 |
Лабораторная работа №7 Изучение принципа действия и конструкций геотермальных электростанций
|
|
|
|
Цель работы:
Познакомить студентов с технологическим оборудованием современных геотермальных электростанций. Изучить их технологическую схему, конструктивные особенности. Дать информацию о схемах работы геотермальных электростанциях.
1 Теоретические сведения
В глубинных недрах Земли таятся огромные запасы теплоты, которые для практической деятельности человека можно считать неисчерпаемыми. Это очень дешевый и экологически безвредный вид первичной энергии.
Подсчитано, что суммарная тепловая энергия, сосредоточенная в недрах Земли, намного превышает запасы всех органических топлив. Общие ресурсы природной теплоты Земли, которые при современном техническом уровне можно непосредственно использовать в народном хозяйстве, определяются по существу запасами горячих подземных вод. Эти воды принято делить на термальные (горячие), имеющие температуру до 100°С, и так называемые парагидротермы—перегретые воды с температурой, превышающей 100 °С.
В РФ выявлено более 60 крупных геотермальных районов, содержащих горячие и перегретые воды, которые экономически целесообразно использовать в народном хозяйстве. Общее представление о запасах этих вод и их распределении по территории РФ дает таблица 1. В ней указаны запасы вод, которые имеют температуру 40—200 °С и минерализацию до 10 г/л. Общие потенциальные геотермальные ресурсы при минерализации до 35 г/л составляют для тех же районов 19, 75-106 м3/сут, что эквивалентно экономии 50, 0 млн. т. топлива, подсчитанной при температурном перепаде, равном 35 °С, и к. п. д. котельной установки 70 %.
В масштабе отдельных наиболее перспективных районов по запасам горячих подземных вод экономия топлива, как это видно из табл. 1, может оказаться очень внушительной, что и определяет актуальность проблемы их промышленного использования. Эта проблема в нашей стране еще находится в начальной стадии ее решения, хотя опыта использования горячих подземных вод для различных хозяйственных целей накопилось немало.
|
|
|
В настоящее время ресурсы горячих подземных вод (будем далее для сокращения называть их термальными) используются в народном хозяйстве, главным образом, для коммунально-бытовых (отопление и снабжение горячей водой), парниково-тепличных и бальнеологических целей.
Наибольшую ценность для энергетики и теплоснабжения, естественно, представляют те воды, которые имеют большую температуру и пониженную минерализацию, что имеет исключительно важное значение в борьбе с коррозией и отложением солей на стенках оборудования.
В земной коре термальные воды обычно залегают на больших глубинах (более 1000 м ниже пояса распространения пресных подземных вод). Считается, что в среднем через каждые 30—40 м проникновения в глубь земли температура вод повышается на 1 °С. У нас в стране исключение составляют районы молодой вулканической деятельности (Камчатка, Курильские острова), где термальные источники залегают на глубине 200—300 м, а нередко выходят на поверхность в виде горячих пароводяных ключей.
На Камчатке известно более 100 естественных выходов термальных вод высоких параметров, в том числе открытая в 1941 г. знаменитая Долина Гейзеров, расположенная на территории Кроноцкого заповедника. Гейзер Великан, находящийся в этой долине, выбрасывает пароводяную смесь температурой более 100 °С на высоту до 300 м. Камчатские источники отличаются не только высокой температурой (170—200 °С), но и характеризуются относительно низкой минерализацией (0, 6— 5, 0 г/л).
На Курильских островах привлекают к себе внимание два крупных месторождения высокотермальных вод: на островах Кунашир и Панамушир. Начались исследования возможности использования в энергетических целях термальных вод обширного Западно-Сибирского бассейна (площадь 3 млн. км2). В хозяйственных и бальнеологических целях эти воды уже находят применение в Тюмени, Омске, Тобольске, Тары и др. Большие запасы высокотермальных вод (температура более 100 °С) сосредоточены на глубине 1500 м под Москвой.
|
|
|
Таблица 1 - Распределение запасов экономически целесообразных для практического использования горячих подземных вод
Использование термальных вод для производства электроэнергии основывается на идее исключить из общей технологической цепи ТЭС элемент котельной установки. По существу геотермальная ТЭС (ГеоТЭС) ничем не отличается от обычной ТЭС, за исключением отсутствия в ней котельного цеха. Геотермальные электростанции не нуждаются в топливе, а следовательно, отпадает надобность в его транспортировке, создании котельного цеха, топливоподготовительных установок, подъездных путей и складов. На таких электростанциях не может быть нехватки энергоресурсов и при надлежащей, готовности оборудования всегда можно получить полную установленную мощность. Они практически чисты в экологическом плане, легко автоматизируются, последствия самых тяжелых аварий на них ограничиваются только зоной самой станции. Себестоимость электроэнергии и удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности здесь обычно ниже, чем на любых других современных электростанциях. Все это делает геотермальные электростанции особенно ценными в местах, богатых термальными источниками и бедных другими энергоресурсами.
На рисунке 1 представлена схема ГеоТЭС с конденсационной турбиной и паропреобразователем, используемая для вулканических районов, т. е. таких, где природные термальные воды представляют собой по существу пар с высокой температурой и большим содержанием газов. Природный пар из скважин поступает в паропреобразователь, где нагревает вторичный теплоноситель (пар), идущий в турбину. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор.
Газы, находящиеся в природном паре, отделяются в паропреобразователе и используются либо для теплоснабжения, либо в качестве сырья на химических заводах. Возможность утилизации химических веществ, содержащихся в природном паре, является существенным достоинством этой схемы.
|
|
|
Разработаны схемы ГеоТЭС с непосредственным использованием термальных вод. В одной из них конденсационная турбина работает на отсепарированном паре, для чего в схему вводится сепаратор, разделяющий пароводяную смесь на пар и воду, при этом поступающий в турбину пар практически не содержит газов.
Рис. 1 - Схема геотермальной ТЭС
1 — скважина; 2 — паропреобразователь; 3 — турбина; 4 — генератор; 5— конденсатор; 6 — вакуумный насос; 7 — градирня; 8 — насос; 9 — дегазатор; 10 — сброс.
В 1967 г. в долине р. Паужетке вблизи вулканов Кошелева и Камбального, в 35 км от побережья Охотского моря, была построена первая в СССР опытно-промышленная геотермальная тепловая электростанция.
Две турбины этой ГеоТЭС мощностью по 2500 кВт каждая работают на отсепарированном паре (рис. 2). Горячая вода с температурой 100—110 °С используется для теплоснабжения, а излишки сбрасываются в реку. Для удаления газов из конденсаторов 6 установлены водоструйные эжекторы 7 с расходом воды 800—900 м3/ч. Станция полностью автоматизирована.
Разработан и внедрен проект ГеоТЭС мощностью 300 МВт на Авачинской сопке. Исследуются для энергетического и хозяйственного использования другие месторождения термальных вод на Камчатке.
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 — трубопроводы холодной воды.
Рис. 2 - Схема Паужетской геотермальной ТЭС
Подсчитано, что только по 10 наиболее перспективным источникам термальных вод высоких параметров на Камчатке выносится такое количество теплоты, которое эквивалентно ежесуточному сжиганию 200 тыс. т. каменного угля. Только поверхностные термоисточники могли бы обеспечить мощность электростанций в 150 МВт.
|
|
|
Вместе с тем изыскиваются новые технические решения использования термальных вод низких параметров для получения электроэнергии. Представляет интерес сооруженная в 1968 г. на базе Паратунских термальных источников первая в мире геотермальная фреоновая электростанция. Схема использования термальной воды в этом случае сводится к следующему. Вода температурой 80 °С поступает из скважины в теплообменник, в другом контуре которого находится фреон-12. Пары фреона-12 (температура кипения около 30 °С) из теплообменника попадают в турбину и, отработав в ней, переходят в холодильник, где конденсируются в жидкий фреон, который насосом вновь направляется в теплообменник.
Вместо фреона иногда используется изобутан, который позволяет получить более высокие параметры электростанции. В США вступила в строй изобутановая турбина мощностью 9 МВт с частотой вращения ротора 7000 об/мин.
Подземную теплоту верхних слоев земной коры можно использовать и при отсутствии термальных вод. В этом отношении интересное предложение разработано в Ленинградском горном институте. Идея его состоит в том, чтобы при вскрытии скважинами очага сильно нагретых горных пород «теплового котла» получить горячую воду путем искусственного нагнетания холодной воды через приемную скважину и после нагрева, т. е. теплообмена, извлечь термальную воду с помощью водозаборной скважины.
2 Порядок выполнения работы
1. Изучить схему геотермальной ТЭС.
2. Познакомиться со схемой Паужетской геотермальной ТЭС.
3. Познакомиться с принципом функционирования геотермальной ТЭС.
4. Составить отчет по лабораторной работе.
3 Содержание отчета
1. Отчет должен содержать краткое описание изучаемого технологического оборудования и установок.
2. Описания работы технологических установок и схем.
3. Чертежи технологических схем и оборудования.
|
|
|
