Геотермальна електроенергетика

Геотермальні електростанції мають ряд особливостей:

- наявність постійного надлишку енергоресурсів, що забезпечує використання повної встановленої потужності устатковання ГеоТЕС;

- досить простий рівень автоматизації;

- наслідки можливих аварій обмежуються зоною станції;

- питомі капіталовкладення і собівартість електричної енергії нижчі, ніж в енергосистемах на основі інших поновлювальних джерел енергії.

ГеоТЕС можна розділити на три основні типи:

- станції, що працюють на родовищах сухої пари;

- станції з випарником, що працюють на родовищах гарячої води під тиском (іноді з помпою на дні свердловини для забезпечення необхідного обсягу енергоносія, що надходить);

- станції з бінарним циклом, у яких геотермальна теплота передається вторинній рідині (наприклад фреону або ізобутану) і відбувається класичний цикл Ренкіна (такі ГеоТЕС працюють на родовищах сильно мінералізованої гарячої води).

Найбільш простою і доступною геотермальною установкою з безпосереднім використанням енергії природної пари є паротурбінна установка з протитиском (рисунок 4.5.5). Природна пара зі свердловини подається прямо в турбіну з послідуючим виходом в атмосферу або в пристрій, що вловлює цінні хімічні речовини. В турбіну з протитиском можна подавати вторинну пару або пару, яка отримується із сепаратора. За цією схемою електростанція працює без конденсаторів, і відпадає необхідність у компресорі для видалення з конденсаторів газів, що не конденсуються. Така установка найбільш проста, капітальні та експлуатаційні витрати на неї мінімальні, вона займає невелику площу, практично не потребує допоміжного обладнання, і її легко пристосувати як переносну геотермальну станцію.

1

4

Ту

Рисунок 4.5.5 - Схема геотермальної електростанції з безпосереднім

використанням природної пари:

1 - свердловина; 2 - турбіна; 3 - генератор;

4 - вихід в атмосферу або на промислове підприємство

Турбогенераторні установки з протитиском не перешкоджають промисловому використанню хімічних речовин, які містяться в природному теплоносії. Так, наприклад, у природній парі деяких родовищ Італії міститься 150-170 мг/кг борної кислоти, і за допомогою подібних установок можна отримувати цей цінний продукт одночасно з виробленням електричної енергії.

Розглянута схема може бути найбільш вигідною для тих районів, де є достатні запаси природної пари. Раціональна експлуатація забезпечує можливість ефективної роботи такої установки навіть при змінному дебіті свердловини, при цьому один генератор можуть обслуговувати декілька свердловин.

В Італії на стадії експлуатації знаходиться декілька таких станцій. Одна з них при потужності 4 МВт потребує витрати пари близько 20 кг/с, тобто 80 т пари за годину, питома витрата пари становить 18 кг/(кВт-год).

В подібних схемах потребується значна кількість пари, яка з більшим успіхом може використовуватися в турбінах конденсаційного типу.

Геотермальна електростанція з конденсаційною турбіною і прямим використанням природного газу є сучасною установкою для отримання електричної енергії (рисунок 4.5.6).

Рисунок 4.5.6 - Схема геотермальної електростанції з конденсаційною турбіною і прямим використанням природної пари: 1 - свердловина; 2 - турбіна; 3 - генератор; 4 - насос; 5 - конденсатор; 6 - градирня; 7 - підземний бак води

Пара зі свердловини подається в турбіну, відпрацьована пара після турбіни потрапляє в змішувальний конденсатор. Суміш охолоджувальної води і конденсату вже відпрацьованої в турбіні пари випускається з конденсатора в підземний бак, звідки забирається циркуляційним насосом і направляється для охолодження в градирню. З градирні охолоджена вода знову направляється в конденсатор.

Завдяки такій конструкції і подальшим удосконаленням на нових геотермальних електростанціях Італії питома витрата природної пари становить 8 кг/(кВт-год).

Для свердловин із високою температурою природної пари і значним вмістом газів використовуються геотермальні станції з пароперетворювачем (рисунок 4.5.7). Схема такої електростанції являє собою бінарну схему з незамкненим вторинним контуром.

7

8

l€h

9

-04

8

Ю

Ю

Рисунок 4.5.7 - Схема геотермальної електростанції з пароперетворювачем:

1 - свердловина; 2 - пароперетворювач; 3 - турбіна;

4 - генератор; 5 - конденсатор; 6 - вакуумний насос;

7 - градирня; 8 - насос; 9 - дегазатор; 10 - скидання води

У схемі електростанції природна пара зі свердловини надходить у пароперетворювач і віддає свою теплоту вторинному теплоносію, після чого вторинна пара направляється в конденсаційну турбіну і відпрацьована пара йде в конденсатор. Гази, які є в парі і не конденсуються, відділяються в пароперетворювачі і викидаються в атмосферу або направляються на хімічний завод. Недоліком цієї схеми є зниження параметрів пари перед турбіною. Однак ця схема дозволяє повністю використовувати всі хімічні речовини, які містяться в природній парі.

Вартість будівництва геотермальної електростанції з пароперетворювачем трохи більша за вартість електростанції з прямим використанням пари в конденсаційній турбіні, також більша питома витрата пари, яка становить приблизно 14 кг/(кВт-год).

Геотермальні електростанції з конденсаційною турбіною використовуються також для роботи на відсепарованій парі. Зі свердловини пароводяна суміш направляється в сепаратор, де під тиском відбувається розділення пароводяної суміші на пару й воду, і відсепарована пара направляється по трубопроводу в турбіну. Отримана в сепараторі пара практично не вміщує газів, що полегшує роботу турбін.

Такі електростанції будуються також на родовищах гарячої води з використанням явища, коли при наближенні гарячої води під високим тиском у свердловині до поверхні близько 20 % води закипає і перетворюється в пару в результаті зниження тиску. Ця пара відділяється в сепараторі від води і направляється в турбіну. Вода, що виходить зі сепаратора, може бути в подальшому оброблена залежно від її мінерального складу.

Наявність у геотермальній парі екологічно і технічно шкідливих солей та газів ставить першою задачею підготовки пари необхідної кондиції для подачі її в турбіну. Сепаратор пари є одним з основних елементів обладнання геотермальної електростанції, який значною мірою забезпечує ефективність і надійність роботи енергоблоку. Найбільш перспективними в цьому плані є гравітаційні сепаратори, які забезпечують остаточну вологість пари не більше 0,05 %. Використання в гравітаційному сепараторі промивання пари чистим конденсатом (1-2 % від загальної витрати конденсату) дає можливість отримати геотермальну робочу пару з мінералізацією на рівні пари традиційних станцій.

Для радикального вирішення проблеми екології, солевідкладень, корозії, ерозії застосовується двоконтурна технологічна схема з парогенератором (рисунок 4.5.8). На “гарячій” стороні парогенератора конденсується геотермальна пара; на “холодній” стороні генерується вторинна пара, отримана з постачальної води, яка хімічно очищена традиційними методами. В двоконтурній схемі при відсутності газів у вторинній парі буде отриманий більш високий вакуум у конденсаторі, і цим буде компенсована втрата потенціалу геотермальної пари в парогенераторі. Досліди показали, що у двоконтурній технології з 1 кг геотермальної пари можна отримати приблизно (± 1-2 %) таку ж роботу на валу турбіни, як і в одноконтурній схемі.

Двоконтурна схема дозволяє доволі простим способом вирішити проблему збереження екологічної рівнодії в місцевості геотермальної електростанції. Гази, в тому числі сірководень, під надлишковим тиском подаються з парогенератора в барботажний абсорбер, де розчиняються у відпрацьованій геотермальній воді, і розчин закачується в свердловину захоронения. Такі випробування, наприклад у Сахалінській області Росії, показали, що в абсорбері розчиняється від 93 до 97 % вихідної кількості сірководню. У свердловину захоронения закачується також геотермальний сепарат і конденсат із парогенератора, чим забезпечується захист від сольових геотермальних вод ґрунту, поверхневих і ґрунтових вод.

Рисунок 4.5.8 - Двоконтурна геотермальна електростанція на парогідротермах: 1 - видобувна свердловина; 2 - гравітаційний сепаратор; З - парогенератор; 4 - економайзер; 5 - барботажний абсорбер; 6 - свердловина захоронения; 7 - турбогенератор; 8 - змішувальний конденсатор; 9 - паровий ежектор; 10 - конденсатозбірник; 11 - “суха” вентиляційна градирня; 12 - розширювач 1-го ступеня; 13 - розширювач 2-го ступеня; 14 - шумопоглинач; 15 - віддільник бруду; 16- розривний клапан

При агресивних геотермальних водах доцільно застосовувати двоконтурні схеми геотермальних електростанцій із використанням у вторинному контурі спеціального енергоносія, відмінного від пари. Принципову схему такої електростанції, яка працює на хладоні R142b, зображено на рисунку 4.5.9.

В Росії розроблено блочні схеми таких двоконтурних енергетичних модулів потужністю 1,5 МВт. При незначних змінах як робоче тіло може бути використаний ізобутан.

Іще одним різновидом є двоконтурна ГеоТЕС, яка працює на змішуваному робочому тілі (водно-аміачному розчині), її схему показано на рисунку 4.5.10.

Рисунок 4.5.9 - Принципова схема двоконтурної ГеоТЕС на хладоні R142b: 1 - свердловина; 2 - теплообмінник; 3 - парогенератор; 4 - турбіна; 5 - електрогенератор; 6 - повітроохолоджувальний конденсатор; 7 - конденсатно-живильний насос; 8 - нагнітальний насос

Рисунок 4.5.10 - Принципова схема двоконтурної Неотес на водно-аміачному робочому тілі: 1 - парогенератор; 2 - сепаратор; 3 - турбіна; 4 - електрогенератор; 5 - конденсатор; 6 - ежектор; 7 - живильний насос; 8 - економайзерна частина регенератора; 9 - випарювальна частина регенератора

Найбільший ефект має місце при комбінованих схемах використання геотермальних джерел як теплоносія для підігрівання води і вироблення електроенергії на теплових електростанціях, що забезпечує значну економію органічного палива і збільшує ККД перетворення низькопотенціальної енергії. Такі комбіновані схеми дозволяють використовувати для виробництва електроенергії теплоносії з початковими температурами 70-80 °С, що значно нижчі за прийняті сьогодні для суто ГеоТЕС.

Коментарі:

1. Михайло 16.02.2015 22:39

   Як можна з теплоносія який іде на градірні зробити електроенергію?