Геотермальная энергетика. Геотермальные электростанции Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару

В настоящее время геотермальная энергия используется в 51 стране в электрогенерирующих технологиях. За пять лет (с 2010 по 2015 годы) суммарная мощность геотермальных электростанций возросла на 16 % и составила 12 635 МВт. Существенное увеличение мощности геотермальных электростанций обусловлено экологической безопасностью, существенной экономической эффективностью и высокими показателями использования установленной мощности.

Сегодня геотермальные электростанции (ГеоЭС) эксплуатируются в 26 странах с ежегодной выработкой электроэнергии около 73 549 ГВт . Ожидаемый рост установленной мощности геотермальных электростанций к 2020 году — порядка 21 443 МВт (рис. 1). Значительные показатели в области геотермальной энергетики имеют США: общая установленная мощность ГеоЭС составляет 3450 МВт при ежегодной выработке электроэнергии 16,6 МВт/ч. На втором месте Филиппины с суммарной мощностью ГеоЭС 1870 МВт, на третьем Индонезия — 1340 МВт. При этом наиболее существенный прирост мощности ГеоЭС за последние пять лет отмечен в Турции — с 91 до 397 МВт, то есть на 336 %. Далее следуют Германия — на 280 % (с 6,6 до 27 МВт) и Кения — на 194 % (с 202 до 594 МВт).

В современной геотермальной энергетике наиболее распространёнными являются ГеоЭС с тепловой схемой турбоустановки, включающей дополнительное расширение геотермального пара, общая мощность которой составляет 5079 МВт. На перегретом геотермальном паре работают энергоблоки ГеоЭС суммарной мощностью 2863 МВт. Общая мощность энергоблоков ГеоЭС с двумя ступенями расширения пара равна 2544 МВт.

Геотермальные бинарные энергоблоки с органическим циклом Ренкина получают всё большее распространение, и на сегодняшний момент их суммарная мощность превышает 1800 МВт. Средняя единичная мощность бинарных энергоблоков равна 6,3 МВт, энергоблоков с одним давлением сепарации — 30,4 МВт, с двумя давлениями сепарации — 37,4 МВт, а энергоблоков, работающих на перегретом паре, — 45,4 МВт.

Основной прирост установленной мощности современных геотермальных электростанций в мире в последние годы осуществляется в значительной степени за счёт сооружения новых ГеоЭС с энергоблоками бинарного цикла.

Технологические схемы современных ГеоЭС можно классифицировать по фазовому состоянию геотермального теплоносителя, типу термодинамического цикла и применяемых турбин (рис. 2). Геотермальные электростанции работают на геотермальном теплоносителе в виде перегретого пара, пароводяной смеси и горячей воды. Прямой цикл ГеоЭС характеризуется использованием во всём технологическом тракте в качестве рабочей среды геотермального теплоносителя.

ГеоЭС с бинарным циклом в основном применяются на месторождениях с низкотемпературной горячей водой (90-120 °C), которые характеризуются использованием во втором контуре низкокипящего рабочего тела. Двухконтурные ГеоЭС предполагают использование бинарного и комбинированного бинарного циклов. В комбинированном цикле ГеоЭС паровая турбина работает на геотермальном паре, а утилизация тепла отработавшего или сбросного геотермального теплоносителя в виде жидкой фазы осуществляется в бинарной энергоустановке второго контура.

Конденсационные турбины одноконтурных ГеоЭС работают на геотермальном перегретом паре, а также на насыщенном паре, отсепарированном из пароводяной смеси. Турбины с противодавлением используются на одноконтурных ГеоТЭС, которые наряду с выработкой электроэнергии обеспечивают теплом системы теплоснабжения.

В настоящее время в России энергоблоки с противодавленческими турбинами эксплуатируются на островах Кунашир и Итуруп (входят в Курильскую гряду). На Калужском турбинном заводе были разработаны энергоблоки «Омега-500», «Туман-2,0» и «Туман-2,5» .

Противодавленческие турбоустановки значительно проще конденсационных по своей конструкции, поэтому их цена существенно ниже.

Достаточно часто применяются технологические схемы одноконтурных ГеоЭС с одним, двумя и тремя давлениями сепарации, так называемые схемы SingleFlash, Double-Flash и Triple-Flash, соответственно. Так, ГеоЭС с двумя и тремя давлениями сепарации предполагают использование дополнительного вторичного пара, полученного в расширителе вследствие вскипания сепарата. Это позволяет увеличить использование тепла геотермального флюида по сравнению с ГеоЭС с одним давлением сепарации.

Геотермальные паротурбинные установки производят компании в Японии, США, Италии и России.

В табл. 1 представлены основные фирмы-производители современных паровых турбоустановок и оборудования для геотермальных электростанций. Конструкция геотермальных турбин обладает рядом особенностей, которые обусловлены использованием низкопотенциального геотермального насыщенного пара в качестве рабочей среды, отличающейся коррозионной агрессивностью и склонностью к образованию отложений.

К современным передовым технологиям повышения эффективности геотермальных турбин можно отнести:

• внутриканальную сепарацию влаги в проточной части турбины, включая периферийную сепарацию влаги, отвод влаги через щели в полых сопловых лопатках и ступень-сепаратор;
• системы периодической промывки проточной части и концевых уплотнений на работающей турбине;
• применение технологии управления физико-химическими свойствами геотермального теплоносителя присадками поверхностно-активных веществ;
• снижение потерь в турбинных решётках за счёт оптимизации геометрии сопловых и рабочих лопаток, включая использование высокоэффективных саблевидных лопаток.

Так, в конструкции геотермальной паровой турбины ОАО «КТЗ» мощностью 25 МВт для Мутновской ГеоЭС применены специальные устройства для сепарации влаги, позволяющие удалить до 80 % жидкой фазы в виде крупных капель и жидких плёнок из проточной части . Начиная с четвёртой турбинной ступени, в проточной части применена развитая система периферийной сепарации влаги. В седьмой и восьмой ступенях обоих потоков турбины используется внутриканальная сепарация влаги в сопловых решётках. Достаточно эффективным методом удаления влаги является применение специальной турбинной ступени-сепаратора, которая позволяет увеличить КПД турбина почти на 2 %.

Солесодержание пара, поступающего в проточную часть турбин ГеоЭС, зависит от минерализации исходного геотермального флюида и эффективности разделения фаз в сепарационных устройствах. Эффективность сепарационных устройств в значительной степени определяет степень заноса проточной части турбин солеотложениями, а также влияет на интенсивность каплеударной эрозии турбинных лопаток и коррозионного растрескивания металла элементов проточной части турбин.

В технологических схемах современных геотермальных электростанций применяются вертикальные и горизонтальные сепараторы. Вертикальные сепараторы используются в основном на ГеоЭС, построенных при участии новозеландских специалистов в Новой Зеландии, Филиппинах и др. странах. Горизонтальные сепараторы применяются в геотермальных энергоблоках в России, США, Японии и Исландии. Причём до 70 % ГеоЭС в мире работает с вертикальными сепараторами . Вертикальные сепараторы способны в среднем обеспечивать степень сухости пара на выходе до 99,9 %. При этом их эффективность существенно зависит от режимных параметров: расхода и давления влажного пара, влагосодержания пароводяной смеси (ПВС), уровня жидкости в сепараторе и др.

В России разработаны и эксплуатируются на энергоблоках ГеоЭС горизонтальные сепараторы, отличающиеся высокой эффективностью и малогабаритными характеристиками. Степень сухости пара на выходе из сепаратора достигает 99,99 %. В основу этих разработок легли исследования и технологии предприятий, производящих оборудование для АЭС, судостроения и других отраслей . Такие сепараторы установлены и успешно работают в модульных энергоблоках ВерхнеМутновской ГеоЭС и на первой очереди Мутновской ГеоЭС (рис. 3).

Преимущество бинарных установок, заключающееся прежде всего в возможности производить электроэнергию на основе низкотемпературного источника тепла, в значительной степени определило основные направления их применения. Особенно целесообразно использование бинарных установок для:

• энергообеспечения (также и автономного) регионов, обладающих низкотемпературными геотермальными ресурсами;
• повышения мощности действующих ГеоЭС, работающих на высокотемпературном геотермальном теплоносителе, без бурения дополнительных скважин;
• повышение эффективности использования геотермальных источников за счёт применения бинарных установок в технологических схемах вновь проектируемых комбинированных геотермальных электростанций.

Теплофизические, термодинамические и др. свойства органических низкокипящих веществ оказывают существенное влияние на вид и эффективность теплового цикла, технологические параметры, конструкцию и характеристики оборудования, режимы эксплуатации, надёжность и экологичность бинарных установок.

На практике применяются около 15-ти различных низкокипящих органических веществ и смесей в качестве рабочего тела бинарных установок. По факту в настоящее время геотермальные бинарные энергоблоки в основном работают на углеводородах — около 82,7 % от суммарной установленной мощности бинарных энергоблоков в мире, фторуглеродах — 6,7 %, хлорфторуглеродах — 2,0 %, водно-аммиачной смеси — 0,5 %, отсутствуют данные по рабочему телу для 8,2 % .

Геотермальные электростанции с комбинированным бинарным циклом отличаются тем, что геотермальный флюид первого контура не только является источником тепла для второго контура, но и непосредственно используется для преобразования теплоты в механическую работу в паровой турбине.

Паровая фаза геотермального двухфазного теплоносителя используется непосредственно для выработки электрической энергии путём расширения в паровой турбине с противодавлением, а теплоту конденсации геотермального пара (а также сепарата) направляют во второй низкотемпературный контур, в котором для выработки электроэнергии используется органическое рабочее тело. Применение подобной комбинированной схемы ГеоЭС особенно целесообразно в случаях, когда исходный геотермальный флюид содержит большое количество неконденсирующихся газов, поскольку затраты энергии на удаление их из конденсатора могут быть значительными.

Результаты термодинамических расчётов показывают, что при всех равных исходных условиях использование бинарного энергоблока в геотермальных электростанциях комбинированного цикла может увеличить мощность ГеоЭС типа Single-Flash на 15 %, а ГеоЭС DoubleFlash — на 5 %. В настоящее время бинарные установки производятся на заводах в США, Германии, Италии, Швеции, России и др. странах. Сведения о некоторых технических характеристиках бинарных установок, выпускаемых различными производителями, представлены в табл. 2.

На рис. 4 представлены данные о стоимости установленной мощности в 1 кВт при сооружении различных ГеоЭС с турбоустановками на геотермальном паре и низкокипящем органическом рабочем теле, свидетельствующие о зависимости стоимости ГеоЭС от применяемого цикла и температуры геотермального геофлюида.

Наиболее перспективными российскими геотермальными энергетическими проектами являются расширение Мутновской ГеоЭС (50 МВт) и Верхне-Мутновской ГеоЭС (12 МВт) комбинированными (с бинарным циклом) энергоблоками мощностью 10 и 6,5 МВт, соответственно, за счёт утилизации тепла их сбросного теплоносителя без бурения дополнительных скважин, а также строительство второй очереди Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт.

Выводы

1. В мировой геотермальной энергетике применяются технологические схемы с ГеоЭС прямого, бинарного и комбинированного циклов — в зависимости от фазового состояния и температуры геотермального теплоносителя.
2. Основной прирост в суммарной установленной мощности ГеоЭС в мире в последние годы осуществляется за счёт развития бинарных геотермальных энерготехнологий.
3. Удельная стоимость установленной мощности геотермальных энергоблоков существенно зависит от температуры геотермального теплоносителя и с её увеличением резко снижается.

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расшири-

теле. Электрическая мощность – N эПТ = 3 МВт;

вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испа-

ряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая

мощность - N эХТ, МВт.

Вода из геотермальных скважин с температурой t гв = 175 °С посту-

пает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с

Q пр 24 ⋅ Q т.сн

Е ⋅çпр осв пр осв

⋅ô

Е ⋅ç

⋅ô

температурой на 25 градусов меньше t гв. Этот пар направляется в пер-

вую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идёт в испаритель, где

охлаждается на 60 градусов и закачивается обратно в скважину. Недог-

рев в испарительной установке – 20 градусов. Рабочие тела расширяют-

ся в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из

реки с температурой t хв = 5 °С. Нагрев воды в конденсаторе составляет

10 ºС, а недогрев до температуры насыщения 5 ºС.

Относительные внутренние КПД турбин çоi = 0,8 . Электромехани-

ческий КПД турбогенераторов çэм = 0,95 .

Определить:

электрическая мощность турбины, работающей на хладоне – N эХТ и

суммарную мощность ГеоТЭС;

расходы рабочих тел на обе турбины;

расход воды из скважины;

КПД ГеоТЭС.

Исходные данные взять из таблицы 3 по вариантам.

Таблица 3

Исходные данные для задачи № 3

Вариант NэПТ, МВт о tгв, С Хладон о tхв, С R114 R114 2,5 R114 R114 3,5 R114 3,0 R114 2,5 R114 R114 1,5 R114 3,0 R114 2,5 R114 R114 1,5 R114 R114 2,5 R114 R114 2,5 R114 R114 3,5 R114 3,2 R114 3,0 R114 R114 1,6 R114 2,2 R114 2,5 R114 3,5 R114 2,9 R114 3,5 R114 3,4 R114 3,2 R114

t =

выхИ

3. Определяем энтальпии в характерных точках:

По таблице воды и водяного пара энтальпия сухого насыщен- ного пара воды на входе в турбину по температуре ПТ tо = 150°С ПТ hо = 2745.9 кДж кг энтальпия (теоретическая) на выходе из турбины (находим из условия адиабатного рас- ширения паров воды в тур- бине) при температуре ПТ tк = 20°C ПТ hкt = 2001.3 кДж кг энтальпия воды на выходе из конденсатора при температу- ПТ ре tк = 20°C ПТ hк ′ = 83,92 кДж кг энтальпия воды на выходе из геотермальной скважины при температуре t ГВ = 175°С hГВ = t ГВ ⋅ с р = 175 ⋅ 4,19 = 733,25кДж / кг энтальпия воды перед испа- рителем находим по темпера- ПТ туре tо = 150°С h ′р = 632.25 кДж кг энтальпия воды на выходе из испарителя находим по тем- выхИ пературе tгв = 90°С выхИ hгв = 376.97кДж / кг По диаграмме lgP-h для хладона R11 энтальпия сухого насыщен- ного пара хладона перед тур- биной при температуре ХТ tо = 130°С ХТ hо = 447,9кДж / кг

= t

4. Рассчитываем располагаемый теплоперепад в турбине:

ПТ ПТ

5. Находим действительный теплоперепад в турбине:

НiПТ = НОПТ ⋅çoi = 744,6 ⋅ 0,8 = 595,7кДж / кг .

6. Расход пара (воды из геотермальной скважины) на водяную

турбину находим по формуле:

DоПТ =

НiПТ ⋅çэм

5,3кг / с .

7. Расход воды из геотермальной скважины на испаритель и на

всю ГеоТЭС в общем находим из системы уравнений:

ПТ ИСП

Решая эту систему, находим:

7.1 расход воды из геотермальной скважины на испаритель:

hГВ − hр

2745,9 − 733,25

733,25 − 632, 25

7.2 расход воды из геотермальной скважины в общем

DГВ = 5,3 + 105,6 = 110,9кг / с .

НО о кПt Т = 2745,9 − 2001,3 = 744,6кДж / кг .

= h

− h

⎧⎪ DГВ ГВ = DoПТ ⋅ hо ГВСП ⋅ h ′p

⋅ h

+ D

⎨

⎪⎩ DГВ = Do

+ DГВ

DГВСП = DoПТ ⋅

− h

hо ГВ

= 5,3 ⋅ = 105,6кг / с ;

′

8. Расход хладона во второй турбине находим из уравнения тепло-

вого баланса:

ИСП выхИ ХТ ХТ

где çи = 0,98 - КПД испарителя.

⋅çи ⋅

hр − hвыхИ

105,6 ⋅ 0,98 ⋅

632,25 − 376,97

114,4кг / с .

9. Электрическая мощность второй турбины, работающей на хла-

доне, определяется по формуле:

где НiХТ = ( hр − h ХТ )çoi - действительный теплоперепад второй

ХТ ХТ Т

10. Суммарная электрическая мощность ГеоТЭС будет равна:

ГеоТЭС ХТ

11. Найдем КПД ГеоТЭС:

ç ГеоТЭС

ГеоТЭС

D − h

⎜ ⎜ D

N эГеоТЭС

⎛ ⎛ 5,3 105,6 ⎞ ⎞

⎝ 110,9 110,9 ⎠ ⎠

DГВ р гв и о о к ′ ХТ ),

)ç = D

(h ′ − h

− h

(h

DГВСП

hо к ′ ХТ

− h

′ гв

N э оХТ ⋅ НiХТ ⋅çэм ,

= D

′ кt

N э о ( р Х ) oi ⋅çэм = 114,4 ⋅ (632,25 − 396,5) ⋅103 ⋅ 0,8 ⋅ 0,95 = 20,5МВт

⋅ h ′ − h

= D

N э э эПТ = 20,5 + 3 = 23,5МВт .

= N

+ N

N э эГеоТЭС

N

QГВ ГВ ⋅ ( hГВ СБР )

⎛ ПТ DоПТ

D ХТ

DГВ ⋅ ⎜ hГВ − ⎜ hк ⋅ + hвыхИ ⋅ ГВ

DГВ ГВ

⎝

⎝

⎟ ⎟

23,5 ⋅103

Ресурсы геотермальной энергии на территории России имеют значи­тельный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Запасы тепла Земли с температурой 30-40 °С (рис. 17.20, см. цветную вклейку) имеются практически на всей территории России, а в отдельных регионах имеются геотермальные ресурсы с температурой до 300 °С. В зависимо­сти от температуры геотермальные ресурсы используются в различных отраслях народного хозяйства: электроэнергетике, теплофикации, про­мышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии.

При температурах геотермальных ресурсов свыше 130 °С возможно получение электроэнергии на одноконтурных геотермальных электро­станциях (ГеоЭС). Однако ряд регионов России располагают значитель­ными запасами геотермальных вод с более низкой температурой порядка 85 °С и выше (рис. 17.20, см. цветную вклейку). В этом случае можно полу­чить электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Бинарные электриче­ские станции - это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела. К бинарным также иногда относят одно­контурные станции, которые работают на смеси двух рабочих тел - аммиака и воды (рис. 17.21, см. цветную вклейку).

Первые геотермальные электростанции в России были построены на Камчатке в 1965-1967 гг.: Паужетская ГеоЭС, которая работает и в настоящее время производит самую дешевую электроэнергию на Кам­чатке, и Паратунская ГеоЭС с бинарным циклом. В дальнейшем в мире было построено около 400 ГеоЭС с бинарным циклом.

В 2002 г. введена в эксплуатацию на Камчатке Мутновская ГеоЭС с двумя энергоблоками общей мощностью 50 МВт.

Технологической схемой электростанции предусмотрено использова­ние пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, забираемой из геотермальных скважин.

После сепарации пар с давлением 0,62 МПа и степенью сухости 0,9998 поступает на двухпоточную паровую турбину, имеющую восемь ступе­ней. В паре с паровой турбиной работает генератор номинальной мощно­стью 25 МВт и напряжением 10,5 кВ.

Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводо­рода в атмосферу.

Геотермальные ресурсы широко используются для теплоснабжения, особенно при прямом использовании горячей геотермальной воды.

Низкопотенциальные геотермальные источники тепла с температурой or 10 до 30 °С целесообразно использовать с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью внешнего воздействия для совершения работы. В основе принципа работы теплового насоса лежит обратный цикл Карно.

Тепловой насос, потребляя) кВт электрической мощности, выдает в систему теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепловой мощности. Коэффициент трансформации изменяется в зависимости от температуры низкопотенци­ального геотермального источника.

Тепловые насосы нашли широкое применение во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции тепловой мощностью 320 МВт и использует тепло воды Балтийского моря.

Эффективность использования теплового насоса определяется в основном соотношением цен на электрическую и тепловую энергию, а также коэффициентом трансформации, обозначающим, во сколько раз больше производится тепловой энергии по сравнению с затраченной электрической (или механической) энергией.

Наиболее экономична работа тепловых насосов в период прохождения" минимальных нагрузок в энергосистеме. Их работа может способство­вать выравниванию графиков электрической нагрузки энергосистемы.

Литература для самостоятельного изучения

17.1.Использование водной энергии: учебник для вузов / под ред. Ю.С. Васильева. -
4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1995.

17.2.Васильев Ю.С, Виссарионов В.И., Кубышкин Л.И. Решение гидроэнергетиче­
ских задач на ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

17.3.Непорожний П.С., Обрезков В,И. Введение в специальность. Гидроэлектроэнерге­
тика: учебное пособие для вузов. - 2-е изд.. перераб. и доп. М: Энергоатомиздат,
1990.

17.4.Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты: учебное пособие для вузов /
под ред. В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 2001.

17.5.Расчет ресурсов солнечной энергетики: учебное пособие для вузов / под ред.
В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.

17.6.Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии
в России / Коллектив авторов. СПб.: Наука, 2002.

17.7.Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние
и перспективы развития. М.: Издательство МЭИ, 1996.

17.8.Расчет ресурсов ветроэнергетики: учебное пособие для вузов / под ред. В.И. Висса­
рионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.

17.9.Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке / О.В. Бритвин,

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.

Величины и единицы их измерения	Варианты заданий
N, МВт
t хв., 0 С
t хв., 0 С
η oi , %

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 .