С).
Зная значения теплового потока, характеристики горных пород и геотермального теплоносителя, можно идентифицировать геотермальный резервуар в каждой из вышеперечисленных групп. Почти все резервуары могут быть использованы для строительства ГеоЭС небольшой мощности (до 50 МВт) и получения тепла, и лишь менее 10% разведанных на сегодняшний день резервуаров могут использоваться для строительства ГеоЭС мощностью более 50 МВт. Лишь несколько геотермальных полей в мире могут обладать энергетическим потенциалом 800-1000МВт. Так, например, на геотермальном поле Сьерро-Прието (Мексика) построено несколько электростанций общей установленной мощностью боле 600МВт.
По агрегатному состоянию геотермального теплоносителя месторождения можно классифицировать следующим образом:
месторождения сухого пара - ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются крайне редко;
месторождения влажного пара - распространены в большей степени. При их освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и образованием твердых отложений в оборудовании ГеоЭС;
сухие горячие горные породы - ресурсы большие, однако технология использования находится на ранней стадии освоения. Можно предполагать, что при использовании этой технологии будет получен геотермальный теплоноситель с небольшим содержанием примесей и газов.
В геотермальном резервуаре происходит не только нагрев воды, но и активное ее насыщение различными примесями, минералами, солями и газами. Поэтому геотермальный теплоноситель - многофазная и многокомпонентная среда, которая образуется в геотермальном резервуаре в результате взаимодействия воды с минералами, находящимися в горных породах.
Важной особенностью геотермального теплоносителя также является наличие большое количества неконденсирующихся газов. Концентрация неконденсирующихся газов в геотермальных месторождениях обычно составляет 0,1 -5% массы теплоносителя, однако существуют месторождения, где в паре содержится до 20%.
Неконденсирующиеся газы влияют на процессы расширения пара в турбинах и образуют коррозионно-активные соединения.
Геотермальные теплоносители разных месторождений, входящих в одну и ту же группу классификаций по агрегатному состоянию, могут значительно различаться по химическому составу.
Теплоносители также различаются
по степени минерализации
а) ультрапресные (содержание примесей до 100 мг/л);
б) пресные (100-1000 мг/л);
в) повышенно-минерализованные (1000-10000 мг/л);
г) полурассольные (10000-50000 мг/л);
д) рассольные (свыше 50000 мг/л);
а) очень мягкие (до 1,5 мг-экв/л);
б) мягкие (1,5-3,0 мг - экв\л);
в) средней жесткости (5,0-6,0 мг-экв/л);
г) жесткие (6,0-12,0 мг-экв/л);
д) очень жесткие (свыше 12,0 мг-экв/л);
по массовой газонасыщенности
а) слабые (менее 0,1%);
б) средние (0,1-2,0%);
в) высокие (более 2,0%)
Минерализация вод различных геотермальных месторождений обычно колеблется в пределах 2-500 г.\л.
В зависимости от газового состава геотермальные воды подразделяются на сероводородно-углекислые, углекислые, азотно-углекислые, азотные и метановые.
Геотермальный теплоноситель из подземного резервуара самопроизвольно поступает на земную поверхность по стволу продуктивной скважины, глубина которой может варьироваться от 500 до 3000 м. Обычно давление в пласте резервуара не более гидростатического давления в оды в стволе только что пробуренной скважины. В процессе подъема горячего геотермального теплоносителя из резервуара вверх по стволу продуктивной скважины его давление уменьшается, поэтому происходят вскипание воды ее испарение с образованием влажного насыщенного, а иногда и перегретого пара.
2.Технологический процесс получения электроэнергии на ГеоЭС
Источником получения электроэнергии и тепла на ГеоЭС является горячий геотермальный теплоноситель (пар), покидающий скважину с давлением несколько атмосфер и температурой несколько сотен градусов. Этот пар является «бесплатным» в том смысле, что для его получения не затрачивается теплота других источников, например, органического топлива или ядерного горючего, а также энергия на его сжатие. Особенностями первичного геотермального пара являются высокая влажность, чрезвычайная насыщенность примесями, в том числе и агрессивными, и наличие большого количества неконденсирующихся газов. Направлять такой пар в паровую турбину недопустимо, так как она очень быстро выйдет из строя из-за капельной эрозии и коррозии. Поэтому этот пар направляют в ряд устройств для того, чтобы получить перед паровой турбиной пар таких же кондиций, как и на традиционных ТЭЦ.
Из полученного из скважины пара путем сепарации удаляется влага, он промывается для удаления агрессивных примесей, вновь сепарируется и только после этих операций направляется в паровую турбину. Таким образом, геотермальная паровая турбина работает практически на сухом насыщенном паре с начальным давлением в несколько атмосфер.
Пар расширяется в турбине, которая приводит электрогенератор, не имеющий принципиальных отличий от традиционных, а затем поступает в конденсатор, где конденсируется. В отличие от традиционной ТЭС турбоустановка ГеоЭС работает по разомкнутому циклу.
Конденсат из конденсатора, как и отсепарированная в сепараторе вода, заканчивается обратно в геотермальный резервуар. В результате чего ГеоЭС становится экологически чистым энергетическим объектом.
В геотермальном резервуаре выделяются две основные зоны: продуктивная зона, откуда отбирается горячая вода, пароводяная смесь или влажный пар и зона обратной закачки отработанного теплоносителя (зона реинжекции). Геотермальный теплоноситель направляется вверх по стволу продуктивных скважин в систему сбора и использования теплоносителя (сепараторы) и далее на ГеоЭС в паровую турбину для выработки электроэнергии. Отработанный теплоноситель в виде конденсата пара, а также отделения от пара в сепараторах (сепарат) заканчиваются обратно в геотермальный резервуар для обеспечения замкнутого контура циркуляции.
3.Особенности оборудования ГеоЭС
Особенности физико-химических свойств геотермального теплоносителя, повышенное содержание минеральных примесей являются причинами ряда технических проблем, которые необходимо решать при проектировании и изготовлении геотермального энергетического оборудования. Прежде всего это опасность коррозионно-эрозионного воздействия на материал основного и вспомогательного оборудования и солеотложения в проточных частях турбин, трубопроводах и скважинах реинжекции.
Сепараторы пара для ГеоЭС
На ГеоЭС в мире наиболее распространены вертикальные циклонные сепараторы. Сепаратор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд диаметром 1,5 - 2,5 м и высотой 5-12 м. Пароводяная смесь подается в него тангенциально в нижнюю половину корпуса. За счет центробежных сил в закрученном потоке жидкая фракция и твердые частицы концентрируются в пристеночном пространстве, в то время как центр сосуда заполнен чистым паром. Пар отводится из верхней части сепаратора через центральную трубу, а отсепарированная вода - через патрубок в нижней части корпуса. Циклонные сепараторы имеют невысокую эффективность (влажность пара на выходе может достигать 1%), которая очень сильно зависит от режимных параметров: расхода и давления пара, влагодержания ПВС, уровня жидкости в сепараторе и др.
В практике эксплуатации ГеоЭС для компенсации недостаточной эффективности циклонных сепараторов нередко используют сепарирующую способность длинных трубопроводов от сепараторов к турбине. Влага с содержащимися в ней солями, двигаясь в паровом потоке, оседает на стенках трубопровода в виде пленки и дренеруется по длине трубы. Такой способ очистки, безусловно, снижает солесодержание пара перед турбиной, однако является неконтролируемым и не может в полной мере обеспечить надежную работу турбин.
Разработанные в АО «Наука» при участии научно-учебного центра МЭИ и ВНИИАМ и изготавливаемые ОАО «ЗиО - Подольск» высокоэффективные (влажность пара на выходе составляет не более 0,05%) сепараторы, расширители и паросборники являются принципиально новыми сепараторами горизонтального типа, в основу создания которых положен опыт проектирования подобных устройств в ядерной энергетике. В этих сепараторах наряду с центробежным способом разделения фаз основным используемым механизмом, обеспечивающим высокую эффективность сепарации, является механизм гравитационного осаждения жидких частиц.
Корпус сепаратора гравитационного типа представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд, ПВС к которому подводится радиально в одной или нескольких точках по длине цилиндра. Выбранный диаметр обечайки сепаратора (2,4 м) позволяет за счет увеличения его длины создать серию аппаратов различной производительности.
Первичное грубое разделение фаз в сепараторе происходит с помощью отбойного щита за счет центробежных сил при изменении направления движения потока. Затем влага отделяется в каналах сепарационного жалюзийного щита за счет многократного изменения направления потока и, наконец, в паровом объеме над сепарационным щитом путем гравитационного осаждения мелких капель влаги.
В верхней части парового объема, перед выходом осушенного пара, установлен дырчатый успокоительный лист для аэродинамического выравнивания потока.
Для ускорения ремонта и очистки деталей сепарационного щита он выполнен из легкосъемных секций, которые могут быть извлечены наружу через специальные люки-лазы.
В отличие от сепараторов циклонного типа, которые, как правило, снабжаются отдельным сепараторосборником и поплавковым предохранительным клапаном, в данном сепараторе все устройства размещены в едином корпусе. Поплавковый клапан, расположенный в выпускном патрубке, предназначен для предотвращения заброса воды в турбину при аварийном подъеме уровня сепарата. Несмотря на то, что сепараторы снабжены специальными устройствами автоматического регулирования уровня и аварийного сброса сепарата при достижении уровня ниже сепарационного щита, такая дополнительная мера предосторожности представляется обоснованной, так как залповый заброс воды в проточную часть турбины при переполнении сепаратора может привести к ее разрушению. В случае аварийного заполнения сепаратора водой полый клапан, выполняющий роль поплавка, всплывает и перекрывает выход пара из сепаратора. Давление в сепараторе при этом повышается и происходит срабатывание разрывных мембран и предохранительных клапанов, которые сбрасывают кипящую воду в атмосферный шумоглушитель.
При большей эффективности влагоудаления, разработанные в России горизонтальные гравитационные сепараторы, превосходят зарубежные циклонные устройства по таким показателям, как компактность и металлоемкость.
Производительность горизонтальных сепараторов может быть легко увеличена при изменении длины сосуда. Режим работы сепараторов выбирается таким, образом, чтобы при номинальном расходе влажность пара на выходе не превышала 0,05%.
Особые требования, предъявляемые к чистоте поступающего в турбину пара, определяются тем, что примеси, содержащиеся в нем, оседают в проточной части и приводят к снижению ее экономичности. Кроме того, возникает опасность коррозионно-эрозионного воздействия на металл турбины и другого оборудования. Значительного снижении количества примесей в паре можно достичь с помощью двухступенчатой системы сепарации с промывкой пара чистым конденсатом в сепараторе 2-й ступени. Чистый конденсат пара, отбираемый из проточной части турбины, подается во вторичный сепаратор на промывочное устройство. Промывка пара происходит путем его барботирования через слой чистого конденсата. При этом остаточные соли, содержащиеся в паре, растворяются в промывочной воде, и таким образом снижается его минерализация.
4.Перспективы развития геотермальной энергетики в России
геотермальный теплоноситель энергетика электростанция
Россия наряду с огромными ресурсами органического топлива, традиционно использующимися для выработки тепла и электроэнергии, располагает также значительными запасами тепла Земли. Современное развитие геотермальной энергетики в стране позволяет сегодня в ряде отдельных регионов по-новому решать проблему тепло- и электроснабжения за счет использования геотермальных ресурсов.
Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла Земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический.
Практически на всей территории России имеются термальные воды температурой 30-40 оС, что позволяет с помощью тепловых наосов обеспечить отопление и горячее водоснабжение жилых и производственных зданий. В ряде районов, таких как Северный Кавказ, Калининградская область, Чукотка, Приморье, Тюмень, Омская область и Забайкалье, имеются термальные воды, температура которых достигает 100-120 оС, что позволяет напрямую использовать их для теплоснабжения, а в отдельных районах (на Камчатке и Курильских островах) температура теплоносителя геотермальных резервуаров достигает 300 оС, что дает возможность выработки электроэнергии на ГеоЭС с использованием геотермального пара. По данным института Вулканологии и Сейсмологии Дальневосточного отделения РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электроэнергией и теплом более чем на 100 лет.
Заключение
геотермальный теплоноситель энергетика электростанция
Запасы геотермальной теплоты в 35 млрд. раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа. Однако сегодня может быть использована лишь незначительная часть этих ресурсов, и это обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время, накоплен немалый опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) равнялась: 1975 г. - 1 278 МВт, в 1990 году - 7 300 МВт. Наибольшего прогресса в этом вопросе достигли США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.
В Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг. глобальное выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.
В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.