lecture10 (Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций. В.А. Агеев, 2004)

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)10. Использование геотермальной энергии для выработки тепловой иэлектрической энергии.10.1. Прямое использование геотермальной энергииГеотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных подземныхтрещинных коллекторов с глубины 0,5-3 км.

Пароводяная смесь в среднемимеет степень сухости 0,2-0,5 и энтальпию 1500-2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5МВт, средняя стоимость бурения составляет 900 долларов за метр.Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара. Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка представляет собой паротурбинную установку с противодавлением.Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества.

В турбину с противодавлением можно подавать вторичныйпар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболеепростая, капитальные и эксплуатационные затраты на нее минимальны. Оназанимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рис. 10.1.1).Рис.10.1.1. Схема геотермальной электростанции с непосредственнымиспользованием природного пара: 1 – скважина; 2 – турбина; 3 –генератор; 4 – выход в атмосферу или на химический завод.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Турбогенераторные установки с противодавлением не препятствуютпромышленному использованию химических веществ, содержащихся в природном теплоносителе. Так, например, в природном паре некоторых месторождений Италии содержится 150-700 мг/кг борной кислоты, и при помощиподобных установок можно добывать этот ценный продукт одновременно свыработкой электроэнергии.Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех районов, гдеимеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатацияобеспечивает возможность эффективной работы такой установки даже припеременном дебите скважин.В Италии работает несколько таких станций.

Одна из них – мощностью4 тыс. кВт при у дельном расходе пара около 20 кг/сек, или 80 т пара в час;другая – мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенераторамощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7-8 скважин.В подобных схемах требуется значительное количество пара, которыйс большим успехом может быть использован в турбинах конденсационноготипа.Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной ипрямым использованием природного пара – это наиболее современнаясхема 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 конденсатора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется дляохлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает вконденсатор (рис.

10.1.2).По такой схеме работает геотермальная электростанция Лардерелло-3,использующая природный пар, самая крупная в Италии. Она была спроекти©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)рована в начале второй мировой войны, но вступила в строй только в послевоенные годы. На электростанции установлено четыре турбогенераторамощностью по 26 тыс. кВт и два турбогенератора по 9 тыс.

кВт. Последниепредназначены для покрытия собственных нагрузок.Рис. 10.1.2. 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.Ни один из установленных здесь турбогенераторов в течение многихлет не переводился в резерв. Коэффициент использования установленноймощности составляет 98%.

Стабильная работа геотермальной электростанции Лардерелло-3 открыла путь к конструированию новых электростанций сиспользованием конденсационных турбин. По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие геотермальные электростанции: Лардерелло-2(Италия), Вайракей (Новая Зеландия) и др.Благодаря техническим усовершенствованиям потребление пара на каждый киловатт мощности стало значительно меньше.

Сейчас расход пара нановой электростанции Лаго (Италия) составляет уже 8 кг/квт-ч.10.2. Геотермальные электростанции с бинарным цикломГеотермальная электростанция с паропреобразователем. Конденсационная турбина с паропреобразователем работает на вторичном паре. Этистанции наиболее выгодны там, где природный пар имеет высокую темпера©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)туру и большое содержание газов.

Схема электростанции следующая: природный пар из скважины поступает в паропреобразователь и свое тепло отдает вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Отработанный пар идет в конденсатор.Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в паре, отделяются в паропреобразователе и выбрасываются либо в атмосферу, либо идут на химические заводы. Недостатком этой схемы является снижение параметров пара передтурбиной.

По сравнению с электростанциями, непосредственно использующими природный пар, удельный расход пара здесь меньше на 30%.Геотермальная электростанция,работающая поэтой схеме (рис.10.2.1), позволяет полностью использовать все химические вещества, содержащиеся в природном паре.Рис. 10.2.1. Схема геотермальной электростанции с паропреобразователем: 1– скважина; 2 – паропреобразователь; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор; 6 – вакуумный насос; 7 – градирня; 8 – насос; 9 – дегазатор; 10 – сброс.Опыт подтверждает, что стоимость строительства геотермальной электростанции с паропреобразователем немного больше стоимости электростанции с прямым использованием пара в конденсационной турбине. Посхеме с паропреобразователем были построены электростанции Лардерелло2 и Кастельнуово (Италия).

На станции Лардерелло-2 установлено 7 турбинмощностью по 11 тыс. квт. Удельный расход пара на этой электростанции —14 кг/квт.Геотермальные электростанции с конденсационной турбиной, рабо©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)тающие на отсепарированном паре, строятся там, где из скважины получаютпар с большим содержанием воды. Пар или пароводяная смесь из скважинынаправляется в специальное устройство, расположенное на скважине.

Поддавлением в сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на пар иводу. Отсепарированный пар по трубопроводу направляется в турбину и т. д.Конденсационные турбины, работающие на отсепарированном паре,нашли применение в строительстве геотермальных электростанций в России(Паужетское месторождение на Камчатке), Исландии (месторождение Хверагерди) и в других странах.Рассмотренная схема имеет свои преимущества. Полученный в сепараторе пар практически не содержит газов, что облегчает работу турбин.10.3. Схема Паужетской ГеоТЭСВ настоящее время проведены геологические, геофизические, гидрогеологические и другие исследования тепло-аномальных районов Камчатки;обнаружены большие ресурсы термальных вод с высокой температурой.Для получения электрической энергии за счет глубинного тепла Землии строительства опытно-промышленной геотермальной станции гидрогеологи-разведчики сочли наилучшим районом долину реки Паужетки, расположенную на юге Камчатки, в 35 км от побережья Охотского моря.В 1957 г.

началось бурение разведочных скважин. При бурении на термальные воды, особенно в зоне вулканических проявлений, применяли глинистый раствор и, непрерывно промывая, охлаждали ствол скважины, чтопредотвратило пароводяные выбросы. Всего была пробурена 21 скважинаглубиной от 220 до 480 м. Каждая в среднем давала около 10 кг/сек пароводяной смеси с теплосодержанием 170 ккал/кг. Одна из них с глубины 250 мвскрыла температуру 195 °С, другая с глубины 375 м – 200° С.По химическому составу Паужетские гидротермы принадлежат к типухлоридных натриевых вод. Общая минерализация их составляет 1,0-3,4 г/л,©Кафедра теплоэнергетических систем, 20045Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)температура на выходе из скважин – 144-200 °С, давление на устье скважины– 2-4 атм, рН от 8,0 до 8,2. Термальные воды содержат повышенные количества кремнекислоты (250 мг/л) и борной кислоты (150 мг/л).

Пар насыщентакже газами: углекислым – 500 мг/кг, сероводородом – 25 мг/кг, аммиаком –до 15 мг/кг и др.По предварительным данным, Паужетское геотермальное месторождение даст возможность получать 30-50 тыс. кВт электрической мощности.Схема опытно-промышленной станции, предложенная институтом Теплоэлектропроект, представлена на рис 11.3.1.Рис. 11.3.1. Схема Паужетской опытно-промышленной геотермальной электростанции: 1 – скважина; 2 – сепаратор; 3 – паропровод; 4 – турбина; 5 –генератор; 6 – смешивающий конденсатор; 7 – водоструйный эжектор; 8 –эжекторный насос; 9 – барометрическая труба; 10 – бак охлаждающей воды; 11 – сливной колодец; 12 – насос горячей воды; 13 – трубопровод холодной водыПароводяная смесь из скважины поступает в сепаратор (емкостью 10м3, с нагрузкой парового объема 600-800 м3/час), расположенный на скважине.

Здесь при давлении 1,5 атм происходит разделение пара и воды. Отсепарированный пар по паропроводу поступает к турбинам. Горячая вода с температурой 100-110 °С сбрасывается в реку, и только небольшая часть ее идетпо трубам для отопления и горячего водоснабжения жилых зданий поселка и©Кафедра теплоэнергетических систем, 20046Агеев В.А.