Binaarset tüüpi geotermilise elektrijaama soojusskeemi arvutamine. Maasoojusenergia: tehnoloogiad ja seadmed. Kirjandus iseõppimiseks
Loengu eesmärk: näidata maasoojuse kasutamise võimalusi ja viise elektrivarustussüsteemides.
Kuumaveeallikate ja geisrite kujul olevat soojust saab geotermilistes elektrijaamades (GeoPP) kasutada erinevate skeemide järgi elektri tootmiseks. Kõige hõlpsamini rakendatav skeem on skeem, mis kasutab madala keemistemperatuuriga vedelike paari. Looduslikest allikatest pärit kuum vesi, kuumutades sellist vedelikku aurustis, muudab selle auruks, mida kasutatakse turbiinis ja mis toimib voolugeneraatori ajamina.
Joonis 1 näitab tsüklit ühe töövedelikuga, näiteks vee või freooniga ( a); tsükkel kahe töövedelikuga - vesi ja freoon ( b); otsene aurutsükkel ( sisse) ja kaheahelaline tsükkel ( G).
Elektrienergia tootmise tehnoloogiad sõltuvad suuresti termaalvee soojuspotentsiaalist.
Pilt. 1 – näited elektritootmise tsüklikorraldusest:
I - maasoojusallikas; II - turbiini tsükkel; III - jahutusvesi
Suure potentsiaaliga ladestused võimaldavad kasutada auruturbiinidega soojuselektrijaamade praktiliselt traditsioonilise konstruktsiooniga.
Tabel 1 - Spetsifikatsioonid geotermilised elektrijaamad
Joonis 2 näitab kõige rohkem lihtne vooluring väike elektrijaam (GeoES), mis kasutab kuuma maa-aluse allika soojust.
Kuumaveeallika vesi, mille temperatuur on umbes 95 ° C, pumbatakse pumba 2 abil gaasieemaldusseadmesse 3, kus selles lahustunud gaasid eraldatakse.
Järgmisena siseneb vesi aurustisse 4, milles see muundub küllastunud auruks ja veidi ülekuumenenud auru kuumuse tõttu (abikatlast), mis on eelnevalt kondensaatori ejektoris välja lastud.
Kergelt ülekuumendatud aur töötab küll turbiinis 5, mille võllil on voolugeneraator. Heitgaasi aur kondenseerub kondensaatoris 6, mida jahutatakse normaaltemperatuuril veega.
Joonis 2-. Väikese GeoPP skeem:
1 - vastuvõtja kuum vesi; 2 - kuumaveepump; 3 - gaasieemaldaja;
4 - aurusti; 5 - voolugeneraatoriga auruturbiin; 6 - kondensaator; 7 - tsirkulatsioonipump; 8 - jahutusvee vastuvõtja
Sellised lihtsad paigaldised töötasid Aafrikas juba 1950. aastatel.
Kaasaegse elektrijaama jaoks on ilmselge konstruktsioonivariant madala keemistemperatuuriga tööainega geotermiline elektrijaam, mis on näidatud joonisel 3. Kuum vesi akumulatsioonipaagist siseneb aurustisse 3, kus see annab oma soojuse mõnele madalale ainele. keemispunkt. Sellised ained võivad olla süsihappegaas, erinevad freoonid, väävelheksafluoriid, butaan jne. Kondensaator 6 on segamistüüp, mida jahutatakse pinnaõhujahutist tuleva külma vedela butaaniga. Osa kondensaatorist pärinevast butaanist suunatakse toitepumba 9 abil kütteseadmesse 10 ja seejärel aurustisse 3.
Selle skeemi oluliseks tunnuseks on võimalus töötada talvel madala kondensatsioonitemperatuuriga. See temperatuur võib olla nullilähedane või isegi negatiivne, sest kõigil loetletud ainetel on väga madal külmumistemperatuur. See võimaldab oluliselt laiendada tsüklis kasutatavaid temperatuuripiiranguid.
Pilt 3. Madal keeva tööainega geotermilise elektrijaama skeem:
1 - kaev, 2 - akumulatsioonipaak, 3 - aurusti, 4 - turbiin, 5 - generaator, 6 - kondensaator, 7 - tsirkulatsioonipump, 8 - pinna õhujahuti, 9 - toitepump, 10 - töökeskkonna kütteseade
Maasoojus elektrijaam koos otsene kasutades looduslik aur.
Lihtsaim ja soodsaim geotermiline elektrijaam on vasturõhuga auruturbiin. Looduslik aur kaevust juhitakse otse turbiini ja seejärel eraldub atmosfääri või seadmesse, mis kogub väärtuslikke kemikaale. Vasturõhuturbiini saab varustada sekundaarauruga või separaatorist saadava auruga. Selle skeemi järgi töötab elektrijaam ilma kondensaatoriteta ning kondensaatoritest mittekondenseeruvate gaaside eemaldamiseks pole vaja kompressorit. See paigaldus on kõige lihtsam, selle kapitali- ja tegevuskulud on minimaalsed. See võtab enda alla väikese ala, ei vaja peaaegu mingeid abiseadmeid ja seda saab hõlpsasti kohandada teisaldatavaks geotermiliseks elektrijaamaks (joonis 4).
Joonis 4 - Loodusauru otsese kasutamisega geotermilise elektrijaama skeem:
1 - kaev; 2 - turbiin; 3 - generaator;
4 - väljapääs atmosfääri või keemiatehasesse
Vaadeldav skeem võib saada kõige tulusamaks nendes piirkondades, kus on piisavalt loodusliku auru varusid. Ratsionaalne tegutsemine annab võimaluse tõhus töö selline paigaldus isegi muutuva kaevu voolukiirusega.
Itaalias on selliseid jaamu mitu. Ühel neist on võimsus 4 tuhat kW konkreetse aurukulu juures umbes 20 kg / s või 80 t / h; teine võimsusega 16 tuhat kW, kuhu on paigaldatud neli turbogeneraatorit võimsusega 4 tuhat kW igaüks. Viimast varustatakse auruga 7–8 kaevust.
Geotermiline elektrijaam kondensatsiooniturbiini ja loodusliku auru otsese kasutamisega (Joonis 5) on kõige kaasaegsem elektrienergia tootmise skeem.
Kaevust saadav aur juhitakse turbiini. Turbiinis kulutatud, siseneb see segamiskondensaatorisse. Turbiinis juba ammendatud jahutusvee ja aurukondensaadi segu juhitakse kondensaatorist maa-alusesse mahutisse, kust see võetakse tsirkulatsioonipumpade abil ja suunatakse jahutamiseks jahutustorni. Jahutustornist siseneb jahutusvesi uuesti kondensaatorisse (joonis 5).
Selle skeemi järgi, mõningate muudatustega, töötavad paljud geotermilised elektrijaamad: Larderello-2 (Itaalia), Wairakei (Uus-Meremaa) jne.
Ulatus kaheahelalised elektrijaamad madala keemistemperatuuriga töötavatel ainetel (freoon-R12, vee-ammoniaagi segu) on termaalvee soojuse kasutamine temperatuuriga 100 ... 200 ° C, samuti eraldatud vee kasutamine auruhüdrotermide hoiustes.
Joonis 5 - Kondensatsiooniturbiini ja loodusliku auru otsese kasutamisega geotermilise elektrijaama skeem:
1 - kaev; 2 - turbiin; 3 - generaator; 4 - pump;
5 - kondensaator; 6 - jahutustorn; 7 - kompressor; 8 - lähtestamine
Kombineeritud elektri- ja soojusenergia tootmine
Elektri- ja soojusenergia kombineeritud tootmine on võimalik geotermilistes soojuselektrijaamades (GeoTPP).
Vaakumtüüpi GeoTPP lihtsaim diagramm kuuma vee soojuse kasutamiseks temperatuuriga kuni 100 ° C on näidatud joonisel 6.
Sellise elektrijaama töö toimub järgmiselt. Kuum vesi kaevust 1 siseneb akumulatsioonipaaki 2. Paagis vabastatakse see selles lahustunud gaasidest ja suunatakse paisutisse 3, milles hoitakse rõhku 0,3 atm. Sellel rõhul ja temperatuuril 69 ° C muutub väike osa veest auruks ja suunatakse vaakumturbiini 5 ning ülejäänud vesi pumbatakse pumba 4 abil soojusvarustussüsteemi. Turbiinist väljuv aur juhitakse välja segamiskondensaatorisse 7. Kondensaatorist õhu eemaldamiseks paigaldatakse vaakumpump 10. tühjenemisest tingitud raskusjõu toimel.
Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP võimsusega 12 MW (3x4 MW) on 200 MW projekteerimisvõimsusega Mutnovskaja GeoTPP pilootetapp, mis on loodud Petropavlovski-Kamtšatski tööstuspiirkonna varustamiseks elektriga.
Joonis 6 -. Ühe laiendajaga vaakum-GeoTPP skeem:
1 - kaev, 2 - akumulatsioonipaak, 3 - paisutaja, 4 - kuumaveepump, 5 - vaakumturbiin 750 kW, 6 - generaator, 7 - segukondensaator,
8 - jahutusveepump, 9 - ventilaatori jahutustorn, 10 - vaakumpump
Paužetskaja geotermilise elektrijaama (Kamtšatkast lõuna pool) võimsusega 11 MW auruturbiinid kasutavad geotermilistest puurkaevudest saadud auru-vee segust ainult eraldatud geotermilist auru. Kudevasse Ozernaja jõkke juhitakse suur kogus geotermilist vett (umbes 80 PVA kogutarbimisest) temperatuuriga 120 °C, mis ei põhjusta mitte ainult geotermilise jahutusvedeliku termilise potentsiaali kadumist, vaid ka oluliselt. halvendab jõe ökoloogilist seisundit.
Soojuspumbad
Soojus pump- seade soojusenergia ülekandmiseks madala temperatuuriga madala kvaliteediga soojusenergia allikast kõrgema temperatuuriga soojuskandja tarbijale. Termodünaamiliselt on soojuspump ümberpööratud külmutusmasin. Kui külmutusmasinas on põhieesmärk külma toota, võttes aurustiga suvalisest mahust soojust ja kondensaator juhib soojust keskkonda, siis soojuspumbas on olukord vastupidine (joonis 7). Kondensaator on soojusvaheti, mis toodab tarbijale soojust, ja aurusti on soojusvaheti, mis kasutab madala kvaliteediga soojust, mis asub reservuaarides, pinnases, reovees jms. Sõltuvalt tööpõhimõttest jagunevad soojuspumbad surve- ja neeldumispumbad. Kompressioonsoojuspumpasid käitab alati elektrimootor, samas kui absorptsioonsoojuspumbad saavad energiaallikana kasutada ka soojust. Kompressor vajab ka madala kvaliteediga soojusallikat.
Töötamise ajal tarbib kompressor elektrit. Toodetud soojusenergia ja tarbitud elektrienergia suhet nimetatakse transformatsioonisuhteks (või soojuse muundamise koefitsiendiks) ja see on soojuspumba efektiivsuse näitaja. See väärtus sõltub aurusti ja kondensaatori temperatuuritasemete erinevusest: mida suurem on erinevus, seda väiksem on see väärtus.
Kõrval jahutusvedeliku tüüp sisend- ja väljundahelates on pumbad jagatud kuueks tüübiks: "põhjavesi", "vesi-vesi", "õhk-vesi", "maa-õhk", "vesi-õhk", "õhk-õhk" .
Mullaenergia kasutamisel soojusallikana maetakse torustik, milles vedelik ringleb, maasse 30-50 cm allpool pinnase külmumistaset antud piirkonnas (joonis 8). 10 kW võimsusega soojuspumba paigaldamiseks on vajalik 350-450 m pikkune maanduskontuur, mille ladumiseks on vaja maatükki suurusega ca 400 m² (20x20 m).
Joonis 7 - Soojuspumba töö skeem
Joonis 8 - Mullaenergia kasutamine soojusallikana
Esiteks on soojuspumpade eeliste hulgas tasuvus: 1 kWh soojusenergia ülekandmiseks küttesüsteemi peab HEJ käitis kulutama 0,2-0,35 kWh elektrit .. Kõik süsteemid töötavad suletud ahelatega ja praktiliselt ei nõua tegevuskulusid, välja arvatud seadmete tööks vajaliku elektrienergia maksumus, mida saab tuule- ja päikeseelektrijaamadest. Soojuspumpade tasuvusaeg on 4-9 aastat, kasutusiga 15-20 aastat enne kapitaalremonti.
Kaasaegsete soojuspumpade tegelikud kasutegurid on suurusjärgus COP = 2,0 lähtetemperatuuri juures –20 °C ja suurusjärgus COP = 4,0 lähtetemperatuuri juures +7 °C.
Kaheahelalise GeoTEP (joonis 4.2) struktuur sisaldab aurugeneraatorit 4, milles geotermilise auru-vee segu soojusenergiat kasutatakse traditsioonilise märg-auruturbiini tehase 6 toitevee soojendamiseks ja aurustamiseks. elektrigeneraatoriga 5. Aurugeneraatoris kasutatud maasoojusvesi pumbatakse pumbaga 3 tagasivoolukaevu 2. Keemiline puhastus Turbiinitehase toitevesi teostatakse tavapärastel meetoditel. Toitepump 8 suunab kondensaadi kondensaatorist 7 tagasi aurugeneraatorisse.
Kahekontuurilises tehases ei ole aurukontuuris mittekondenseeruvaid gaase, mistõttu tekib kondensaatoris sügavam vaakum ja jaama soojusefektiivsus tõuseb võrreldes üheahelalisega. Aurugeneraatori väljalaskeava juures saab maatermilise vee järelejäänud soojust, nagu üheahelalise maasoojuselektrijaama puhul, kasutada soojusvarustuse vajadusteks.
Joon.4.2. Kaheahelalise GeoTPP soojusskeem
Gaasid, sealhulgas vesiniksulfiid, juhitakse aurugeneraatorist mullitavasse absorberisse ja lahustatakse heitgeotermilises vees, misjärel see pumbatakse jäätmekaevu. Ehitatava Ocean GeoTPP (Kuriili saared) katseandmete kohaselt on mullitavas absorberis lahustunud 93,97% esialgsest vesiniksulfiidist.
Temperatuuride erinevus aurugeneraatoris vähendab kaheahelalise paigaldise h 1 pingestatud auru entalpiat võrreldes üheahelalisega, kuid üldiselt suureneb turbiini soojuslangus, mis on tingitud auru entalpia vähenemisest. heitgaasi aur h 2 . Tsükli termodünaamiline arvutus viiakse läbi nagu tavalise auruturbiiniga soojuselektrijaama puhul (vt peatükki Päikese auruturbiinide paigaldused).
N, kW võimsusega paigaldise maasoojuskaevu kuuma vee vooluhulk määratakse avaldisega
kg/s, (4,3)
kus on geotermilise vee temperatuuride erinevus aurugeneraatori sisse- ja väljalaskeava juures, °C, on aurugeneraatori kasutegur. Kaasaegsete kaheahelaliste auruturbiinide GeoTEP-ide koguefektiivsus on 17,27%.
Suhteliselt madala temperatuuriga geotermilise vee (100-200°C) maardlates kasutatakse madala keemistemperatuuriga töövedelikel (freoonid, süsivesinikud) kaheahelalisi paigaldisi. Sellise paigaldise kasutamine on ka majanduslikult põhjendatud üheahelaliste GeoTPP-de eraldatud vee soojuse ärakasutamiseks (soojusvaheti asemel joonisel 4.1). Meie riigis loodi esmakordselt maailmas (1967. aastal) seda tüüpi freoon R-12 baasil põhinev elektrijaam võimsusega 600 kW, mis ehitati teaduslikul juhtimisel Paratunski geotermilisele väljale (Kamtšatka). NSV Liidu Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Soojusfüüsika Instituut. Jahutusvedeliku temperatuuride erinevus oli 80 ... 5 ° C, külm vesi toodi kondensaatorisse jõest. Paratunka aasta keskmise temperatuuriga 5 o C. Kahjuks jäid need tööd orgaanilise kütuse kunagise odavuse tõttu välja töötamata.
Praegu on JSC "Kirovskiy Zavod" välja töötanud kaheahelalise geotermilise mooduli projekti ja tehnilise dokumentatsiooni võimsusega 1,5 MW freoonil R142v (varujahutusvedelik - isobutaan). Toitemoodul valmistatakse täielikult tehases ja tarnitakse mööda raudteed, ehitus- ja paigaldustööd ning elektrivõrguga ühendamine nõuavad minimaalseid kulusid. Eeldatakse, et toitemoodulite seeriatootmise tehase maksumus väheneb umbes 800 dollarini paigaldatud võimsuse kilovati kohta.
Koos homogeensel madala keemistemperatuuriga soojuskandjal töötava GeoTPP-ga arendab ENIN lootustandvat tehast, mis põhineb vee ja ammoniaagi segatud töövedelikul. Sellise paigalduse peamiseks eeliseks on selle kasutamise võimalus geotermiliste vete ja auru-vee segude laias temperatuurivahemikus (90 kuni 220 o C). Homogeense töövedeliku korral põhjustab aurugeneraatori väljalaskeava temperatuuri kõrvalekalle 10 ... 20 ° C arvutatud väärtusest tsükli efektiivsuse järsu languse - 2,4 korda. Segatud soojuskandja komponentide kontsentratsiooni muutmisega on võimalik tagada paigaldise vastuvõetav jõudlus erinevatel temperatuuridel. Ammoniaagi-vee turbiini võimsus selles temperatuurivahemikus muutub vähem kui 15%. Lisaks on sellisel turbiinil parimad kaalu- ja suurusenäitajad ning vee-ammoniaagi segu erineb parim esitus soojusvahetus, mis võimaldab vähendada metallikulu ning aurugeneraatori ja kondensaatori maksumust võrreldes homogeense jahutusvedeliku toitemooduliga. Selliseid elektrijaamu saab laialdaselt kasutada tööstusliku heitsoojuse taaskasutamiseks. Neil võib geotermiliste seadmete rahvusvahelisel turul olla suur nõudlus.
GeoTEU arvutamine madala keemistemperatuuriga ja segatud töövedelikega toimub termodünaamiliste omaduste tabelite ja nende vedelike aurude h - s diagrammide abil.
Kirjanduses sageli mainitud maailmamere soojusressursside kasutamise võimalus külgneb GeoTES-i probleemiga. Troopilistel laiuskraadidel on merevee temperatuur pinnal umbes 25 o C, sügavusel 500 ... 1000 m - umbes 2 ... 3 o C. Juba 1881. aastal väljendas D "Arsonval idee kasutades seda temperatuuride erinevust elektrienergia tootmiseks. Selle idee elluviimise ühe projekti skeempaigaldised on näidatud joonisel 4.3.
Joon.4.3. Ookeani soojuselektrijaama skeem: 1 - pump sooja pinnavee varustamiseks; 2 - madala keemistemperatuuriga jahutusvedeliku aurugeneraator; 3 - turbiin; 4 - elektrigeneraator; 5 - kondensaator; 6 - külma süvaveevarustuspump; 7 - toitepump; 8 - laevaplatvorm
Pump 1 varustab sooja pinnaveega aurugeneraatorisse 2, kus madala keemistemperatuuriga jahutusvedelik aurustub. Aur, mille temperatuur on umbes 20 °C, suunatakse turbiini 3, mis käitab elektrigeneraatorit 4. Heitgaasi aur siseneb kondensaatorisse 5 ja kondenseerub külma süvaveega, mida toidab tsirkulatsioonipump 6. Toitepump 7 tagastab jahutusvedelik aurugeneraatorisse.
Läbi soojade pinnakihtide tõustes soojeneb süvavesi vastavalt vähemalt 7...8°C-ni, jahutusvedeliku väljutatud märja auru temperatuur on vähemalt 12...13°C. tulemuseks on selle tsükli soojuslik kasutegur = 0,028 ja tegeliku tsükli puhul alla 2%. Samal ajal iseloomustab ookeani koostootmist kõrged energiakulud oma vajaduste rahuldamiseks, see nõuab väga suuri soojus- ja soojusenergiakulusid. külm vesi, samuti soojuskandja, pumpade energiatarve ületab seadme poolt toodetud energia. USA-s ei andnud katsed rajada selliseid elektrijaamu Hawaii saarte lähedale positiivset tulemust.
Teine ookeani soojuselektrijaama projekt - termoelektriline - hõlmab Seebecki efekti kasutamist, asetades termoelektroodide ristmikud ookeani pinnale ja sügavamatesse kihtidesse. Sellise paigalduse ideaalne efektiivsus, nagu Carnot' tsükli puhul, on umbes 2%. Jaotis 3.2 näitab, et soojusmuundurite tegelik kasutegur on suurusjärgu võrra väiksem. Sellest lähtuvalt oleks ookeanivee pindmistes kihtides soojuse eemaldamiseks ja sügavates kihtides soojusülekandeks vajalik konstrueerida väga suure pindalaga soojusvahetuspinnad ("veealused purjed"). Praktiliselt märgatava võimsusega elektrijaamade puhul on see ebareaalne. Madal energiatihedus takistab ookeani soojusvarude kasutamist.
Loe ja kirjuta kasulik
geotermiline energia
Abstraktne.
Sissejuhatus.
Maasoojuselektrijaamades toodetud elektrienergia maksumus.
Bibliograafia.
Abstraktne.
See artikkel tutvustab geotermilise energia arengu ajalugu nii kogu maailmas kui ka meie riigis Venemaal. Analüüsiti Maa sügavsoojuse kasutamist selle muundamiseks elektrienergiaks, samuti linnade soojuse ja sooja veega varustamiseks meie riigi sellistes piirkondades nagu Kamtšatka, Sahhalin ja Põhja-Kaukaasia. Tehtud on majanduslik põhjendus maasoojusmaardlate arendamiseks, elektrijaamade rajamiseks ja nende tasuvusaegadeks. Võrreldes maasoojusallikate energiat teiste energiaallikatega, saame väljavaated geotermilise energia arendamiseks, mis peaks energiakasutuse üldises tasakaalus võtma olulise koha. Eelkõige tuleks Kamtšatka piirkonna ja Kuriili saarte, osaliselt Primorye ja Põhja-Kaukaasia energiatööstuse ümberkorraldamiseks ja ümberehitamiseks kasutada nende endi geotermilisi ressursse.
Sissejuhatus.
Riigi energiasektori tootmisvõimsuste arendamise peamisteks suundadeks lähiajal on elektrijaamade tehniline ümbervarustus ja rekonstrueerimine, samuti uute tootmisvõimsuste kasutuselevõtt. Esiteks on tegemist 5560% kasuteguriga kombineeritud tsükliga jaamade rajamisega, mis tõstab olemasolevate soojuselektrijaamade efektiivsust 2540%. Järgmine samm peaks olema soojuselektrijaamade ehitamine, kasutades uusi põletustehnoloogiaid tahke kütus ja ülekriitiliste auruparameetritega, et saavutada TPP efektiivsus 46-48%. Edasine areng vastu võetakse ka uut tüüpi soojus- ja kiirneutronreaktoritega tuumajaamad.
Venemaa energeetikasektori kujunemisel on olulisel kohal riigi soojusvarustussektor, mis on tarbitud energiaressursside mahult suurim, üle 45% nende kogutarbimisest. Kaugküttesüsteemid toodavad üle 71% ja detsentraliseeritud allikad umbes 29% kogu soojusest. Üle 34% kogu soojusest tarnitakse elektrijaamadega, ligikaudu 50% kateldega. Vastavalt Venemaa energiastrateegiale aastani 2020. plaanitakse soojuse tarbimist riigis suurendada vähemalt 1,3 korda ning detsentraliseeritud soojusvarustuse osakaal suureneb 28,6%-lt 2000. a. 2020. aastal kuni 33%.
aastal toimunud hinnatõus viimased aastad, orgaanilise kütuse (gaas, kütteõli, diislikütus) ja selle transportimiseks Venemaa kaugematesse piirkondadesse ning sellest tulenevalt elektri- ja soojusenergia müügihindade objektiivne tõus muudavad põhjalikult suhtumist taastuvate energiaallikate kasutusele: geotermiline energia , tuul, päike.
Seega võimaldab geotermilise energia areng riigi teatud piirkondades juba täna lahendada elektri- ja soojusvarustuse probleemi, eriti Kamtšatkal, Kuriili saartel, aga ka Põhja-Kaukaasias ja teatud Siberi piirkondades. ja Venemaa Euroopa osa.
Soojussüsteemide täiustamise ja arendamise peamiste suundade hulka peaks kuuluma kohalike ebatraditsiooniliste taastuvate energiaallikate ja eelkõige maasoojuse kasutamise laiendamine. Juba lähema 7-10 aasta jooksul saab kaasaegsete lokaalse soojusvarustuse tehnoloogiate abil tänu termilisele soojusele säästa olulisi fossiilkütuste ressursse.
Viimasel kümnendil on mittetraditsiooniliste taastuvate energiaallikate (NRES) kasutamine maailmas kogenud tõelist buumi. Nende allikate kasutamise ulatus on mitu korda suurenenud. See suund areneb teiste energiavaldkondadega võrreldes kõige intensiivsemalt. Sellel nähtusel on mitu põhjust. Esiteks on ilmne, et odavate traditsiooniliste energiakandjate ajastu on pöördumatult lõppenud. Selles valdkonnas on ainult üks suundumus – kõigi nende tüüpide hinnatõus. Mitte vähem oluline on paljude kütusebaasist ilma jäänud riikide soov saavutada energiasõltumatus.Olulist rolli mängivad keskkonnakaalutlused, sealhulgas kahjulike gaaside emissioon. Aktiivset moraalset tuge taastuvenergia kasutamisele pakuvad arenenud riikide elanikud.
Nendel põhjustel on taastuvenergia arendamine paljudes riikides energeetikavaldkonna tehnilise poliitika prioriteetne ülesanne. Paljudes riikides rakendatakse seda poliitikat vastuvõetud seadusandliku ja reguleeriva raamistiku kaudu, mis loob taastuvenergia kasutamise õiguslikud, majanduslikud ja organisatsioonilised alused. Eelkõige seisnevad majanduslikud alused mitmesugustes taastuvenergia toetamise meetmetes nende energiaturu arengujärgus (maksu- ja krediidisoodustused, otsetoetused jne).
Venemaal praktiline kasutamine RES jääb juhtriikidest oluliselt maha. Puudub seadusandlik ja regulatiivne raamistik, samuti riigi majanduslik toetus. Kõik see muudab selle ala harjutamise äärmiselt keeruliseks. Inhibeerivate tegurite peamiseks põhjuseks on pikaleveninud majandusprobleemid riigis ja sellest tulenevalt raskused investeeringutega, madal maksevõimeline nõudlus, rahapuudus vajalikeks arendusteks. Küll aga tehakse mõningaid töid ja praktilisi meetmeid taastuvenergia kasutamiseks meie riigis (maasoojus). Auru-hüdrotermilised maardlad Venemaal on saadaval ainult Kamtšatkal ja Kuriili saartel. Seetõttu ei saa maasoojus tulevikus riigi energiasektoris tervikuna olulist kohta võtta. Küll aga suudab see radikaalselt ja kõige ökonoomsematel alustel lahendada energiavarustuse probleemi nendes piirkondades, mis kasutavad kallist importkütust (kütteõli, kivisüsi, diislikütus) ja on energiakriisi lävel. Kamtšatka auru-hüdrotermiliste väljade potentsiaal on võimeline andma erinevatest allikatest 1000 kuni 2000 MW installeeritud elektrienergiat, mis ületab oluliselt selle piirkonna vajadused lähitulevikus. Seega on siin maasoojusenergia arendamiseks reaalsed väljavaated.
Geotermilise energia arengu ajalugu.
Koos tohutute fossiilkütuste ressurssidega on Venemaal märkimisväärsed maasoojusvarud, mida suudavad mitmekordistada 300–2500 m sügavusel asuvad geotermilised allikad, peamiselt maakoore murrangualadel.
Venemaa territoorium on hästi uuritud ja tänapäeval on teada peamised maa soojuse ressursid, millel on märkimisväärne tööstuspotentsiaal, sealhulgas energia. Pealegi on peaaegu kõikjal soojusvarusid, mille temperatuur on 30–200 °C.
Tagasi aastal 1983 aastal VSEGINGEO koostati NSV Liidu termaalvete ressursside atlas. Meie riigis on uuritud 47 geotermilist maardlat koos termaalveevarudega, mis võimaldavad saada rohkem kui 240 10³ m³ / päevas. Täna tegelevad Venemaal maasoojuse kasutamise probleemidega spetsialistid ligi 50 teadusorganisatsioonist.
Maasoojusressursside kasutamiseks on puuritud üle 3000 kaevu. Selles piirkonnas juba läbiviidud geotermiliste uuringute ja puurimise maksumus on tänapäevaste hindadega üle 4 miljardi rubla. dollareid. Nii et Kamtšatkal on 225–2266 m sügavustesse geotermilistesse väljadesse juba puuritud 365 kaevu, mis on ära kasutatud (ikka nõukogude aeg) umbes 300 miljonit. dollarit (praegushindades).
Esimese geotermilise elektrijaama tööd alustati Itaalias 1904. aastal. Esimene geotermiline elektrijaam Kamtšatkal ja esimene NSV Liidus, Paužetskaja geotermiline elektrijaam, võeti kasutusele 1967. aastal. ja selle võimsus oli 5 mW, mida suurendati seejärel 11 mW-ni. Uus impulss Geotermilise energia arendamine Kamtšatkal sai alguse 90ndatel, kui tekkisid organisatsioonid ja ettevõtted (JSC Geoterm, JSC Intergeotherm, JSC Nauka), mis koostöös tööstusega (peamiselt Kaluga turbiinitehasega) töötasid välja uusi progressiivseid skeeme, tehnoloogiaid ja seadmetüüpe geotermilise energia muundamiseks elektrienergiaks ning tagas laenu Euroopa Rekonstruktsiooni- ja Arengupangalt. Selle tulemusena 1999. a Kamtšatkal võeti kasutusele Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP (kolm moodulit, igaüks 4 MW). Kasutusele võetakse esimene 25mW plokk. Mutnovskaja GeoTPP esimene etapp koguvõimsusega 50 MW.
Teine etapp võimsusega 100 MW saab kasutusele võtta 2004. aastal
Seega on kindlaks tehtud Kamtšatka geotermilise energia vahetud ja üsna reaalsed väljavaated, mis on positiivne vaieldamatu näide taastuvenergia kasutamisest Venemaal, hoolimata riigi tõsistest majandusraskustest. Kamtšatka auru-hüdrotermaalväljade potentsiaal on võimeline andma 1000 MW installeeritud elektrienergiat, mis ületab oluliselt selle piirkonna vajadused lähitulevikus.
Venemaa Teaduste Akadeemia Kaug-Ida filiaali vulkanoloogiainstituudi andmetel võimaldavad juba tuvastatud geotermilised ressursid Kamtšatkat enam kui 100 aastaks täielikult elektri ja soojusega varustada. Koos Kamtšatka lõunaosas asuva 300 MW(e) võimsusega kõrgtemperatuurse Mutnovskoje väljaga on teada olulised geotermiliste ressursside varud Koshelevskoje, Bolshe Bannoy ja põhjas Kireunskoje maardlates. Kamtšatka geotermiliste vete soojusvarud on hinnanguliselt 5000 MW (t).
Tšukotkal on ka märkimisväärsed geotermilise soojuse varud (piiril Kamtšatka piirkonnaga), mõned neist on juba avastatud ja neid saab aktiivselt kasutada lähedalasuvate linnade ja alevite jaoks.
Kuriili saared on rikkad ka maa soojusvarude poolest, neist piisab selle territooriumi soojuse ja elektriga varustamiseks 100 200 aastaks. Iturupi saarel on avastatud kahefaasilise geotermilise jahutusvedeliku varud, mille võimsus (30 MW(e)) on piisav kogu saare energiavajaduse katmiseks järgmise 100 aasta jooksul. Siin on ookeani maasoojusväljal juba puuritud kaevud ja ehitatakse GeoPP-d. Kunashiri lõunasaarel on geotermilise soojuse varud, mida juba kasutatakse elektrienergia tootmiseks ja Južno Kurilski linna soojusvarustuseks. Paramushiri põhjasaare soolestikku on vähem uuritud, kuid on teada, et sellel saarel on ka märkimisväärsed geotermilise vee varud, mille temperatuur on 70–95 °C, ning GeoTS võimsusega 20 MW (t) siia ehitatakse.
Märksa laiemalt on levinud 100-200°C temperatuuriga termaalvete maardlad. Sellel temperatuuril on auruturbiini tsüklis soovitatav kasutada madala keemistemperatuuriga töövedelikke. Kaheahelaliste geotermiliste elektrijaamade kasutamine termaalveel on võimalik paljudes Venemaa piirkondades, eelkõige Põhja-Kaukaasias. Siin on hästi uuritud geotermilisi maardlaid, mille reservuaari temperatuur on 70–180 ° C, mis asuvad sügavusel 300–5000 m. Geotermilist vett on siin pikka aega kasutatud soojusvarustuseks ja sooja veevarustuseks. Dagestanis toodetakse aastas üle 6 miljoni m geotermilist vett. Umbes 500 tuhat inimest Põhja-Kaukaasias kasutab geotermilist vett.
Primorye, Baikali piirkonnas ja Lääne-Siberi piirkonnas on ka geotermilise soojuse varud, mis sobivad suuremahuliseks kasutamiseks tööstuses ja põllumajanduses.
Geotermilise energia muundamine elektri- ja soojusenergiaks.
Kõrge mineralisatsiooniga maa-aluste termaalvete soojuse kasutamise üks paljutõotav valdkond on selle muundamine elektrienergiaks. Selleks töötati välja tehnoloogiline skeem geotermilise elektrijaama ehitamiseks, mis koosneb maasoojuselektrijaamast. tsirkulatsioonisüsteem(GCC) ja auruturbiinitehas (STP), mille skeem on näidatud joonisel 1. Iseloomulik omadus Selline tehnoloogiline skeem tuntud on see, et selles täidab aurusti ja ülekuumendi rolli sissepritsekaevu ülemises osas paiknev püstkaevu vertikaalne vastuvoolu soojusvaheti, mille kaudu juhitakse toodetud kõrge temperatuuriga termaalvett. pinnatoru, mis pärast soojuse ülekandmist sekundaarsele jahutusvedelikule pumbatakse tagasi kihistusse. Auruturbiinitehase kondensaatorist tulev sekundaarne jahutusvedelik siseneb soojusvaheti sees põhja alla lastud toru kaudu raskusjõu toimel küttetsooni.
Rankine tsükkel on kutsekoolide töö keskmes; t,s on selle tsükli diagramm ja aurusti soojusvaheti soojuskandjate temperatuuride muutumise olemus.
Enamik oluline punkt GeoTPP ehitamise ajal on sekundaarringi töövedeliku valik. Maasoojuspaigaldise jaoks valitud töövedelik peab antud töötingimustes omama soodsaid keemilisi, füüsikalisi ja tööomadusi, s.o. olema stabiilne, mittesüttiv, plahvatuskindel, mittetoksiline, ehitusmaterjalide suhtes inertne ja odav. Soovitav on valida madalama dünaamilise viskoossuse koefitsiendiga (vähem hüdraulilised kaod) ja suurema soojusjuhtivuse koefitsiendiga (paranenud soojusülekanne) töövedelik.
Kõiki neid nõudeid korraga täita on praktiliselt võimatu, seetõttu tuleb alati optimeerida ühe või teise töövedeliku valikut.
Geotermiliste elektrijaamade töökehade madalad algparameetrid tingivad t, s diagrammi parempoolse piirkõvera negatiivse kõverusega madala keemistemperatuuriga töökehade otsimise, kuna vee ja auru kasutamine viib sel juhul termodünaamiliste parameetrite halvenemine ja auruturbiiniseadmete mõõtmete järsk suurenemine, mis suurendab oluliselt nende väärtust.
Tehakse ettepanek kasutada binaarsete energiatsüklite sekundaarses ahelas superkriitilise agensina isobutaani + isopentaani segu superkriitilises olekus. Ülekriitiliste segude kasutamine on mugav, sest kriitilised omadused, s.o. kriitiline temperatuur tc(x), kriitiline rõhk pc(x) ja kriitiline tihedus qc(x) sõltuvad segu koostisest x. See võimaldab segu koostist valides valida konkreetse geotermilise välja termaalvee vastava temperatuuri jaoks kõige soodsamate kriitiliste parameetritega superkriitilise aine.
Sekundaarse jahutusvedelikuna kasutatakse madala keemistemperatuuriga süsivesiniku isobutaani, mille termodünaamilised parameetrid vastavad vajalikele tingimustele. Isobutaani kriitilised parameetrid: tc = 134,69°C; pk = 3,629 MPa; qk = 225,5 kg/m³. Lisaks on isobutaani valik sekundaarseks jahutusvedelikuks tingitud selle suhteliselt madalast hinnast ja keskkonnasõbralikkusest (erinevalt freoonidest). Isobutaan töövedelikuna on leidnud laialdast levikut välismaal ning seda tehakse ka superkriitilises olekus binaarsetes geotermilistes energiatsüklites.
Käitise energiaomadused arvutatakse toodetud vee laia temperatuurivahemiku ja selle erinevate töörežiimide jaoks. Kõikidel juhtudel eeldati, et isobutaani tcon kondensatsioonitemperatuur =30°C.
Tekib küsimus väikseima temperatuurierinevuse valiku kohtaêtjoon.2. Ühest küljest toob êt vähenemine kaasa aurusti soojusvaheti pinna suurenemise, mis ei pruugi olla majanduslikult põhjendatud. Teisest küljest toob êt suurenemine termilise vee antud temperatuuril ts kaasa vajaduse alandada aurustumistemperatuuri ts (ja sellest tulenevalt ka rõhku), mis mõjutab negatiivselt tsükli efektiivsust. Enamikul praktilistel juhtudel on soovitatav võtta êt = 10÷25ºС.
Saadud tulemused näitavad, et on olemas auruelektrijaama optimaalsed tööparameetrid, mis sõltuvad soojusvaheti aurugeneraatori primaarahelasse siseneva vee temperatuurist. Isobutaani tz aurustumistemperatuuri tõusuga suureneb turbiini tekitatud võimsus N sekundaarse jahutusvedeliku kulust 1 kg/s. Samas tg suurenedes väheneb aurustunud isobutaani kogus 1 kg/s termilise vee tarbimise kohta.
Termovee temperatuuri tõustes tõuseb ka optimaalne temperatuur aurustumine.
Joonisel 3 on kujutatud graafikud turbiini genereeritud võimsuse N sõltuvuse kohta sekundaarse jahutusvedeliku aurustumistemperatuurist ts termilise vee erinevatel temperatuuridel.
Kõrge temperatuuriga vee (tt = 180ºС) puhul arvestatakse ülekriitilisi tsükleid, kui algne aururõhk pн= 3,8; 4,0; 4,2; ja 5,0 MPa. Nendest on maksimaalse võimsuse saamise seisukohalt kõige tõhusam ülekriitiline tsükkel, mis on lähedane nn kolmnurksele tsüklile algrõhuga pn = 5,0 MPa. Selle tsükli jooksul kasutatakse soojuskandja ja töövedeliku minimaalse temperatuuride erinevuse tõttu maksimaalselt ära termaalvee temperatuuripotentsiaali. Selle tsükli võrdlus subkriitilisega (pn=3,4MPa) näitab, et turbiini poolt genereeritud võimsus ülekriitilise tsükli jooksul suureneb 11%, turbiini siseneva aine voolutihedus on 1,7 korda suurem kui pn-ga tsüklis. =3 ,4 MPa, mis toob kaasa jahutusvedeliku transpordiomaduste paranemise ja auruturbiinitehase seadmete (toitetorustiku ja turbiini) mõõtmete vähenemise. Lisaks on tsüklis pH = 5,0 MPa reservuaari tagasi juhitava heitvee t temperatuur 42ºС, samas kui subkriitilises tsüklis pH = 3,4 MPa temperatuur tн = 55ºС.
Samal ajal mõjutab ülekriitilise tsükli algrõhu tõus 5,0 MPa-ni seadmete, eriti turbiini maksumust. Kuigi turbiini voolutee mõõtmed vähenevad rõhu suurenedes, suureneb samaaegselt turbiini astmete arv, vaja on rohkem arenenud otsatihendit ja mis kõige tähtsam, korpuse seinte paksus suureneb.
GeoTPP tehnoloogilises skeemis ülekriitilise tsükli loomiseks on vaja kondensaatorit soojusvahetiga ühendavale torujuhtmele paigaldada pump.
Ülekriitilise tsükli kasuks räägivad aga sellised tegurid nagu võimsuse kasv, toitetorustike ja turbiini mõõtmete vähenemine ning termilise vee termilise potentsiaali täielikum rakendumine.
Tulevikus on vaja otsida madalama kriitilise temperatuuriga jahutusvedelikke, mis võimaldavad luua madalama temperatuuriga termaalvee abil ülekriitilisi tsükleid, kuna enamiku Venemaal uuritud maardlate soojuspotentsiaal ei ületa 100÷120ºС. Sellega seoses on kõige lootustandvam R13B1 (trifluorobromometaan) järgmiste kriitiliste parameetritega: tc = 66,9ºС; pk = 3,946 MPa; qk = 770 kg/m³.
Hindamisarvutuste tulemused näitavad, et ka termovee temperatuuriga tk = 120ºС kasutamine GeoTPP primaarahelas ja ülekriitilise tsükli loomine algrõhuga pn = 5,0 MPa sekundaarahelas freoonil R13B1. võimaldab tõsta turbiini võimsust kuni 14% võrreldes subkriitilise tsükliga algrõhuga pn = 3,5 MPa.
GeoTPP edukaks tööks on vaja lahendada korrosiooni ja soolaladestustega seotud probleemid, mis reeglina süvenevad termilise vee mineraliseerumise suurenemisega. Kõige intensiivsemad soolaladestused tekivad termaalvee degaseerimisel ja selle tagajärjel süsihappegaasi tasakaalu katkemisel.
Kavandatavas tehnoloogilises skeemis ringleb primaarjahutusvedelik suletud ringis: reservuaar - tootmiskaev - pinnatoru - pump - sissepritsekaev - reservuaar, kus vee degaseerimise tingimused on viidud miinimumini. Samal ajal tuleb primaarringi pinnaosas kinni pidada sellistest termobaarilistest tingimustest, mis takistavad degaseerumist ja karbonaadisademete sadenemist (olenevalt temperatuurist ja soolsusest tuleb rõhku hoida 1,5 MPa ja kõrgemal).
Termilise vee temperatuuri langus toob kaasa ka mittekarbonaatsoolade sadenemise, mida kinnitasid Kayasulinsky geotermilises kohas tehtud uuringud. Osa sadestunud sooladest ladestatakse süstekaevu sisepinnale ja suurem osa kantakse põhjaaugu tsooni. Soolade sadestumine süstimiskaevu põhja aitab kaasa süstimise vähenemisele ja ringikujulise voolukiiruse järkjärgulisele vähenemisele kuni GCS-i täieliku seiskumiseni.
Korrosiooni ja katlakivi tekke vältimiseks GCS ahelas võib kasutada efektiivset HEDPK (hüdroksüetülideendifosfoonhape) reaktiivi, millel on pikaajaline korrosioonivastane ja pinna passiveerimise katlakivi vastane toime. OEDFK passiveeriva kihi taastamine toimub reaktiivilahuse perioodilise impulsssüstiga termaalvette tootmiskaevu suudmes.
Põhjaaugu tsooni koguneva soolamuda lahustamiseks ja seetõttu süstekaevu injektsiooni taastamiseks on väga tõhus reagent NMA (madala molekulmassiga hapete kontsentraat), mida saab perioodiliselt viia ka ringlevasse termaalvette. sissepritsepumba eelses piirkonnas.
Seetõttu võib ülaltoodust järeldada, et üks paljutõotav suund maa sisemuse soojusenergia arendamiseks on selle muundamine elektrienergiaks, ehitades madala keemistemperatuuriga tööainetele kaheahelalisi GeoTPP-sid. Sellise transformatsiooni efektiivsus sõltub paljudest teguritest, eriti töövedeliku valikust ja GeoTPP sekundaarahela termodünaamilise tsükli parameetritest.
Sekundaarringi erinevaid soojuskandjaid kasutavate tsüklite arvutusanalüüsi tulemused näitavad, et kõige optimaalseimad on ülekriitilised tsüklid, mis võimaldavad tõsta turbiini võimsust ja tsükli efektiivsust, parandada jahutusvedeliku transpordiomadusi ja täielikumalt reguleerida küttekeha temperatuuri. GeoTPP primaarringis ringlev esialgne termaalvesi.
Samuti on kindlaks tehtud, et kõrge temperatuuriga termaalvee (180ºС ja üle selle) puhul on kõige lootustandvam ülekriitiliste tsüklite loomine GeoTPP sekundaarringis isobutaani abil, madalama temperatuuriga vete puhul (100÷120ºС ja üle selle). ), samade tsüklite loomisel on sobivaim soojuskandja freoon R13B1.
Sõltuvalt ekstraheeritud termaalvee temperatuurist on sekundaarse soojuskandja aurustumiseks optimaalne temperatuur, mis vastab turbiini tekitatavale maksimaalsele võimsusele.
Edaspidi on vaja uurida ülekriitilisi segusid, mille kasutamine geotermiliste energiatsüklite tööainena on kõige mugavam, kuna segu koostist valides saab nende kriitilisi omadusi hõlpsasti muuta sõltuvalt välistingimustest.
Teine geotermilise energia kasutamise suund on geotermiline soojusvarustus, mida on Kamtšatkal ja Põhja-Kaukaasias pikka aega kasutatud kasvuhoonete kütmiseks, kütte- ja soojaveevarustuseks elamu- ja kommunaalsektoris. Maailma ja kodumaise kogemuse analüüs näitab maasoojusvarustuse väljavaateid. Hetkel töötavad maailmas maasoojussüsteemid koguvõimsusega 17175 MW, ainuüksi USA-s tegutseb üle 200 tuhande maasoojuspaigaldise. Maaküttesüsteemide, sealhulgas soojuspumpade võimsus peaks Euroopa Liidu plaanide kohaselt tõusma 1995. aasta 1300 MW-lt 2010. aastaks 5000 MW-ni.
NSV Liidus kasutati geotermilist vett Krasnodari ja Stavropoli territooriumil, Kabardino-Balkarias, Põhja-Osseetias, Tšetšeenia-Inguššias, Dagestanis, Kamtšatka oblastis, Krimmis, Gruusias, Aserbaidžaanis ja Kasahstanis. 1988. aastal toodeti 60,8 miljonit m³ geotermilist vett, praegu Venemaal kuni 30 miljonit m³. m³ aastas, mis võrdub 150÷170 tuhande tonni etalonkütusega. Samal ajal on geotermilise energia tehniline potentsiaal Venemaa Föderatsiooni energeetikaministeeriumi andmetel 2950 miljonit tonni etalonkütust.
Viimase 10 aasta jooksul on meie riigis kokku varisenud geotermiliste ressursside uurimise, arendamise ja kasutamise süsteem. NSV Liidus tegid selle probleemi uurimistööd Teaduste Akadeemia instituudid, geoloogiaministeeriumid ja gaasitööstus. Maardlate varude uuringuid, hindamist ja kinnitamist teostasid Geoloogiaministeeriumi instituudid ja piirkondlikud allasutused. Tootmiskaevude puurimine, väljade arendamine, taassissepritse tehnoloogiate väljatöötamine, maasoojusvee puhastamine, maasoojussüsteemide käitamine toimus Gaasitööstuse Ministeeriumi allasutuste poolt. See hõlmas viit piirkondlikku operatiivosakonda, teadus- ja tootmisühendust Sojuzgeotherm (Makhachkala), mis töötas välja skeemi NSV Liidu geotermiliste vete tulevaseks kasutamiseks. Geotermilise soojusvarustuse süsteemide ja seadmete projekteerimise viis läbi Tehnikaseadmete Teadus- ja Projekteerimis- ja Eksperimentaalinstituut.
Praeguseks on katkenud kompleksne geotermia alane uurimistöö: geoloogilistest ja hüdrogeoloogilistest uuringutest kuni geotermiliste vete puhastamise probleemideni. Uurimuspuurimist ei tehta, varem uuritud maardlate arendust ei teostata, ei kaasajastata olemasolevate maasoojussüsteemide seadmeid. Riigihalduse roll geotermia arendamisel on tühine. Maasoojusspetsialistid on hajutatud, nende kogemused ei ole nõutud. Praeguse olukorra ja arenguväljavaadete analüüs uues majanduslikud tingimused Venemaa, teeme seda Krasnodari territooriumi näitel.
Selle piirkonna jaoks on kõigist taastuvatest energiaallikatest kõige lootustandvam geotermiliste vete kasutamine. Joonisel 4 on näidatud taastuvenergia kasutamise prioriteedid Krasnodari territooriumi objektide soojusvarustuseks.
AT Krasnodari territoorium Aastas toodetakse kuni 10 mln m³/aastas geotermilist vett temperatuuriga 70÷100ºC, mis asendab 40÷50 tuh tonni orgaanilist kütust (võrdluskütusena). Töös on 10 põldu 37 puurkaevuga, arendamisel on 6 põldu 23 kaevuga. Maasoojuspuuraukude koguarv77. 32 hektarit köetakse maasoojusveega. kasvuhooned, 11 tuhat korterit kaheksas asulas, 2 tuhat inimest on varustatud sooja veega. Piirkonna geotermiliste vete uuritud kasutusvarud on hinnanguliselt 77,7 tuhat kuupmeetrit. m³ / päevas või töötamise ajal kütteperioodil - 11,7 miljonit. m³ hooajal, prognoositud varud vastavalt 165 tuhat. m³/ööpäevas ja 24,7 mln. m³ hooaja kohta.
Üks arenenumaid Mostovskoje geotermilisi väljasid, 240 km kaugusel Krasnodarist Kaukaasia jalamil, kus puuriti 14 kaevu sügavusega 1650÷1850m vooluhulgaga 1500÷3300 m³/päevas, suudmes 67 kraadi. ÷78º C, üldsoolsus 0,9÷1, 9g/l. Kõrval keemiline koostis geotermiline vesi vastab peaaegu joogivee standarditele. Selle põllu maasoojusvee põhitarbijaks on kuni 30 hektari suuruse kasvuhoonegaaside kompleks, kus varem töötas 8 kaevu. Praegu köetakse siin 40% kasvuhoone pinnast.
Küla elamute ja administratiivhoonete soojusvarustuseks. Sild 80ndatel rajati maakütte keskküttepunkt (CHP) hinnangulise soojusvõimsusega 5 MW, mille skeem on näidatud joonisel 5. Keskküttekeskuse maaküttevesi tuleb kahest kaevust vooluhulgaga 45÷70 m³/h kumbki ja temperatuuriga 70÷74ºС kahte mahutisse mahuga 300m³. Geotermilise heitvee soojuse ärakasutamiseks paigaldati kaks aurukompressorsoojuspumpa hinnangulise soojusvõimsusega 500 kW. Küttesüsteemides kasutatav maasoojusvesi temperatuuriga 30÷35ºС enne soojuspumbaseadet (HPU) jagatakse kaheks vooluks, millest üks jahutatakse temperatuurini 10ºС ja juhitakse reservuaari ning teine soojendatakse temperatuurini 50ºС ja tagastati säilitusmahutitesse. baasil valmistas soojuspumbaagregaadid Moskva Kompressori tehases külmutusmasinad A-220-2-0.
Maakütte soojusvõimsuse reguleerimine tippsoojenduse puudumisel toimub kahel viisil: jahutusvedeliku läbilaskmisega ja tsükliliselt. Viimase meetodi puhul täidetakse süsteemid perioodiliselt geotermilise jahutusvedelikuga koos jahutatava samaaegse tühjendamisega. Päevase kütteperioodi Z korral määratakse kütteaeg Zn valemiga
Zn = 48j/(1 + j), kus on soojusväljunditegur; projekteeritud õhutemperatuur ruumis, °C; ning tegelik ja arvestuslik välisõhu temperatuur, °С.
Geotermiliste süsteemide mahutite mahutavus määratakse tingimusest, mis tagab õhutemperatuuri kõikumiste normaliseeritud amplituudi köetavates eluruumides (± 3 ° C) vastavalt valemile.
kus kF on küttesüsteemi soojusvõimsus 1°C temperatuuride erinevuse kohta, W/°C; Z \u003d Zn + Zpp maakütte tööperiood; Zp pausi kestus, h; Qp ja Qp on hoone küttesüsteemi arvestuslik ja hooaja keskmine soojusvõimsus, W; c geotermilise vee mahuline soojusmaht, J/(m³ ºС); n maakütte käivitamiste arv ööpäevas; k1 on soojuskao koefitsient maasoojussüsteemis; A1 temperatuurikõikumiste amplituud köetavas hoones, ºС; Rnom köetavate ruumide soojuse neeldumise summaarne näitaja; Küttesüsteemide ja soojusvõrkude Vc ja Vts võimsus, m³.
Soojuspumpade töötamise ajal määratakse aurusti Gi ja kondensaatori Gk läbivate geotermilise vee voolukiiruste suhe valemiga:
Kus tk, to, t on geotermilise vee temperatuur pärast kondensaatorit, hoone küttesüsteemi ja HPI aurusteid, ºС.
Märkimist väärib soojuspumpade kasutatud konstruktsioonide madal töökindlus, kuna nende töötingimused erinesid oluliselt külmutusmasinate töötingimustest. Kompressorite tühjendus- ja imemisrõhkude suhe soojuspumba režiimil töötamisel on 1,5÷2 korda suurem kui sama suhe külmutusmasinatel. Ühendusvarda ja kolvirühma, õliseadmete ja automaatika rikked viisid nende masinate enneaegse rikkeni.
Hüdroloogilise režiimi kontrolli puudumise tõttu vähenes Mostovskoje geotermilise välja töötamise tõttu 10 aasta pärast rõhk kaevupeas 2 korda. Põllu reservuaari rõhu taastamiseks 1985. a. puuriti kolm sissepritsekaevu, ehitati pumbajaam, kuid nende töö ei andnud reservuaaride madala injektsiooni tõttu positiivset tulemust.
Krasnodarist 60 km kaugusel asuvas 50 tuhande elanikuga Ust-Labinski linna geotermiliste ressursside kõige lootustandvamaks kasutamiseks on välja töötatud geotermiline soojusvarustussüsteem hinnangulise soojusvõimsusega 65 MW. Kolmest vett pumpavast horisondist valiti välja eotseeni-paleotseeni lademed sügavusega 2200÷2600m, tekketemperatuuriga 97÷100ºС, soolsusega 17÷24g/l.
Olemasolevate ja perspektiivsete soojuskoormuste analüüsi tulemusena vastavalt linna soojusvarustuse arendamise skeemile määrati maasoojussüsteemi optimaalne, arvestuslik, soojusvõimsus. Nelja variandi tehniline ja majanduslik võrdlus (neist kolm ilma erineva arvu kaevude ja ühe katla küttega tippkatlaga) näitas, et tippkatlaga skeemil (joon. 6) on minimaalne tasuvusaeg.
Maasoojussüsteem näeb ette seitsme sissepritsekaevuga lääne- ja tsentraalse termaalveehaarde rajamise. Termoveevõtuavade töörežiim jahutatud jahutusvedeliku uuesti sissepritsega. Kahekontuuriline soojusvarustussüsteem katlaruumi tippküttega ja sõltuva ühendusega olemasolevad süsteemid hoone küte. Kapitaliinvesteering selle maasoojussüsteemi rajamisse ulatus 5,14 miljoni euroni. hõõruda. (1984. a hindades), tasuvusaeg 4,5 aastat, asenduskütuse arvestuslik kokkuhoid 18,4 tuh t etalonkütust aastas.
Maasoojuselektrijaamades toodetud elektrienergia maksumus.
Geotermiliste väljade uurimis- ja arendustegevuse (puurimise) kulud moodustavad kuni 50% GeoTPP kogumaksumusest ning seetõttu on GeoPP-s toodetava elektri maksumus üsna märkimisväärne. Seega kogu piloot-tööstusliku (OP) Verkhne-Mutnovskaya GeoPP [võimsus 12 (3 × 4) MW] maksumus ulatus umbes 300 miljoni rublani. Kuid kütuse transpordikulude puudumine, maasoojusenergia taastuvus ning elektri- ja soojustootmise keskkonnasõbralikkus võimaldavad maasoojusenergial edukalt konkureerida energiaturul ning toota mõnel juhul odavamat elektrit ja soojust kui traditsioonilised IES ja CHP. . Kõrvalpiirkondades (Kamtšatka, Kuriili saared) on GeoPP-del tingimusteta eelis importkütusel töötavate soojuselektrijaamade ja diiseljaamade ees.
Kui võtta näiteks Kamtšatka, kus üle 80% elektrienergiast toodetakse imporditud kütteõlil töötavates CHPP-1 ja CHPP-2, siis on maasoojusenergia kasutamine tulusam. Isegi täna, kui Mutnovski geotermilises väljas uute geoelektrijaamade ehitus- ja arendusprotsess alles käib, on Verkhne-Mutnovskaja geotermilise elektrijaama elektrikulu enam kui kaks korda madalam kui Petropavlovski Kamtšatski koostootmisjaamas. Vana Pauzhetskaya GeoPP 1 kWh(e) maksumus on 2¸3 korda madalam kui CHPP-1 ja CHPP-2 puhul.
1 kWh elektrienergia maksumus jäi Kamtšatkal 1988. aasta juulis 10–25 sendi vahele ja keskmiseks elektritariifiks määrati 14 senti. Juunis 2001 samas piirkonnas jäi 1 kWh elektritariif vahemikku 7-15 senti. 2002. aasta alguses OAO Kamtšatskenergo keskmine tariif oli 3,6 rubla. (12 senti). On selge, et Kamtšatka majandus ei saa edukalt areneda ilma tarbitava elektrienergia maksumust vähendamata ja seda on võimalik saavutada ainult geotermiliste ressursside kasutamisega.
Nüüd on energiasektori ümberkorraldamisel väga oluline lähtuda kütuse ja seadmete reaalsetest hindadest ning energiahindadest erinevatele tarbijatele. Vastasel juhul võite teha ekslikke järeldusi ja prognoose. Seega määrati 2001. aastal Dalsetproektis välja töötatud Kamtšatka piirkonna majanduse arendamise strateegias ilma piisava põhjenduseta 1000 m³ gaasi hinnaks 50 dollarit, kuigi on selge, et gaasi tegelik hind ei muutu. olla alla 100 dollari ja gaasiväljade arendamise kestus on 5–10 aastat. Samal ajal arvutatakse kavandatud strateegia kohaselt gaasivarud elueaks kuni 12 aastat. Seetõttu tuleks Kamtšatka piirkonna energiasektori arengu väljavaateid seostada eelkõige mitme maasoojuselektrijaama ehitamisega Mutnovski väljale [kuni 300 MW (e)], Paužetskaja ümberehitamisega. GeoPP, mille võimsus tuleks tõsta 20 MW-ni, ja uute GeoPP-de ehitamine. Viimane tagab Kamtšatka energiasõltumatuse pikkadeks aastateks (vähemalt 100 aastaks) ja vähendab müüdava elektrienergia maksumust.
Maailma Energianõukogu hinnangul on kõigist taastuvatest energiaallikatest GeoPP madalaim 1 kWh hind (vt tabelit).
|
võimsus |
kasutada võimsus |
Hind paigaldatud |
viimases |
||||
| 10200 | 55÷95(84) | 2÷10 | 1÷8 | 800÷3000 | 70,2 | 22 | |
| Tuul | 12500 | 20÷30(25) | 5÷13 | 3÷10 | 1100÷ 1700 | 27,1 | 30 |
| 50 | 8÷20 | 25÷125 | 5÷25 | 5000÷10000 | 2,1 | 30 | |
| looded | 34 | 20÷30 | 8÷15 | 8÷15 | 1700÷ 2500 | 0,6 |
Filipiinide, Uus-Meremaa, Mehhiko ja USA suurte GeoPP-de käitamise kogemusest järeldub, et 1 kWh elektri maksumus ei ületa sageli 1 senti, samas tuleb meeles pidada, et GeoPP-de võimsuskasutuskoefitsient ulatub 0,95-ni.
Geotermiline soojusvarustus on kõige kasulikum maakütte kuuma vee otsesel kasutamisel, samuti soojuspumpade kasutuselevõtul, mis suudavad tõhusalt kasutada maa soojust temperatuuriga 10÷30ºС, i.е. madala kvaliteediga maasoojus. Venemaa praegustes majandustingimustes on maasoojusvarustuse arendamine äärmiselt keeruline. Puurkaevude puurimiseks tuleb investeerida põhivara. Krasnodari territooriumil 1 m kaevu puurimine maksab 8 tuhat rubla, selle sügavus on 1800 m, kulud ulatuvad 14,4 miljoni rublani. Kaevu hinnangulise voolukiirusega 70 m³ / h, käivitatud temperatuuride erinevusega 30 ° C, ööpäevaringne töö 150 päeva. aastas on kütteperioodil eeldatava vooluhulga kasutusmäär 0,5, tarnitud soojuse hulk 4385 MWh ehk väärtuseliselt 1,3 miljonit rubla. tariifiga 300 rubla/(MWh). Sellise tempo juures tasub kaevude puurimine end ära 11 aastaga. Samas on vajadus selle valdkonna arendamiseks energiasektoris tulevikus väljaspool kahtlust.
Leiud.
1. Peaaegu kogu Venemaal on ainulaadsed geotermilise soojuse varud, mille jahutusvedeliku temperatuur (vesi, kahefaasiline vool ja aur) on 30–200ºC.
2. Viimastel aastatel on Venemaal suurte fundamentaaluuringute põhjal loodud geotermilisi tehnoloogiaid, mis suudavad kiiresti tagada maasoojuse efektiivse kasutamise GeoPPs ja GeoTSis elektri ja soojuse tootmiseks.
3. Geotermiline energia peaks energiakasutuse üldises tasakaalus võtma olulise koha. Eelkõige tuleks Kamtšatka piirkonna ja Kuriili saarte ning osaliselt Primorje, Siberi ja Põhja-Kaukaasia energiatööstuse ümberkorraldamiseks ja taasvarustuseks kasutada nende endi geotermilisi ressursse.
4. Uute madalakvaliteedilisi soojusallikaid kasutavate soojuspumpadega soojusvarustusskeemide ulatuslik juurutamine vähendab fossiilkütuste tarbimist 20÷25%.
5. Investeeringute ja laenude meelitamiseks energiasektorisse on vaja ellu viia tõhusaid projekte ja tagada õigeaegne tootlus laenatud raha, mis on võimalik ainult tarbijatele tarnitud elektri ja soojuse eest täieliku ja õigeaegse tasumisega.
Bibliograafia.
1. Geotermilise energia muundamine elektrienergiaks, kasutades sekundaarahelas ülekriitilist tsüklit. Abdulagatov I.M., Alkhasov A.B. "Soojusenergeetika.-1988 nr 4-lk. 53-56".
2. Salamov A.A. "Geotermilised elektrijaamad maailma energeetikasektoris" Soojusenergeetika 2000 nr 1-lk. 79-80"
3. Maa soojus: aruandest "Geotermiliste tehnoloogiate arendamise väljavaated" Ökoloogia ja elu-2001-nr 6-str 49-52.
4. Tarniževski B.V. "Taastuvate energiaallikate kasutamise seisukord ja väljavaated Venemaal" Tööstusenergia-2002-nr 1-lk. 52-56.
5. Kuznetsov V.A. "Mutnovskaja geotermiline elektrijaam" Elektrijaamad-2002-№1-lk. 31-35.
6. Butuzov V.A. "Geotermilised soojusvarustussüsteemid Krasnodari territooriumil" Energiajuht-2002-nr 1-lk 14-16.
7. Butuzov V.A. "Venemaa geotermiliste soojusvarustussüsteemide analüüs" Industrial Energy-2002-nr 6-lk 53-57.
8. Dobrokhotov V.I. "Geotermiliste ressursside kasutamine Venemaa energiasektoris" Soojusenergeetika-2003-№1-lk 2-11.
9. Alkhasov A.B. "Maatermilise soojuse kasutamise efektiivsuse tõstmine" Soojusenergeetika-2003-nr 3-lk 52-54.
Geotermiline energia on energia, mis saadakse maa looduslikust soojusest. Seda soojust saab saavutada kaevude abil. Kaevus suureneb geotermiline gradient 1 0C võrra iga 36 meetri järel. See soojus kantakse pinnale auru või kuuma vee kujul. Sellist soojust saab kasutada nii otse majade ja hoonete kütmiseks kui ka elektri tootmiseks. Termilised piirkonnad eksisteerivad mitmel pool maailmas.
Erinevatel hinnangutel on temperatuur Maa keskpunktis vähemalt 6650 0C. Maa jahtumiskiirus on ligikaudu 300-350 0C miljardi aasta kohta. Maa sisaldab 42 x 1012 W soojust, millest 2% sisaldub maakoores ja 98% vahevöös ja tuumas. Kaasaegsed tehnoloogiad ei võimalda jõuda liiga sügavale soojusele, kuid 840 000 000 000 W (2%) saadaolevast maasoojusenergiast suudab inimkonna vajadused rahuldada pikaks ajaks. Mandrilaamade servi ümbritsevad piirkonnad on parim koht maasoojusjaamade ehitamiseks, sest sellistel aladel on koor palju õhem.
Geotermilised elektrijaamad ja geotermilised ressursid
Mida sügavam on kaev, seda kõrgem on temperatuur, kuid mõnes kohas tõuseb geotermiline temperatuur kiiremini. Sellised kohad asuvad tavaliselt kõrge seismilise aktiivsusega piirkondades, kus tektoonilised plaadid põrkuvad või purunevad. Seetõttu asuvad kõige lootustandvamad geotermilised ressursid vulkaanilise tegevuse tsoonides. Mida suurem on geotermiline gradient, seda odavam on soojust ammutada, vähendades puurimis- ja pumpamiskulusid. Kõige soodsamatel juhtudel võib gradient olla nii suur, et pinnavesi soojendatakse soovitud temperatuurini. Selliste juhtumite näideteks on geisrid ja kuumaveeallikad.
Maakoore all on kuuma ja sulanud kivimikiht, mida nimetatakse magmaks. Kuumus tekib seal peamiselt looduslike radioaktiivsete elementide, nagu uraan ja kaalium, lagunemise tõttu. Soojuse energiapotentsiaal 10 000 meetri sügavusel on 50 000 korda suurem energia kui kõik maailma nafta- ja gaasivarud.
Kõrgeima maa-aluse temperatuuriga tsoonid asuvad aktiivsete ja noorte vulkaanidega piirkondades. Selliseid "kuumaid kohti" leidub tektooniliste plaatide piiridel või kohtades, kus maakoor on nii õhuke, et magmast pärit soojus pääseb läbi. Paljud levialad asuvad Vaikse ookeani ääres, mida nimetatakse seetõttu ka "tulerõngaks". suur hulk vulkaanid.
Maasoojuselektrijaamad – maasoojusenergia kasutamise viisid
Geotermilisel energial on kaks peamist kasutusala: otsene soojuse ja elektri tootmine. Soojuse otsekasutamine on kõige lihtsam ja seetõttu levinuim meetod. Soojuse otsese kasutamise praktika on laialt levinud kõrgetel laiuskraadidel tektooniliste plaatide piiridel, näiteks Islandil ja Jaapanis. Veevarustus paigaldatakse sellistel juhtudel otse sügavatesse kaevudesse. Saadud kuuma vett kasutatakse teede soojendamiseks, riiete kuivatamiseks ning kasvuhoonete ja eluhoonete kütmiseks. Geotermilisest energiast elektrienergia tootmise meetod on väga sarnane otsekasutuse meetodile. Ainus erinevus on vajadus kõrgema temperatuuri järele (üle 150 0C).
Californias, Nevadas ja veel mõnes kohas kasutatakse geotermilist energiat suurtes elektrijaamades.Seega Californias toodetakse umbes 5% elektrist maasoojusenergiaga, El Salvadoris toodab maasoojus umbes 1/3 elektrist. Idahos ja Islandil kasutatakse geotermilist soojust mitmesugustes rakendustes, sealhulgas kodu kütmisel. Tuhanded kodud kasutavad puhta ja soodsa soojuse pakkumiseks maasoojuspumpasid.
Geotermilised elektrijaamad - maasoojusenergia allikad.
kuiv kuumutatud kivi– Maasoojuselektrijaamades sisalduva energia kasutamiseks kuivas kivis, vees kõrgsurve pumbatakse tõu sisse. Nii laienevad kivimis olevad murrud ja tekib maa-alune auru või kuuma vee reservuaar.
Magma Sulamass, mis tekib maakoore all. Magma temperatuur ulatub 1200 0С. Kuigi ligipääsetavates sügavustes leidub väikeses koguses magmat, on väljatöötamisel praktilised meetodid magmast energia saamiseks.
Kuum, rõhu all olev põhjavesi mis sisaldab lahustunud metaani. Elektri tootmisel kasutatakse nii soojust kui gaasi.
Geotermilised elektrijaamad - tööpõhimõtted
Praegu on hüdrotermiliste ressursside abil elektrienergia tootmiseks kolm skeemi: otsene kuiva auru abil, kaudne veeauru abil ja segatootmise skeem (binaartsükkel). Konversiooni tüüp sõltub keskkonna (aur või vesi) olekust ja selle temperatuurist. Esimesena meisterdati kuiva auruga elektrijaamad. Nende jaoks elektri tootmiseks juhitakse kaevust tulev aur otse läbi turbiini/generaatori. Kaudse elektritootmisega elektrijaamad on ülekaalukalt levinumad. Nad kasutavad kuuma maa-alust vett (kuni 182 °C), mis pumbatakse kõrge rõhu all maapinnal asuvatesse generaatoritesse. Geotermilised segaelektrijaamad erinevad kahest eelmisest geotermilise elektrijaama tüübist selle poolest, et aur ja vesi ei puutu kunagi otseselt turbiini/generaatoriga kokku.
Kuival aurul töötavad geotermilised elektrijaamad
Auruelektrijaamad töötavad peamiselt hüdrotermilise auruga. Aur läheb otse turbiini, mis toidab elektrit tootvat generaatorit. Auru kasutamine välistab vajaduse põletada fossiilkütuseid (puudub ka vajadus kütuse transportimiseks ja ladustamiseks). Need on vanimad maasoojuselektrijaamad. Esimene selline elektrijaam ehitati Larderellosse (Itaalia) 1904. aastal ja see töötab siiani. Aurutehnoloogiat kasutatakse Põhja-California elektrijaamas Geysers, mis on maailma suurim geotermiline elektrijaam.
Geotermilised elektrijaamad auruhüdrotermidel
Need jaamad kasutavad elektri tootmiseks ülekuumendatud hüdroterme (temperatuurid üle 182°C). Hüdrotermiline lahus surutakse rõhu alandamiseks aurustisse, mistõttu osa lahusest aurustub väga kiiresti. Saadud aur ajab turbiini. Kui paaki jääb vedelikku, saab selle järgmises aurustis veelgi suurema võimsuse saamiseks aurustada.
Elektritootmise kahendtsükliga geotermilised elektrijaamad.
Enamik geotermilisi piirkondi sisaldab mõõduka temperatuuriga vett (alla 200 °C). Kahetsüklilised elektrijaamad kasutavad seda vett energia tootmiseks. Kuum maasoojusvesi ja teine, veest madalama keemistemperatuuriga lisavedelik lastakse läbi soojusvaheti. Geotermilise vee soojus aurustab teise vedeliku, mille aurud käitavad turbiine. Kuna tegemist on suletud süsteemiga, siis atmosfääri heitmeid praktiliselt ei teki. Parasvöötme veed on kõige rikkalikum geotermiline ressurss, nii et enamik tuleviku geotermilisi elektrijaamu töötab sellel põhimõttel.
Geotermilise elektri tulevik.
Aurupaagid ja kuum vesi on vaid väike osa maasoojusressurssidest. Maa magma ja kuiv kivim pakuvad odavat, puhast ja praktiliselt ammendamatut energiat, kui nende kasutamiseks on välja töötatud sobivad tehnoloogiad. Seni on levinumad geotermilise elektri tootjad kahetsüklilised elektrijaamad.
Selleks, et geotermiline elekter saaks USA energiataristu võtmeelemendiks, tuleb välja töötada meetodid selle tootmiskulude vähendamiseks. USA energeetikaministeerium teeb koostööd geotermilise tööstuse esindajatega, et vähendada kilovatt-tunni maksumust 0,03-0,05 dollarile. Järgmise kümnendi jooksul ennustatakse uute maasoojuselektrijaamade tekkimist 15 000 MW võimsusega.
Harjutus nr 6
Sihtmärk: tutvuda GeoTPP ja ookeani soojusenergia muundamise tehnoloogiate (OTEC) tööpõhimõttega, samuti nende arvutamise metoodikaga.
Tunni kestus- 2 tundi
Tööprotsess:
1. Töö teoreetilise osa alusel tutvuge GeoTPP tööpõhimõtte ja ookeani soojusenergia muundamise tehnoloogiatega (PTEC.
2. Vastavalt individuaalsele ülesandele lahenda praktilisi ülesandeid.
1. TEOREETILINE OSA
Ookeani soojusenergia kasutamine
Ookeani soojusenergia muundamise tehnoloogia (OTEC) toodab elektrit sooja ja külma ookeanivee temperatuuride erinevusest. Külm vesi pumbatakse toru kaudu rohkem kui 1000 meetri sügavuselt (kohast, kuhu päikesekiired kunagi ei ulatu). Süsteem kasutab ka sooja vett ookeanipinna lähedal asuvast piirkonnast. Päikese käes soojendatud vesi läbib soojusvaheti madala keemistemperatuuriga kemikaalidega, nagu ammoniaak, mis tekitab keemilise auru, mis juhib elektrigeneraatorite turbiine. Seejärel kondenseeritakse aur sügavast ookeanist pärit jahutatud vee abil tagasi vedelaks. Troopilisi piirkondi peetakse parimaks kohaks PTEC-süsteemide paigutamiseks. See on tingitud suuremast temperatuuride erinevusest madala vee ja sügavuse vee vahel.
Erinevalt tuule- ja päikeseparkidest suudavad ookeanisoojuselektrijaamad toota puhast elektrit ööpäevaringselt, 365 päeva aastas. Selliste jõuallikate ainsaks kõrvalsaaduseks on külm vesi, mida saab kasutada elektritootmisjaama lähedal asuvates haldus- ja elamutes jahutamiseks ja konditsioneerimiseks.
Geotermilise energia kasutamine
Geotermiline energia on energia, mis saadakse maa looduslikust soojusest. Seda soojust saab saavutada kaevude abil. Kaevu geotermiline gradient suureneb 1°C võrra iga 36 meetri järel. See soojus kantakse pinnale auru või kuuma vee kujul. Sellist soojust saab kasutada nii otse majade ja hoonete kütmiseks kui ka elektri tootmiseks.
Erinevate hinnangute kohaselt on temperatuur Maa keskpunktis vähemalt 6650 °C. Maa jahtumiskiirus on ligikaudu 300–350 ° C miljardi aasta kohta. Maa eraldab 42·10 12 W soojust, millest 2% neeldub maakoores ja 98% vahevöös ja tuumas. Kaasaegne tehnoloogia ei võimalda jõuda liiga sügavale eralduva soojuseni, kuid isegi 840000000000 W (2%) olemasolevast maasoojusenergiast suudab inimkonna vajadused rahuldada pikaks ajaks. Mandrilaamade äärte ümber asuvad alad on parim koht geotermiliste jaamade rajamiseks, sest maakoor on sellistel aladel palju õhem.
GeoTPP-s energia saamiseks on mitu võimalust:
· Otsene skeem: aur suunatakse torude kaudu elektrigeneraatoritega ühendatud turbiinidesse;
· Kaudne vooluring: sarnane otseahelale, kuid enne torudesse sisenemist puhastatakse aur gaasidest, mis põhjustavad torude hävimist;
· Segaahel: sarnane otseahelaga, kuid pärast kondenseerumist eemaldatakse veest gaasid, mis pole selles lahustunud.
2. PRAKTILINE OSA
1. ülesanne. Määrake algtemperatuur t2 ja geotermilise energia hulk E o (J) põhjaveekihi paksus h km sügavuses z km, kui on antud veehoidla kivimi omadused: tihedus p gr \u003d 2700 kg / m 3; poorsus a = 5%; erisoojus C gr =840 J/(kg K). temperatuuri gradient (dT/dz) °C / km, valige vastavalt ülesannete valikute tabelile.
Keskmine pinnatemperatuur t o võtta võrdne 10 °С. Vee erisoojusmaht Alates kuni = 4200 J/(kg K); vee tihedus ρ \u003d 1 10 3 kg / m 3. Arvutage pindala suhtes F \u003d 1 km 2. Minimaalne lubatud moodustumise temperatuur on võrdne t1=40 °C.
Määrata ka soojusenergia ammutamise ajakonstant o (aastad), millal vesi reservuaari süstitakse ja selle tarbimine V \u003d 0,1 m 3 / (s km 2). Kui suur on algselt eraldatud soojusvõimsus (dE/dz) τ =0 ja 10 aasta pärast (dE/dz) τ =10?
Ülesanne 1 on pühendatud maapinnast sügavusel z (km) asuvatesse looduslikesse põhjaveekihtidesse koondunud geotermilise energia soojuspotentsiaalile. Tavaliselt on põhjaveekihi paksus h (km) väiksem selle sügavusest. Kiht on poorse struktuuriga - kivimite poorid on täidetud veega (poorsust hinnatakse koefitsiendiga α). Maakoore kõvade kivimite keskmine tihedus p gr =2700 kg/m 3 ja soojusjuhtivuse koefitsient λ gr =2 W/(m·K). Maapinna temperatuuri muutust maapinna suunas iseloomustab temperatuurigradient (dT/dz), mida mõõdetakse °C/km või K/km.
Maakeral on kõige levinumad normaalse temperatuurigradiendiga (alla 40 ° C / km) alad, mille pinna suunas väljuvate soojusvoogude tihedus on ≈ 0,06 W / m 2. Maa sisikonnast soojuse ammutamise majanduslik otstarbekus on siin ebatõenäoline.
Poolsoojuses piirkondades on temperatuurigradient 40-80 °C/km. Siin on soovitav kasutada soolte soojust kütteks, kasvuhoonetes, balneoloogias.
Hüpertermilises seisundis aladel (maakoore platvormide piiride lähedal) on gradient üle 80 °C/km. Siia on otstarbekas ehitada GeoTPP.
Teadaoleva temperatuurigradiendi korral on põhjaveekihi temperatuuri võimalik määrata enne selle töö alustamist:
T g \u003d T o + (dT / dz) z,
kus T o on temperatuur Maa pinnal, K (° C).
Arvutuspraktikas viidatakse geotermilise energia karakteristikutele tavaliselt 1 km 2 pinnast F.
Mahuti soojusmahtuvuse C pl (J / K) saab määrata võrrandiga
C pl \u003d [α ρ in C in + (1- α) ρ gr C gr ] h F,
kus p in ja C in on vastavalt tihedus ja isobaarne erisoojus
p gr ja C gr - pinnase (tekkekivimite) tihedus ja erisoojusmahtuvus; tavaliselt p gr \u003d 820-850 J / (kg K).
Kui määrate minimaalse lubatud temperatuuri, mille juures saate kasutada reservuaari soojusenergiat T 1 (K), saate selle soojuspotentsiaali hinnata töö alustamiseks (J):
E 0 \u003d C pl (T 2 -T 1)
Mahuti ajakonstandi τ 0 (selle võimalik kasutusaeg, aastad) soojusenergia eemaldamise korral, pumbates sinna vett mahulise voolukiirusega V (m 3 / s), saab määrata võrrandiga:
τ 0 \u003d C pl / (V ρ C in)
Arvatakse, et reservuaari soojuspotentsiaal selle arendamise ajal muutub vastavalt eksponentsiaalseadusele:
E=E 0 e -(τ / τ o)
kus τ on aastate arv alates kasutamise algusest;
e on naturaallogaritmide alus.
Geotermilise reservuaari soojusvõimsus ajahetkel τ (aastates alates arenduse algusest) W (MW):
2. ülesanne Arvatakse, et tegelik tõhusus η Ookeaniline soojuselektrijaam, mis kasutab pinna- ja süvavee temperatuuride erinevust (T 1 -T 2) = ∆T ja töötab Rankine'i tsükli järgi, on pool Carnot' tsükli järgi töötava jaama soojusefektiivsusest, η t k . Hinnake OTES-i, mille töövedelikuks on ammoniaak, tegeliku efektiivsuse võimalikku väärtust, kui vee temperatuur ookeani pinnal t , °С ja veetemperatuuri ookeani sügavuses t2 , °С. Mis on sooja vee tarbimine V , m/h on vaja OTES-i puhul, mille võimsus on N MW?
Ülesanne 2 on pühendatud väljavaadetele kasutada ookeani pinna- ja süvavee temperatuuride erinevust elektri tootmiseks OTES-is, mis töötab hästi tuntud Rankine tsükli järgi. Töövedelikuna eeldatakse madala keemistemperatuuriga ainete (ammoniaak, freoon) kasutamist. Tänu väikestele temperatuuride erinevustele (∆T=15÷26 o C) on Carnot tsükli järgi töötava tehase soojuslik kasutegur vaid 5-9%. Rankine tsüklil töötava tehase tegelik efektiivsus on poole väiksem. Selle tulemusena on OTESis suhteliselt väikeste võimsuste osakaalu saamiseks vaja suuri "sooja" ja "külma" vee tarbimist ning sellest tulenevalt suuri sisse- ja väljalasketorustike läbimõõtu.
Q 0 =p V C p ∆T,
kus p on merevee tihedus, kg / m 3;
C p - merevee massisoojusmaht, J / (kg K);
V - mahuline veevool, m 3 / s;
∆T \u003d T 1 -T 2 - pinna- ja süvavee temperatuuride erinevus
(tsükli temperatuuride erinevus) °C või K.
Ideaalses teoreetilises Carnot tsüklis saab mehaanilist võimsust N 0 (W) määratleda kui
N 0 \u003d η t k Q o,
või võttes arvesse (1) ja Carnot' tsükli termilise efektiivsuse avaldist η t k:
N 0 \u003d p C p V (∆T) 2 /T 1.
3. ülesanne Kaheahelaline elektrienergiaga auru-vesi geotermiline elektrijaam N saab temperatuuriga maasoojuskaevu veest soojust t gs . Kuiva küllastunud auru temperatuur aurugeneraatori väljalaskeava juures on 20 0 C madalam kui t gs . Aur paisub turbiinis ja siseneb kondensaatorisse, kust see jahutatakse sealt tuleva veega keskkond temperatuuriga t xv . Jahutusvett soojendatakse kondensaatoris 12 0 C võrra. Kondensaadi temperatuur on 20 0 C kõrgem kui t xv . Geotermiline vesi väljub aurutootmisjaamast kondensaadist 15 0 C kõrgemal temperatuuril. Suhteline turbiini sisetegur η oi , turbogeneraatori elektriline kasutegur η e =0,96. Määrake Rankine'i tsükli termiline efektiivsus, auruvool ja erisoojuse voog, veevool maasoojuskaevudest ja keskkonnast.
Üheahelalises auruturbiinis GeoTEP määrab kuiva küllastunud auru entalpia pärast eraldamist geotermilise vee temperatuur t gw. Vee ja veeauru termodünaamiliste omaduste tabelitest või h-s diagrammidest. Kaheahelalise GeoTEU puhul võetakse arvesse aurugeneraatori temperatuuride erinevust Δt. Vastasel juhul tehakse arvutus nagu päikeseenergia auruturbiini TPP puhul.
Aurukulu määratakse suhte järgi
kg/s,
kus η t on tsükli termiline kasutegur,
η оі - turbiini suhteline sisemine efektiivsus,
η e on turbogeneraatori elektriline kasutegur,
N on GeoTEU võimsus, kW,
Maasoojuskaevude kuuma vee vooluhulk määratakse valemiga
, kg/s,
külma vee tarbimine keskkonnast auru kondenseerumiseks
, kg/s,
kus c = 4,19 kJ/kg∙K on vee soojusmahtuvus,
η pg on aurugeneraatori efektiivsus,
Δt pg – geotermilise vee temperatuuride erinevus aurugeneraatoris, 0 С,
Δt xv - külma vee temperatuuri langus kondensaatoris, 0 C.
GeoTEU arvutamine madala keemistemperatuuriga ja segatud töövedelikega toimub termodünaamiliste omaduste tabelite ja nende vedelike aurude h-s diagrammide abil.
| Kogused ja nende ühikud | Ülesande valikud | |||||||||
| N, MW | ||||||||||
| t min., 0 С | ||||||||||
| t min., 0 С | ||||||||||
| η oi , % |
