решений. Ведь что они будут делать если закончатся нефть, газ и угол? Люди ведь привыкли жить в комфорте. Топить дома дровами они долго не смогут, потому что большому населению потребуется огромнейшее количество древесины, что само собой приведёт масштабной вырубке лесов и оставит мир без кислорода. Поэтому для того чтобы этого не произошло необходимо использовать доступные нам ресурсы экономно, но с максимальной эффективностью. Как раз одним из способов решения этой проблемы является развитие геотермальной энергетики. Конечно она имеет свои плюсы и минусы, но её развитие очень облегчит дальнейшее существование человечества и сыграет большую роль в дальнейшем его развитии.

Сейчас это направление не сильно популярно, потому что в мире господствует нефтяная и газовая промышленность и крупные компании не спешат вкладывать средства в развитие столь необходимой отрасли промышленности. Поэтому для дальнейшего прогрессирования геотермальной энергетики необходимы инвестиции и поддержка государства, без которой осуществить что либо в масштаб всей страны просто невозможно. Введение геотермальной энергетики в энергобаланс страны позволит:

1. повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие на экологическую обстановку по сравнению с традиционными источниками.

2. развить экономику, потому что высвободившиеся денежные средства можно будет вкладывать в другие отрасли промышленности, социальное развитие государства и т. д.

В последнее десятилетие использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии переживает в мире настоящий бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Она способна радикально и на наиболее экономической основе решить проблему энергоснабжения указанных районов, которые пользуются дорогим привозным топливом и находятся на грани энергетического кризиса, улучшить социальное положение населения этих районов и т. д. Как раз это мы и наблюдаем в странах Западной Европы (Германия, Франция, Великобритания), Северной Европы (Норвегия, Швеция, Финляндия, Исландия, Дания). Это объясняется тем что они обладают высоким экономическим развитием и очень сильно зависят от ископаемых ресурсов и поэтому главы этих государств вместе с бизнесом стараются минимизировать эту зависимость. В частности, странам Северной Европы развитию геотермальной энергетики благоприятствует наличие большого количества гейзеров и вулканов. Ведь не зря Исландию называют страной вулканов и гейзеров.

Сейчас человечество начинает понимать всю важность это отрасли и старается по мере возможностей её развивать. Применение большого ряда самых разнообразных технологий даёт возможность снизить потребление энергии на 40-60 % и одновременно обеспечить реальное экономическое развитие. А оставшиеся потребности в электроэнергии и тепле можно закрыть за счёт более эффективного её производства, за счёт восстановления, за счёт объединения выработки тепловой и электрической энергий, а так же за счёт использования возобновляемых ресурсов, что даёт возможность отказаться от некоторых видов электростанций и снижает эмиссию углекислого газа на примерно на 80 %.

Список литературы:

1.Баева А.Г., Москвичёва В.Н. Геотермальная энергия: проблемы, ресурсы, использование: изд. М.: СО АН СССР, Институт теплофизики, 1979. - 350 с.

2.Берман Э., Маврицкий Б.Ф. Геотермальная энергия: изд. М.: Мир, 1978 - 416 стр.

3.Геотермальная энергия. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ustoj.com/Energy_5.htm (дата обращения 29.08.2013).

4.Геотермальная энергетика России. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/ (дата обращения 07.09.2013).

5.Дворов И.М. Глубинное тепло Земли: изд. М.: Наука, 1972. - 208 с.

6.Энергетика. Материал из Википедии - свободной энциклопедии. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика (дата обращения 07.09.2013).