6.2. Схемы геотермальных энергоустановок
Способы получения энергии на ГеоТЭС
Геотермальная электростанция (ГеоЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.
Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:
♦ прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединенные 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.
Паротурбинные геотермальные энергоустановки
В качестве преобразователей тепловой энергии геотермального теплоносителя в техническую работу в настоящее время могут использоваться паротурбинные и турбокомпрессорные энергоустановки. Каждая энергоустановка имеет как ряд преимуществ, так недостатков, которые будут рассмотрены ниже (отмечает Дорош И.А. на www.renewable.com.ua).
При прямой схеме геотермальный теплоноситель в виде пара из скважины направляется по трубам непосредственно в турбину. После турбины сконденсировавшаяся вода и не сконденсировавшийся пар идут для теплофикации.
При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от агрессивных (сильно коррозирующих) газов.
При смешанной схеме неочищенный природный пар поступает в турбину, а затем из сконденсировавшейся воды удаляются не растворившиеся в ней газы.
При добыче геотермального теплоносителя в жидком виде (гидротермы), паротурбинные установки выполняются:
♦ одноконтурными;
♦ двухконтурными.
В одноконтурных установках, выполняемых по закрытой и открытой (с противодавлением) схемам, рабочим телом турбины служит пар. Он получается непосредственно из геотермального теплоносителя путем его расширения в специальных расширителях — сепараторах. Они еще называются парогенераторами.
При заданных параметрах геотермального теплоносителя одноконтурные паротурбинные установки позволяют получать рабочее тело — пар более высоких параметров, чем в двухконтурных установках. При этом уменьшаются капитальные затраты и увеличивается удельная мощность — турбины (мощность, отнесенная к единице расхода геотермального теплоносителя). Принципиальная схема установки изображена на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Принципиальная тепловая схема паротурбинной геотермальной установки с одноступенчатым расширением теплоносителя
При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температур Т и давлении Р из эксплуатационной скважины направляется в грязеотделитель (на схеме не отмечен), в котором отделяются и сбрасываются посторонние механические примеси.
Пройдя далее через систему электромагнитной защиты от солеотложения, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор, который состоит из двух ступеней. В первой ступени поддерживается такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только нерастворенные газы, в том числе и углекислый газ, удаляемые из дегазатор через сбросной клапан в атмосферу или для промышленного использования. Так как нерастворенный углекислый газ не оказывает влияния на углекислотное равновесие, то в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается.
После первой ступени дегазатора геотермальная вод направляется во вторую ступень, где за счет снижения давления из воды выделяются растворенный газ и соли кальция. Давление во второй ступени дегазатора поддерживается таким, чтобы из воды выделялась большая часть солей кальция, в частности для Каясулинского месторождения оно принято около 0,71 МПа. Выделяющиеся соли вместе с водой поступают в осветлитель, где за счет специально организованного движения потока они отделяются, оседают на дно и в дальнейшем удаляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода подается в парогенератор, где расширяется в изоэнтальпийном процессе до давления Рр и температуры Тр. В результате этого часть ее превращается в пар.
Здесь же, в парогенераторе, производится разделение теплоносителя на жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу и накачивается в нагнетательную скважину, а пар подается в турбину. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.
В турбине пар расширяется в политропном процессе, преобразуя свою потенциальную энергию в техническую работу, которая с помощью электрогенератора преобразуется в. электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь поступает в конденсатор, где конденсируется в изотермическом процессе за счет передачи теплоты охлаждающей воде, которая подается насосом из градирни. Образовавшаяся при этом вода удаляется из конденсатора насосом и подается либо в нагнетательную скважину, либо используется для других целей.
Несмотря на большой прогресс и положительные результаты в решении проблемы солеотложения на поверхностях теплообменного оборудования и трубопроводах геотермального теплоносителя, пока еще нет четких отработанных технологий его использования в одноконтурных паротурбинных энергоустановках. В этой связи предпочтительны двухконтурные паротурбинные установки, которые лишены этого недостатка. Правда, использование двухконтурных паротурбинных установок снижает параметры пара рабочего тела на входе в турбину, что ведет к снижению удельной мощности и КПД, существенно увеличивая капитальные затраты и расходы на эксплуатацию ГеоТЭС.
Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки
Турбокомпрессорные геотермальные установки могут работать по закрытому и открытому циклам, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
В установках закрытого цикла газовая составляющая парогазового потока циркулирует по закрытому контуру. Поэтому при ее выборе руководствуются максимальной термодинамической эффективностью цикла.
В установках открытого цикла парогазовый поток непрерывно выбрасывается в атмосферу. Поэтому в качестве газовой составляющей здесь используется только воздух.
Процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках
Как сказано выше, что для получения максимальной работы, а, следовательно, и максимальной эффективности паротурбинной геотермальной установки необходимо расширение геотермальной воды до вполне определенной температуры.
Введение многоступенчатого расширения геотермального теплоносителя, не позволяет добиться существенного сокращения потерь с уходящей из парогенератора водой. Не дает возможность снизить эти потери в должной мере и применение в цикле паротурбинной установки в качестве рабочего тела низкокипящего вещества.
Таким образом, в геотермальной энергоустановке с паротурбинным преобразователем энергии на генерацию рабочего тела (пара) отводится меньшая часть тепловой энергии геотермального теплоносителя, причем эта часть тем меньше, чем ниже температура геотермального теплоносителя.
Учитывая, что большинство самоизливающихся источников имеет температуру теплоносителя около 373 К, а проекты скважин рассчитаны на температуру около 423–473 К (например, температура воды на выходе из скважины ПЦС Каясулинского месторождения составляет 110 К), потери теплоты со сбрасываемой водой требуют существенного сокращения (отмечает Дорош И.А. на www.renewable.com.ua).
Один из способов уменьшения этих потерь описан ниже. Согласно этому способу, пар из насыщенной воды генерируется не в «чисто» паровой среде, а в газовом (воздушном) потоке. Если предварительно нагретую жидкость подать в диспергированном виде в газовый ненасыщенный поток высокого давления, как показано на рис. 6.3, то по закону равновесного состояния парогазожидкостных смесей, капли жидкости под действием движущихся сил теплового и массового обмена начнут охлаждаться, стремясь к температуре термодинамического равновесия, которой является температура мокрого термометра. Выделяющаяся при этом теплота расходуется на парообразование.
Рис. 6.3. Противоточное (а) и попутное (б) движения воды и газа в контактном теплообменном аппарате
При генерации пара в газовом потоке, вода охлаждается температуры термодинамического равновесия, которая значительно ниже температуры насыщения при том же давлении среды. Это позволяет существенно повысить температурный перепад воды, срабатываемый в парогенераторе, и соответственно увеличить количество генерируемого пара, что способствует более высокой эффективности турбокомпрессорных геотермальных установок по сравнению с паротурбинными.
Установки закрытого цикла
Принципиальная схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла изображена на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной установки закрытого цикла
При работе установки парогазовый поток с высоким паросодержанием поступает в конденсатор, куда с другой стороны насосом из градирни подается охлаждающая вода. При их контакте вследствие конденсации парогазовый поток осушивается, и с малым паросодержанием направляется в компрессор. Там он сжимается в политропном процессе за счет подведенной от турбины работы. При этом паросодержание потока остается постоянным, но его относительная влажность уменьшается.
После компрессора сжатый газ при давлении Р2 и температуре Т2 поступает в нижнюю часть парогенератора. А в верхнюю часть парогенератора во встречном направлении газовому потоку насосом в диспергированном виде подается цикловая вода, предварительно подогретая в теплообменнике геотермальным теплоносителем, подаваемым из эксплуатационной скважины. После теплообменника геотермальный теплоноситель насосом направляется в нагнетательную скважину.
В отличие от одноконтурных паротурбинных геотермальных установок в рассматриваемой турбокомпрессорной установке нет необходимости в процессе дегазации геотермального теплоносителя для уменьшения содержания несконденсировавшихся газов в конденсаторе и стабилизации рассола.
Здесь, подобно двухконтурным установкам, процесс передачи теплоты от геотермального теплоносителя в теплообменнике может осуществляться без понижения его давления. Это исключает нарушение углекислого равновесии, а, следовательно, и выпадение солей.
Для повышения КПД установки на выходе из теплообменника можно установить дегазатор. В этом случай выделившийся газ направляется в парогенератор и служит источником дополнительного рабочего тела цикла, на которое не затрачивается работа сжатия.
Одновременно он вместе с цикловым газом создает газовую среду для испарения жидкости. Правда, в этом случае часть циклового газа необходимо постоянно выбрасывать атмосферу для поддержания материального баланса, причем цикловой газ по составу должен быть идентичным газу, содержащемуся в геотермальной воде.
Установки открытого цикла
Турбокомпрессорная геотермальная установка закрытого цикла, рассмотренная выше, позволяющая значительно снизить потери теплоты за счет недоохлаждения воды в парогенераторе. Однако она обладает рядом крупных недостатков, которые препятствуют ее реализации. Эти недостатки, связанные со сложностью конструкции и низкими значениями полезной удельной работы, устраняются в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла.
В качестве холодного источника в этих установках используется окружающая атмосфера, поэтому они не требуют конденсатора и градирни с обслуживающими их агрегатами. Кроме того, турбокомпрессорные установки открытого цикла не нуждаются в специальных регулирующих устройствах, поддерживающих заданную массу несконденсировавщегося газа в цикле. Это необходимо для установок закрытого цикла. А их тепловая схема позволяет в полной мере использовать газ, содержащийся в геотермальном теплоносителе, что существенно повышает эффективность использования геотермальной энергии.
Безусловно, реализация турбокомпрессорной установки открытого цикла связана с основной сложностью непосредственного использования минерализованных геотермальных вод в цикле, заключающейся в трудности удаления солеотложений.
Однако последние научные исследования, выполненные в этом направлении, показывают, что процесс генерации пара в турбокомпрессорных установках за счет соответствующего повышения давления за компрессором можно производить без нарушения углекислотного равновесия геотермального теплоносителя.
Это позволяет избежать выпадения солей кальция и магния, создающих основную минерализацию воды.
Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла изображена на рис. 6.5.
Рис. 6.5. Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной установки открытого цикла
Воздух непосредственно из атмосферы (холодного источника) забирается компрессором, сжимается и поступает в парогенератор, куда с другой стороны из эксплуатационной скважины подается геотермальная вода. При контакте газообразной и жидкой фаз, по описанной выше схеме, происходит насыщение воздуха паром за счет охлаждения воды. Одновременно при этом паровоздушная смесь разбавляется газом, выделяющимся из геотермальной воды вследствие понижения ее давления.
Охлажденная в парогенераторе вода забирается насосом и направляется в скважину. Полученная паровоздушная смесь направляется в турбину, где, расширяясь, выполняет техническую работу и далее направляется в окружающую атмосферу, отдавая теплоту холодному источнику.
Процессы сжатия потока в компрессоре, генерации пара и расширения в турбине идентичны с процессами турбокомпрессорной установки закрытого цикла и совершаются в агрегатах установки. А вот процесс передачи теплоты холодному источнику (окружающей среде) совершается за пределами установки. Это исключает необходимость в конденсаторе и обслуживающих его элементах (градирне и насосах охлаждающей воды), не требуя холодного источника с жидким рабочим телом.
Существенные отличия рассматриваемых установок— в возможностях использования потенциальной энергии газа, содержащегося в геотермальной воде и выделяющегося при расширении в парогенераторе или в специально предназначенном для этой цели дегазаторе.
В установках закрытого цикла этот газ должен удаляться из цикла, как уже упоминалось выше, для поддержания в нем постоянного расхода несконденсировавшегося рабочего тела. Поэтому, расширяясь в турбине, он совершает полезную работу. Но затем при отсосе из конденсатора и сжатии его до атмосферного давления для возможности удаления в окружающую среду, требует затрат полезной работы, т. е. компенсации.
Использование же потенциальной энергии газа, выделяющегося из геотермальной воды, в турбокомпрессорных геотермальных установках открытого цикла не требует компенсации и является «чистой» добавкой работе, совершаемой паром.
Из рассмотренного следует, что турбокомпрессорная геотермальная установка открытого цикла аналогично установке закрытого цикла позволяет значительно глубже использовать теплоту геотермальной воды по сравнению с паротурбинной установкой.
Одновременно она обладает намного меньшей сложностью и металлоемкостью, а использование в качестве холодного источника атмосферы обещает, ей хорошую перспективу как тепловому двигателю, т. е. преобразователю геотермальной энергии воды в механическую работу.