Binārā tipa ģeotermālās elektrostacijas termiskās shēmas aprēķins. Ģeotermālā enerģija: tehnoloģijas un iekārtas. Literatūra pašmācībai

Lekcijas mērķis: parādīt ģeotermālā siltuma izmantošanas iespējas un veidus elektroapgādes sistēmās.

Siltumu karsto avotu un geizeru veidā var izmantot elektroenerģijas ražošanai saskaņā ar dažādām shēmām ģeotermālajās spēkstacijās (GeoPP). Visvieglāk īstenojamā shēma ir shēma, kurā izmanto šķidrumu pāri ar zemu viršanas temperatūru. Karstais ūdens no dabīgiem avotiem, karsējot šādu šķidrumu iztvaicētājā, pārvērš to tvaikā, ko izmanto turbīnā un kalpo kā strāvas ģeneratora piedziņa.

1. attēlā parādīts cikls ar vienu darba šķidrumu, piemēram, ar ūdeni vai freonu ( a); cikls ar diviem darba šķidrumiem - ūdeni un freonu ( b); tiešais tvaika cikls ( iekšā) un divu cilpu ciklu ( G).

Elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijas lielā mērā ir atkarīgas no termālo ūdeņu termiskā potenciāla.

Bilde. 1 — elektroenerģijas ražošanas cikla organizēšanas piemēri:

I - ģeotermālais avots; II - turbīnas cikls; III - dzesēšanas ūdens

Augsta potenciāla nogulsnes ļauj izmantot praktiski tradicionālās konstrukcijas termoelektrostacijas ar tvaika turbīnām.

1. tabula - Specifikācijasģeotermālās elektrostacijas

2. attēlā parādīts visvairāk vienkārša ķēde neliela elektrostacija (GeoES), kas izmanto karsta pazemes avota siltumu.

Ūdens no karstā avota, kura temperatūra ir aptuveni 95 ° C, ar sūkni 2 tiek sūknēts uz gāzes noņēmēju 3, kur tiek atdalītas tajā izšķīdušās gāzes.

Tālāk ūdens nonāk iztvaicētājā 4, kurā tas pārvēršas piesātinātā tvaikā un nedaudz pārkarst, pateicoties tvaika siltumam (no papildu katla), kas iepriekš ir iztukšots kondensatora ežektorā.

Nedaudz pārkarsēts tvaiks gan strādā 5. turbīnā, uz kuras vārpstas ir strāvas ģenerators. Izplūdes tvaiki kondensējas kondensatorā 6, ko normālā temperatūrā dzesē ūdens.

2. attēls-. Neliela GeoPP shēma:

1 - uztvērējs karsts ūdens; 2 - karstā ūdens sūknis; 3 - gāzes noņemšanas līdzeklis;

4 - iztvaicētājs; 5 - tvaika turbīna ar strāvas ģeneratoru; 6 - kondensators; 7 - cirkulācijas sūknis; 8 - dzesēšanas ūdens uztvērējs

Šādas vienkāršas iekārtas jau darbojās Āfrikā pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados.

Acīmredzams mūsdienu elektrostacijas konstrukcijas variants ir ģeotermālā elektrostacija ar zemu viršanas temperatūru, kas parādīta 3. attēlā. Karstais ūdens no uzglabāšanas tvertnes nonāk iztvaicētājā 3, kur tas atdod savu siltumu kādai vielai ar zemu. vārīšanās punkts. Šādas vielas var būt oglekļa dioksīds, dažādi freoni, sēra heksafluorīds, butāns uc Kondensators 6 ir jaukšanas veids, ko atdzesē ar aukstu šķidru butānu, kas nāk no virszemes gaisa dzesētāja. Daļa butāna no kondensatora tiek piegādāta ar padeves sūkni 9 uz sildītāju 10 un pēc tam uz iztvaicētāju 3.

Šīs shēmas svarīga iezīme ir iespēja darboties ziemā ar zemu kondensācijas temperatūru. Šī temperatūra var būt tuvu nullei vai pat negatīva, jo visām uzskaitītajām vielām ir ļoti zemi sasalšanas punkti. Tas ļauj ievērojami paplašināt ciklā izmantotās temperatūras robežas.

Bilde 3. Ģeotermālās elektrostacijas shēma ar zemu viršanas temperatūru darba vielu:

1 - aka, 2 - uzglabāšanas tvertne, 3 - iztvaicētājs, 4 - turbīna, 5 - ģenerators, 6 - kondensators, 7 - cirkulācijas sūknis, 8 - virsmas gaisa dzesētājs, 9 - padeves sūknis, 10 - darba vides sildītājs

Ģeotermālā elektrostacija ar nekavējoties izmantojot dabīgais tvaiks.

Vienkāršākā un pieejamākā ģeotermālā elektrostacija ir pretspiediena tvaika turbīna. Dabīgais tvaiks no akas tiek piegādāts tieši turbīnai ar sekojošu izplūdi atmosfērā vai ierīcē, kas uztver vērtīgas ķīmiskas vielas. Pretspiediena turbīnu var piegādāt ar sekundāro tvaiku vai tvaiku, kas iegūts no separatora. Saskaņā ar šo shēmu elektrostacija darbojas bez kondensatoriem, un nav nepieciešams kompresors, lai noņemtu no kondensatoriem nekondensējamās gāzes. Šī uzstādīšana ir visvienkāršākā, kapitāla un ekspluatācijas izmaksas tai ir minimālas. Tas aizņem nelielu platību, gandrīz neprasa papildu aprīkojumu, un to var viegli pielāgot kā pārnēsājamu ģeotermālo spēkstaciju (4. attēls).

4. attēls. Ģeotermālās elektrostacijas shēma ar tiešu dabisko tvaiku izmantošanu:

1 - labi; 2 - turbīna; 3 - ģenerators;

4 - izeja atmosfērā vai ķīmiskajā rūpnīcā

Aplūkotā shēma var kļūt par visrentablāko apgabaliem, kur ir pietiekamas dabiskā tvaika rezerves. Racionāla darbība sniedz iespēju efektīvs darbsšāda iekārta pat ar mainīgu akas plūsmas ātrumu.

Itālijā ir vairākas šādas stacijas. Vienam no tiem ir jauda 4 tūkstoši kW pie īpatnējā tvaika patēriņa aptuveni 20 kg / s vai 80 t / h; otrs ar 16 tūkstošu kW jaudu, kurā uzstādīti četri turboģeneratori ar jaudu 4 tūkstoši kW katrs. Pēdējais tiek piegādāts ar tvaiku no 7–8 akām.

Ģeotermālā elektrostacija ar kondensācijas turbīnu un tiešu dabiskā tvaika izmantošanu (5. attēls) ir vismodernākā shēma elektroenerģijas ražošanai.

Tvaiks no akas tiek ievadīts turbīnā. Iztērēts turbīnā, tas nonāk maisīšanas kondensatorā. Dzesēšanas ūdens un turbīnā jau izsmeltā tvaika kondensāta maisījums no kondensatora tiek novadīts pazemes tvertnē, no kurienes to paņem cirkulācijas sūkņi un nosūta dzesēšanai uz dzesēšanas torni. No dzesēšanas torņa dzesēšanas ūdens atkal nonāk kondensatorā (5. attēls).

Saskaņā ar šo shēmu ar dažām izmaiņām darbojas daudzas ģeotermālās spēkstacijas: Larderello-2 (Itālija), Wairakei (Jaunzēlande) utt.

Darbības joma divkontūru spēkstacijas uz zemas viršanas temperatūras darba vielām (freons-R12, ūdens-amonjaka maisījums,) ir termālo ūdeņu siltuma izmantošana ar temperatūru 100 ... 200 ° C, kā arī atdalītā ūdens izmantošana tvaika hidrotermu nogulsnēs.

5. attēls. Ģeotermālās elektrostacijas shēma ar kondensācijas turbīnu un tiešu dabiskā tvaika izmantošanu:

1 - labi; 2 - turbīna; 3 - ģenerators; 4 - sūknis;

5 - kondensators; 6 - dzesēšanas tornis; 7 - kompresors; 8 - atiestatīt

Kombinēts elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošana

Ģeotermālajās termoelektrostacijās (GeoTPP) ir iespējama kombinēta elektroenerģijas un siltumenerģijas ražošana.

Vienkāršākā vakuuma tipa GeoTPP diagramma karstā ūdens siltuma izmantošanai ar temperatūru līdz 100 ° C ir parādīta 6. attēlā.

Šādas spēkstacijas darbība notiek šādi. Karstais ūdens no 1. akas nonāk uzglabāšanas tvertnē 2. Tvertnē tas tiek atbrīvots no tajā izšķīdušajām gāzēm un tiek nosūtīts uz paplašinātāju 3, kurā tiek uzturēts spiediens 0,3 atm. Pie šāda spiediena un 69 ° C temperatūrā neliela ūdens daļa pārvēršas tvaikā un tiek nosūtīta uz vakuuma turbīnu 5, bet atlikušo ūdeni sūknis 4 sūknē uz siltumapgādes sistēmu. Turbīnā izvadītie tvaiki tiek izvadīti sajaukšanas kondensatorā 7. Gaisa izvadīšanai no kondensatora tiek uzstādīts vakuumsūknis 10. ar gravitācijas spēku izplūdes dēļ.

Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP ar jaudu 12 MW (3x4 MW) ir Mutnovskaya GeoTPP izmēģinājuma posms ar projektēto jaudu 200 MW, kas izveidots, lai apgādātu ar elektroenerģiju Petropavlovskas-Kamčatskas rūpnieciskajā reģionā.

6. attēls -. Vakuuma GeoTPP shēma ar vienu paplašinātāju:

1 - aka, 2 - uzglabāšanas tvertne, 3 - paplašinātājs, 4 - karstā ūdens sūknis, 5 - vakuuma turbīna 750 kW, 6 - ģenerators, 7 - maisīšanas kondensators,

8 - dzesēšanas ūdens sūknis, 9 - ventilatora dzesēšanas tornis, 10 - vakuumsūknis

Paužetskas ģeotermālajā elektrostacijā (uz dienvidiem no Kamčatkas) ar jaudu 11 MW tvaika turbīnās tiek izmantots tikai atdalīts ģeotermālais tvaiks no tvaika-ūdens maisījuma, kas iegūts no ģeotermālajām akām. Nārstojošajā Ozernajas upē tiek novadīts liels daudzums ģeotermālā ūdens (apmēram 80  no kopējā PVS patēriņa) ar temperatūru 120 °C, kas noved ne tikai pie ģeotermālā dzesēšanas šķidruma termiskā potenciāla zuduma, bet arī būtiski. pasliktina upes ekoloģisko stāvokli.

Siltumsūkņi

Siltumsūknis- ierīce siltumenerģijas pārvadīšanai no zemas kvalitātes siltumenerģijas avota ar zemu temperatūru siltumnesēja patērētājam ar augstāku temperatūru. Termodinamiski siltumsūknis ir apgriezta saldēšanas iekārta. Ja saldēšanas iekārtā galvenais mērķis ir ražot aukstumu, paņemot siltumu no jebkura tilpuma ar iztvaicētāju, un kondensators izvada siltumu vidē, tad siltumsūknī situācija ir pretēja (7. attēls). Kondensators ir siltummainis, kas ģenerē siltumu patērētājam, un iztvaicētājs ir siltummainis, kas izmanto zemas kvalitātes siltumu, kas atrodas rezervuāros, augsnēs, notekūdeņos un tamlīdzīgi. Atkarībā no darbības principa siltumsūkņus iedala kompresijas un absorbcijas sūkņos. Kompresijas siltumsūkņus vienmēr darbina elektromotors, savukārt absorbcijas siltumsūkņi var izmantot arī siltumu kā enerģijas avotu. Kompresoram ir nepieciešams arī zemas kvalitātes siltuma avots.

Darbības laikā kompresors patērē elektroenerģiju. Saražotās siltumenerģijas un patērētās elektroenerģijas attiecību sauc par transformācijas koeficientu (vai siltuma konversijas koeficientu), un tā kalpo kā siltumsūkņa efektivitātes rādītājs. Šī vērtība ir atkarīga no atšķirības starp temperatūras līmeņiem iztvaicētājā un kondensatorā: jo lielāka atšķirība, jo mazāka šī vērtība.

Autors dzesēšanas šķidruma veids ieejas un izejas ķēdēs sūkņi ir sadalīti sešos veidos: "grunts-ūdens", "ūdens-ūdens", "gaiss-ūdens", "zeme-gaiss", "ūdens-gaiss", "gaiss-gaiss" .

Izmantojot augsnes enerģiju kā siltuma avotu, cauruļvads, kurā cirkulē šķidrums, tiek ierakts zemē 30-50 cm zem augsnes sasalšanas līmeņa attiecīgajā reģionā (8. attēls). Lai uzstādītu siltumsūkni ar jaudu 10 kW, nepieciešams 350-450 m garš zemes kontūrs, kura ieklāšanai nepieciešams zemes gabals ap 400 m² (20x20 m).

7. attēls - siltumsūkņa darbības shēma

8. attēls. Augsnes enerģijas kā siltuma avota izmantošana

Pirmkārt, siltumsūkņu priekšrocības ietver izmaksu lietderību: lai apkures sistēmai nodotu 1 kWh siltumenerģijas, HES iekārtai jāpatērē 0,2-0,35 kWh elektroenerģijas .. Visas sistēmas darbojas, izmantojot slēgtas ķēdes un praktiski neprasa ekspluatācijas izmaksas, izņemot iekārtu ekspluatācijai nepieciešamās elektroenerģijas izmaksas, ko var iegūt vēja un saules elektrostacijās. Siltumsūkņu atmaksāšanās laiks ir 4-9 gadi, ar kalpošanas laiku 15-20 gadi pirms kapitālā remonta.

Mūsdienu siltumsūkņu faktiskās lietderības vērtības ir COP = 2,0 pie avota temperatūras –20 °C un COP = 4,0 pie avota temperatūras +7 °C.

Divkontūru GeoTEP uzbūve (4.2. att.) ietver tvaika ģeneratoru 4, kurā ģeotermālā tvaika-ūdens maisījuma siltumenerģija tiek izmantota tradicionālās mitrās tvaika tvaika turbīnas 6 padeves ūdens uzsildīšanai un iztvaicēšanai. ar elektrisko ģeneratoru 5. Tvaika ģeneratorā izmantotais ģeotermālais ūdens ar sūkni 3 tiek iesūknēts atgaitas akā 2. Ķīmiskā tīrīšana Turbīnas iekārtas padeves ūdens tiek veikts ar tradicionālajām metodēm. Padeves sūknis 8 atgriež kondensātu no kondensatora 7 uz tvaika ģeneratoru.

Divkontūru iekārtā tvaika kontūrā nav nekondensējamo gāzu, tāpēc kondensatorā tiek nodrošināts dziļāks vakuums un palielinās iekārtas termiskā efektivitāte, salīdzinot ar vienas ķēdes. Tvaika ģeneratora izejā atlikušo ģeotermālā ūdens siltumu, tāpat kā vienas ķēdes ģeotermālās elektrostacijas gadījumā, var izmantot siltumapgādes vajadzībām.

4.2.att. Divkontūru GeoTPP termiskā shēma

Gāzes, tostarp sērūdeņradis, tiek piegādātas no tvaika ģeneratora uz burbuļojošo absorbētāju un izšķīdinātas ģeotermālajā ūdenī, pēc tam to iesūknējot apglabāšanas akā. Saskaņā ar testu datiem būvētajā Ocean GeoTPP (Kurilu salas), 93,97% sākotnējā sērūdeņraža ir izšķīdināti burbuļojošā absorbētājā.

Temperatūras starpība tvaika ģeneratorā samazina dubultās ķēdes iekārtas dzīvā tvaika entalpiju h 1 salīdzinājumā ar vienas ķēdes iekārtu, tomēr kopumā siltuma kritums turbīnā palielinās, jo samazinās turbīnas entalpija. izplūdes tvaiks h 2 . Cikla termodinamiskais aprēķins tiek veikts tāpat kā parastajai tvaika turbīnas termoelektrostacijai (skatīt sadaļu par saules tvaika turbīnu iekārtām).

Karstā ūdens plūsmas ātrumu no ģeotermālajām akām iekārtai ar jaudu N, kW nosaka pēc izteiksmes

kg/s, (4,3)

kur ir ģeotermālā ūdens temperatūras starpība pie tvaika ģeneratora ieplūdes un izplūdes, °C, ir tvaika ģeneratora efektivitāte. Mūsdienu divkontūru tvaika turbīnu GeoTEPs kopējā efektivitāte ir 17,27%.

Iegulās ar relatīvi zemu ģeotermālo ūdeņu temperatūru (100-200°C) uz zemas viršanas temperatūras darba šķidrumiem (freoniem, ogļūdeņražiem) izmanto divkontūru iekārtas. Šādas iekārtas ir arī ekonomiski pamatotas izmantot viena loka GeoTPP atdalītā ūdens siltumu (nevis siltummaiņu 4.1. attēlā). Mūsu valstī pirmo reizi pasaulē (1967. gadā) tika izveidota šāda veida spēkstacija uz freona R-12 bāzes ar jaudu 600 kW, kas zinātniskā vadībā uzbūvēta Paratunskas ģeotermālajā laukā (Kamčatkā). PSRS Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas Termiskās fizikas institūta. Dzesēšanas šķidruma temperatūras starpība bija 80 ... 5 ° C, auksts ūdens tika piegādāts kondensatoram no upes. Paratunka ar gada vidējo temperatūru 5 o C. Diemžēl šie darbi netika izstrādāti bijušās organiskās degvielas lētuma dēļ.

Šobrīd AS "Kirovskiy Zavod" ir izstrādājis projektu un tehnisko dokumentāciju divkontūru ģeotermiskajam modulim ar jaudu 1,5 MW uz freona R142v (rezerves dzesēšanas šķidrums - izobutāns). Strāvas modulis tiks pilnībā izgatavots rūpnīcā un piegādāts pa dzelzceļu, būvniecības un uzstādīšanas darbi un pieslēgšana elektrotīklam prasīs minimālas izmaksas. Paredzams, ka rūpnīcas izmaksas jaudas moduļu sērijveida ražošanai tiks samazinātas līdz aptuveni 800 USD par uzstādītās jaudas kilovatu.

Līdztekus GeoTPP, kas darbojas uz viendabīga zemas viršanas temperatūras siltumnesēja, ENIN izstrādā daudzsološu iekārtu, kuras pamatā ir jaukts ūdens-amonjaka darba šķidrums. Šādas iekārtas galvenā priekšrocība ir iespēja to izmantot plašā ģeotermālo ūdeņu un tvaika-ūdens maisījuma temperatūras diapazonā (no 90 līdz 220 o C). Ar viendabīgu darba šķidrumu temperatūras novirze tvaika ģeneratora izejā par 10 ... 20 ° C no aprēķinātās izraisa strauju cikla efektivitātes samazināšanos - 2,4 reizes. Mainot jauktā siltumnesēja komponentu koncentrāciju, iespējams nodrošināt pieņemamu instalācijas veiktspēju pie mainīgām temperatūrām. Amonjaka-ūdens turbīnas jauda šajā temperatūras diapazonā mainās par mazāk nekā 15%. Turklāt šādai turbīnai ir vislabākie svara un izmēra rādītāji, un ūdens-amonjaka maisījums atšķiras labākais sniegums siltuma apmaiņa, kas ļauj samazināt metāla patēriņu un tvaika ģeneratora un kondensatora izmaksas salīdzinājumā ar jaudas moduli uz viendabīga dzesēšanas šķidruma. Šādas spēkstacijas var plaši izmantot rūpnieciskai atkritumu siltuma reģenerācijai. Viņiem var būt liels pieprasījums starptautiskajā tirgū pēc ģeotermālās iekārtas.

GeoTEU aprēķins ar zemas viršanas temperatūras un jauktiem darba šķidrumiem tiek veikts, izmantojot termodinamisko īpašību tabulas un šo šķidrumu tvaiku h - s diagrammas.

Literatūrā bieži pieminētā Pasaules okeāna termisko resursu izmantošanas iespēja pievienojas GeoTES problēmai. Tropu platuma grādos jūras ūdens temperatūra uz virsmas ir aptuveni 25 ° C, 500 ... 1000 m dziļumā - apmēram 2 ... 3 ° C. Vēl 1881. gadā D "Arsonval izteica ideju par ​​izmantojot šo temperatūras starpību elektroenerģijas ražošanai.Shēmas instalācijas vienam no projektiem šīs idejas īstenošanai parādītas 4.3.att.

4.3.att. Okeāna termoelektrostacijas diagramma: 1 - sūknis siltā virszemes ūdens padevei; 2 - zemas viršanas dzesēšanas šķidruma tvaika ģenerators; 3 - turbīna; 4 - elektriskais ģenerators; 5 - kondensators; 6 - aukstā dziļūdens padeves sūknis; 7 - padeves sūknis; 8 - kuģa platforma

Sūknis 1 piegādā siltu virszemes ūdeni tvaika ģeneratoram 2, kur zemas viršanas temperatūras dzesēšanas šķidrums iztvaiko. Tvaiks ar temperatūru aptuveni 20 ° C tiek nosūtīts uz turbīnu 3, kas darbina elektrisko ģeneratoru 4. Izplūdes tvaiki nonāk kondensatorā 5 un tiek kondensēti ar aukstu dziļo ūdeni, ko piegādā cirkulācijas sūknis 6. Padeves sūknis 7 atgriež dzesēšanas šķidrumu uz tvaika ģeneratoru.

Paceļoties cauri siltajiem virszemes slāņiem, dziļūdens tiek uzkarsēts līdz vismaz 7...8° C, attiecīgi izvadītais dzesēšanas šķidruma mitrais tvaiks būs vismaz 12...13° C temperatūrā. Rezultātā šī cikla termiskā efektivitāte būs = 0,028, bet reālajam ciklam - mazāka par 2%. Tajā pašā laikā okeāna koģenerācijai ir raksturīgas augstas enerģijas izmaksas savām vajadzībām, tai būs nepieciešami ļoti lieli siltuma un auksts ūdens, kā arī siltumnesēju, sūkņu enerģijas patēriņš pārsniegs iekārtas saražoto enerģiju. Amerikas Savienotajās Valstīs mēģinājumi ieviest šādas spēkstacijas Havaju salu tuvumā nedeva pozitīvus rezultātus.

Vēl viens okeāna termoelektrostacijas projekts - termoelektriskais - ietver Zēbeka efekta izmantošanu, ievietojot termoelektrodu savienojumus okeāna virspusē un dziļajos slāņos. Ideāla šādas instalācijas efektivitāte, tāpat kā Carnot ciklam, ir aptuveni 2%. 3.2. sadaļa parāda, ka siltuma pārveidotāju faktiskā efektivitāte ir par vienu pakāpi zemāka. Attiecīgi siltuma atdalīšanai okeāna ūdens virsējos slāņos un siltuma pārnesei dziļajos slāņos būtu nepieciešams izbūvēt ļoti lielas platības siltuma apmaiņas virsmas ("zemūdens buras"). Tas ir nereāli spēkstacijām ar praktiski ievērojamu jaudu. Zemais enerģijas blīvums ir šķērslis okeāna siltuma rezervju izmantošanai.

Lasi un raksti noderīga

geotermāla enerģija

Abstrakts.

Ievads.

Ģeotermālo elektrostaciju saražotās elektroenerģijas izmaksas.

Bibliogrāfija.

Abstrakts.

Šis raksts iepazīstina ar ģeotermālās enerģijas attīstības vēsturi gan visā pasaulē, gan mūsu valstī Krievijā. Tika veikta Zemes dziļā siltuma izmantošanas analīze, lai to pārvērstu elektroenerģijā, kā arī nodrošinātu pilsētas ar siltumu un karsto ūdeni tādos mūsu valsts reģionos kā Kamčatka, Sahalīna un Ziemeļkaukāzs. Izstrādāts ekonomiskais pamatojums ģeotermālo atradņu attīstībai, elektrostaciju celtniecībai un to atmaksāšanās periodiem. Salīdzinot ģeotermālo avotu enerģiju ar cita veida enerģijas avotiem, iegūstam ģeotermālās enerģijas attīstības perspektīvas, kam būtu jāieņem nozīmīga vieta kopējā enerģijas izmantošanas bilancē. Jo īpaši Kamčatkas reģiona un Kuriļu salu, daļēji Primorijas un Ziemeļkaukāza enerģētikas nozares pārstrukturēšanai un atjaunošanai ir jāizmanto viņu pašu ģeotermiskie resursi.

Ievads.

Galvenie virzieni ģenerējošo jaudu attīstībai valsts enerģētikā tuvākajā nākotnē ir elektrostaciju tehniskā pārbūve un rekonstrukcija, kā arī jaunu ģenerējošo jaudu nodošana ekspluatācijā. Pirmkārt, tā ir kombinētā cikla staciju būvniecība ar lietderības koeficientu 5560%, kas paaugstinās esošo termoelektrostaciju efektivitāti par 2540%. Nākamajam solim vajadzētu būt termoelektrostaciju celtniecībai, izmantojot jaunas sadedzināšanas tehnoloģijas cietais kurināmais un ar superkritiskiem tvaika parametriem, lai sasniegtu TPP efektivitāti, kas vienāda ar 46-48%. Tālāka attīstība tiks saņemtas arī atomelektrostacijas ar jauna veida termiskajiem un ātro neitronu reaktoriem.

Nozīmīgu vietu Krievijas enerģētikas sektora veidošanā ieņem valsts siltumapgādes sektors, kas ir lielākais pēc patērēto energoresursu apjoma, vairāk nekā 45% no to kopējā patēriņa. Centralizētās siltumapgādes sistēmas (CH) ražo vairāk nekā 71%, un decentralizēti avoti saražo aptuveni 29% no visa siltuma. Vairāk nekā 34% no visa siltumenerģijas tiek piegādāti no elektrostacijām, aptuveni 50% no apkures katliem. Saskaņā ar Krievijas enerģētikas stratēģiju līdz 2020. gadam. siltumenerģijas patēriņu valstī plānots palielināt vismaz 1,3 reizes, un decentralizētās siltumapgādes īpatsvars pieaugs no 28,6% 2000.gadā līdz līdz 33% 2020. gadā

gadā notikušais cenu pieaugums pēdējie gadi, organiskajai degvielai (gāzei, mazutam, dīzeļdegvielai) un tās transportēšanai uz attāliem Krievijas reģioniem un attiecīgi objektīvs elektroenerģijas un siltumenerģijas pārdošanas cenu pieaugums būtiski maina attieksmi pret atjaunojamo energoresursu izmantošanu: ģeotermālo. , vējš, saule.

Tādējādi ģeotermālās enerģijas attīstība atsevišķos valsts reģionos jau šodien ļauj atrisināt elektroenerģijas un siltumapgādes problēmu, jo īpaši Kamčatkā, Kuriļu salās, kā arī Ziemeļkaukāzā, atsevišķos Sibīrijas reģionos. un Krievijas Eiropas daļa.

Starp galvenajiem siltumapgādes sistēmu pilnveidošanas un attīstības virzieniem būtu jāmin vietējo netradicionālo atjaunojamo energoresursu un, pirmkārt, zemes ģeotermālā siltuma izmantošanas paplašināšana. Jau tuvāko 7-10 gadu laikā ar moderno lokālās siltumapgādes tehnoloģiju palīdzību, pateicoties termiskajam siltumam, var ietaupīt ievērojamus fosilā kurināmā resursus.

Pēdējā desmitgadē netradicionālo atjaunojamo energoresursu (NRES) izmantošana pasaulē ir piedzīvojusi īstu uzplaukumu. Šo avotu izmantošanas mērogs ir palielinājies vairākas reizes. Šis virziens attīstās visintensīvāk, salīdzinot ar citām enerģētikas jomām. Šai parādībai ir vairāki iemesli. Pirmkārt, ir acīmredzams, ka lēto tradicionālo enerģijas nesēju laikmets ir neatgriezeniski beidzies. Šajā jomā ir tikai viena tendence - cenu kāpums visiem to veidiem. Ne mazāk nozīmīga ir daudzu kurināmā bāzes atņemto valstu vēlme pēc enerģētiskās neatkarības.Nozīmīgu lomu spēlē vides apsvērumi, tostarp kaitīgo gāzu emisija. Aktīvu morālu atbalstu atjaunojamās enerģijas izmantošanai sniedz attīstīto valstu iedzīvotāji.

Šo iemeslu dēļ atjaunojamās enerģijas attīstība daudzās valstīs ir prioritārs tehniskās politikas uzdevums enerģētikas jomā. Vairākās valstīs šī politika tiek īstenota, izmantojot pieņemto likumdošanas un normatīvo regulējumu, kas nosaka atjaunojamās enerģijas izmantošanas juridiskos, ekonomiskos un organizatoriskos pamatus. Konkrēti, ekonomiskie pamati sastāv no dažādiem pasākumiem atjaunojamās enerģijas atbalstam to enerģijas tirgus attīstības stadijā (nodokļu un kredītu atvieglojumi, tiešās subsīdijas utt.).

Krievijā praktiska izmantošana AER ievērojami atpaliek no vadošajām valstīm. Nav likumdošanas un normatīvā regulējuma, kā arī valsts ekonomiskā atbalsta. Tas viss apgrūtina praktizēšanu šajā jomā. Galvenais inhibējošo faktoru cēlonis ir ieilgušās ekonomiskās problēmas valstī un līdz ar to grūtības ar investīcijām, zems maksātspējīgs pieprasījums, līdzekļu trūkums nepieciešamajām attīstības iespējām. Taču daži darbi un praktiski pasākumi atjaunojamās enerģijas izmantošanai mūsu valstī tiek veikti (ģeotermālā enerģija). Tvaika-hidrotermālās atradnes Krievijā ir pieejamas tikai Kamčatkā un Kuriļu salās. Līdz ar to ģeotermālā enerģija nākotnē nevar ieņemt nozīmīgu vietu valsts enerģētikas sektorā kopumā. Taču tas spēj radikāli un uz visekonomiskākajiem pamatiem atrisināt energoapgādes problēmu šiem reģioniem, kuri izmanto dārgu importa degvielu (mazutu, ogles, dīzeļdegvielu) un atrodas uz enerģētiskās krīzes sliekšņa. Kamčatkas tvaika-hidrotermālo lauku potenciāls spēj nodrošināt no 1000 līdz 2000 MW uzstādītās elektroenerģijas no dažādiem avotiem, kas pārskatāmā nākotnē ievērojami pārsniedz šī reģiona vajadzības. Tādējādi šeit ir reālas perspektīvas ģeotermālās enerģijas attīstībai.

Ģeotermālās enerģijas attīstības vēsture.

Līdzās milzīgajiem fosilā kurināmā resursiem Krievijai ir ievērojamas zemes siltuma rezerves, kuras var pavairot ģeotermālie avoti, kas atrodas 300 līdz 2500 m dziļumā, galvenokārt zemes garozas lūzumu zonās.

Krievijas teritorija ir labi izpētīta, un šodien ir zināmi galvenie zemes siltuma resursi, kuriem ir ievērojams industriālais potenciāls, tostarp enerģētika. Turklāt gandrīz visur ir siltuma rezerves ar temperatūru no 30 līdz 200°C.

Vēl 1983. gadā VSEGINGEO tika sastādīts PSRS termālo ūdeņu resursu atlants. Mūsu valstī ir izpētītas 47 ģeotermālās atradnes ar termālo ūdeņu rezervēm, kas ļauj iegūt vairāk nekā 240 10³ m³ / dienā. Šodien Krievijā ar zemes siltuma izmantošanas problēmām nodarbojas speciālisti no gandrīz 50 zinātniskām organizācijām.

Ģeotermālo resursu izmantošanai ir izurbti vairāk nekā 3000 urbumu. Šajā jomā jau veikto ģeotermālo pētījumu un urbumu izmaksas mūsdienu cenās ir vairāk nekā 4 miljardi rubļu. dolāru. Tātad Kamčatkā jau ir izurbti 365 urbumi ģeotermālajos laukos ar dziļumu no 225 līdz 2266 m un izlietoti (joprojām Padomju laiks) aptuveni 300 miljoni. dolāru (pašreizējās cenās).

Pirmās ģeotermālās elektrostacijas darbība tika uzsākta Itālijā 1904. gadā. Pirmā ģeotermālā elektrostacija Kamčatkā un pirmā PSRS, Paužetskas ģeotermālā elektrostacija, tika nodota ekspluatācijā 1967. gadā. un tā jauda bija 5 mW, pēc tam palielināta līdz 11 mW. Jauns impulssĢeotermālās enerģijas attīstība Kamčatkā tika dota 90. gados, kad parādījās organizācijas un uzņēmumi (AS Geoterm, AS Intergeotherm, AS Nauka), kas sadarbībā ar rūpniecību (galvenokārt ar Kalugas turbīnu rūpnīcu) izstrādāja jaunas progresīvas shēmas, tehnoloģijas un iekārtu veidi ģeotermālās enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā un nodrošināja aizdevumu no Eiropas Rekonstrukcijas un attīstības bankas. Rezultātā 1999.g Kamčatkā tika nodota ekspluatācijā Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP (trīs moduļi pa 4 MW katrs). Tiek ieviests pirmais 25mW bloks. Mutnovskaya GeoTPP pirmais posms ar kopējo jaudu 50 MW.

Otrā kārta ar jaudu 100 MW var tikt nodota ekspluatācijā 2004. gadā

Tādējādi ir noteiktas tūlītējas un diezgan reālas ģeotermālās enerģijas perspektīvas Kamčatkā, kas ir pozitīvs neapšaubāms atjaunojamās enerģijas izmantošanas piemērs Krievijā, neskatoties uz nopietnajām ekonomiskajām grūtībām valstī. Kamčatkas tvaika-hidrotermālo lauku potenciāls spēj nodrošināt 1000 MW uzstādītās elektroenerģijas, kas pārskatāmā nākotnē būtiski sedz šī reģiona vajadzības.

Kā norāda Krievijas Zinātņu akadēmijas Tālo Austrumu nodaļas Vulkanoloģijas institūts, jau apzinātie ģeotermālie resursi ļauj Kamčatku pilnībā nodrošināt ar elektrību un siltumu vairāk nekā 100 gadus. Līdzās augstas temperatūras Mutnovskoje laukam ar jaudu 300 MW(e) Kamčatkas dienvidos ir zināmas ievērojamas ģeotermālo resursu rezerves Košeļevskoje, Boļše Bannoje un ziemeļos Kireunskoje atradnēs. Kamčatkas ģeotermālo ūdeņu siltuma rezerves tiek lēstas 5000 MW (t).

Čukotkā ir arī ievērojamas ģeotermālā siltuma rezerves (uz robežas ar Kamčatkas apgabalu), dažas no tām jau ir atklātas un var aktīvi izmantot tuvējās pilsētās un mazpilsētās.

Kuriļu salas ir arī bagātas ar zemes siltuma rezervēm, ar tām pilnīgi pietiek, lai apgādātu šo teritoriju ar siltumu un elektroenerģiju 100 200 gadus. Iturup salā ir atklātas divfāzu ģeotermālā dzesēšanas šķidruma rezerves, kuru jauda (30 MW(e)) ir pietiekama, lai nākamajos 100 gados apmierinātu visas salas enerģijas vajadzības. Šeit Okeāna ģeotermālajā laukā jau ir izurbtas akas un tiek būvēta GeoPP. Kunaširas salas dienvidu daļā ir ģeotermālā siltuma rezerves, kas jau tiek izmantotas elektroenerģijas ražošanai un Južno Kuriļskas pilsētas siltumapgādei. Paramuširas salas ziemeļu zarnas ir mazāk pētītas, taču ir zināms, ka šajā salā ir arī ievērojamas ģeotermālā ūdens rezerves ar temperatūru no 70 līdz 95 ° C, un ir arī GeoTS ar jaudu 20 MW (t) šeit tiek būvēts.

Daudz plašāk ir 100-200°C temperatūras termālo ūdeņu atradnes. Šajā temperatūrā tvaika turbīnas ciklā vēlams izmantot darba šķidrumus ar zemu viršanas temperatūru. Divkontūru ģeotermālo spēkstaciju izmantošana termālajam ūdenim ir iespējama vairākos Krievijas reģionos, galvenokārt Ziemeļkaukāzā. Šeit labi izpētītas ģeotermālās atradnes ar rezervuāra temperatūru no 70 līdz 180°C, kas atrodas dziļumā no 300 līdz 5000 m.Šeit siltumapgādei un karstā ūdens apgādei jau izsenis tiek izmantots ģeotermālais ūdens. Dagestānā katru gadu tiek saražoti vairāk nekā 6 miljoni m ģeotermālā ūdens. Apmēram 500 tūkstoši cilvēku Ziemeļkaukāzā izmanto ģeotermālo ūdeni.

Primorijā, Baikāla reģionā un Rietumsibīrijas reģionā ir arī ģeotermālā siltuma rezerves, kas piemērotas liela mēroga izmantošanai rūpniecībā un lauksaimniecībā.

Ģeotermālās enerģijas pārvēršana elektriskajā un siltumenerģijā.

Viena no perspektīvām jomām augsti mineralizēto pazemes termālo ūdeņu siltuma izmantošanai ir tā pārvēršana elektroenerģijā. Šim nolūkam tika izstrādāta tehnoloģiskā shēma Ģeotermālās elektrostacijas būvniecībai, kas sastāv no ģeotermālās cirkulācijas sistēma(GCC) un tvaika turbīnu iekārta (STP), kuras shēma parādīta 1.att. Atšķirīga iezīmeŠāda tehnoloģiskā shēma no labi zināmā ir tāda, ka tajā iztvaicētāja un pārkarsētāja lomu pilda urbuma vertikālais pretplūsmas siltummainis, kas atrodas iesūknēšanas akas augšējā daļā, pa kuru tiek piegādāts saražots augstas temperatūras termālais ūdens. virszemes cauruļvads, kas pēc siltuma nodošanas sekundārajam dzesēšanas šķidrumam tiek iesūknēts atpakaļ veidojumā. Sekundārais dzesēšanas šķidrums no tvaika turbīnas iekārtas kondensatora iekļūst apkures zonā ar gravitācijas spēku caur cauruli, kas nolaista siltummaiņa iekšpusē līdz apakšai.

Raņķines cikls ir arodskolu darba pamatā; t,s ir šī cikla diagramma un iztvaicētāja siltummainī esošo siltumnesēju temperatūru izmaiņu raksturs.

Lielākā daļa svarīgs punkts GeoTPP būvniecības laikā ir darba šķidruma izvēle sekundārajā ķēdē. Ģeotermālajai iekārtai izvēlētajam darba šķidrumam jābūt ar labvēlīgām ķīmiskajām, fizikālajām un ekspluatācijas īpašībām noteiktos ekspluatācijas apstākļos, t.i. jābūt stabilam, nedegošam, sprādziendrošam, netoksiskam, inertam pret celtniecības materiāliem un lētam. Vēlams izvēlēties darba šķidrumu ar zemāku dinamiskās viskozitātes koeficientu (mazāki hidrauliskie zudumi) un ar lielāku siltumvadītspējas koeficientu (uzlabota siltuma pārnese).

Visas šīs prasības vienlaikus izpildīt praktiski nav iespējams, tāpēc vienmēr ir nepieciešams optimizēt viena vai otra darba šķidruma izvēli.

Zemie ģeotermālo spēkstaciju darba ķermeņu sākotnējie parametri liek meklēt zemas viršanas temperatūras darba ķermeņus ar negatīvu labās robežlīknes izliekumu t, s diagrammā, jo ūdens un tvaika izmantošana šajā gadījumā noved pie termodinamisko parametru pasliktināšanās un straujš tvaika turbīnu iekārtu izmēru pieaugums, kas būtiski palielina to vērtību.

Tiek ierosināts izmantot izobutāna + izopentāna maisījumu superkritiskā stāvoklī kā superkritisku līdzekli bināro enerģijas ciklu sekundārajā ķēdē. Superkritisko maisījumu izmantošana ir ērta, jo kritiskās īpašības, t.i. kritiskā temperatūra tc(x), kritiskais spiediens pc(x) un kritiskais blīvums qc(x) ir atkarīgi no maisījuma sastāva x. Tas ļaus, izvēloties maisījuma sastāvu, izvēlēties superkritisko līdzekli ar vislabvēlīgākajiem kritiskajiem parametriem konkrēta ģeotermālā lauka termālā ūdens atbilstošajai temperatūrai.

Kā sekundārais dzesēšanas šķidrums tiek izmantots zemas viršanas temperatūras ogļūdeņraža izobutāns, kura termodinamiskie parametri atbilst nepieciešamajiem apstākļiem. Izobutāna kritiskie parametri: tc = 134,69°C; pk = 3,629 MPa; qk = 225,5 kg/m³. Turklāt izobutāna kā sekundārā dzesēšanas šķidruma izvēle ir saistīta ar tā salīdzinoši zemajām izmaksām un videi draudzīgumu (atšķirībā no freoniem). Izobutāns kā darba šķidrums ir atradis plašu izplatību ārvalstīs, un tiek ierosināts to izmantot arī superkritiskā stāvoklī bināros ģeotermālās enerģijas ciklos.

Iekārtas enerģētiskie raksturlielumi tiek aprēķināti plašam saražotā ūdens temperatūru diapazonam un dažādiem tā darbības režīmiem. Visos gadījumos tika pieņemts, ka izobutāna tcon kondensācijas temperatūra =30°C.

Rodas jautājums par mazākās temperatūras starpības izvēliêt att.2. No vienas puses, êt samazināšanās izraisa iztvaicētāja siltummaiņa virsmas palielināšanos, kas var nebūt ekonomiski pamatota. No otras puses, êt pieaugums noteiktā termālā ūdens ts temperatūrā rada nepieciešamību pazemināt iztvaikošanas temperatūru ts (un līdz ar to arī spiedienu), kas nelabvēlīgi ietekmēs cikla efektivitāti. Vairumā praktisko gadījumu ieteicams ņemt êt = 10÷25ºС.

Iegūtie rezultāti parāda, ka tvaika elektrostacijas darbībai ir optimāli parametri, kas ir atkarīgi no siltummaiņa tvaika ģeneratora primārajā kontūrā nonākošā ūdens temperatūras. Palielinoties izobutāna tz iztvaikošanas temperatūrai, turbīnas radītā jauda N palielinās par 1 kg/s no sekundārā dzesēšanas šķidruma patēriņa. Tajā pašā laikā, palielinoties tg, iztvaicētā izobutāna daudzums samazinās uz 1 kg/s termālā ūdens patēriņa.

Paaugstinoties termālā ūdens temperatūrai, tā arī paaugstinās optimāla temperatūra iztvaikošana.

3. attēlā parādīti turbīnas ģenerētās jaudas N atkarības grafiki no sekundārā dzesēšanas šķidruma iztvaikošanas temperatūras ts dažādās termālā ūdens temperatūrās.

Augstas temperatūras ūdenim (tt = 180ºС) tiek ņemti vērā superkritiskie cikli, kad sākotnējais tvaika spiediens pн= 3,8; 4,0; 4,2; un 5,0 MPa. No tiem visefektīvākais maksimālās jaudas iegūšanas ziņā ir superkritiskais cikls, kas ir tuvu tā sauktajam "trīsstūrveida" ciklam ar sākotnējo spiedienu pn = 5,0 MPa. Šī cikla laikā, pateicoties minimālajai temperatūras starpībai starp siltumnesēju un darba šķidrumu, termālā ūdens temperatūras potenciāls tiek izmantots maksimāli. Salīdzinot šo ciklu ar subkritisko (pn=3,4MPa), redzams, ka turbīnas ģenerētā jauda superkritiskā cikla laikā palielinās par 11%, turbīnā nonākošās vielas plūsmas blīvums ir 1,7 reizes lielāks nekā ciklā ar pn. =3 ,4 MPa, kas novedīs pie dzesēšanas šķidruma transportēšanas īpašību uzlabošanās un tvaika turbīnu rūpnīcas iekārtu (piegādes cauruļvadu un turbīnas) izmēra samazināšanās. Turklāt ciklā ar pH = 5,0 MPa termālā ūdens notekūdeņu t, kas tiek ievadīts atpakaļ rezervuārā, temperatūra ir 42ºС, savukārt subkritiskajā ciklā ar pH = 3,4 MPa temperatūra tн = 55ºС.

Tajā pašā laikā sākotnējā spiediena palielināšanās līdz 5,0 MPa superkritiskajā ciklā ietekmē iekārtas izmaksas, jo īpaši turbīnas izmaksas. Lai gan turbīnas plūsmas daļas izmēri samazinās, palielinoties spiedienam, vienlaikus palielinās turbīnas posmu skaits, ir nepieciešams attīstītāks gala blīvējums, un, galvenais, palielinās korpusa sienu biezums.

Lai izveidotu superkritisko ciklu GeoTPP tehnoloģiskajā shēmā, uz cauruļvada, kas savieno kondensatoru ar siltummaini, nepieciešams uzstādīt sūkni.

Tomēr tādi faktori kā jaudas palielināšanās, piegādes cauruļvadu un turbīnas izmēra samazināšana un termālā ūdens termiskā potenciāla pilnīgāka iedarbināšana runā par labu superkritiskajam ciklam.

Nākotnē ir jāmeklē dzesēšanas šķidrumi ar zemāku kritisko temperatūru, kas ļaus izveidot superkritiskus ciklus, izmantojot termālos ūdeņus ar zemāku temperatūru, jo lielākās daļas Krievijā izpētīto atradņu termiskais potenciāls nepārsniedz 100÷120ºС. Šajā ziņā perspektīvākais ir R13B1(trifluorbrommetāns) ar šādiem kritiskiem parametriem: tc = 66,9ºС; pk = 3,946 MPa; qk= 770kg/m³.

Novērtēšanas aprēķinu rezultāti liecina, ka arī termiskā ūdens ar temperatūru tk = 120ºС izmantošana GeoTPP primārajā ķēdē un superkritiskā cikla izveide ar sākotnējo spiedienu pn = 5,0 MPa sekundārajā ķēdē uz freona R13B1. ļauj palielināt turbīnas jaudu līdz 14%, salīdzinot ar subkritisko ciklu ar sākotnējo spiedienu pn = 3,5 MPa.

Veiksmīgai GeoTPP darbībai ir jāatrisina problēmas, kas saistītas ar korozijas un sāls nogulšņu rašanos, kuras, kā likums, saasina termālā ūdens mineralizācijas palielināšanās. Visintensīvākās sāls nogulsnes veidojas termālā ūdens degazācijas rezultātā un tās rezultātā tiek izjaukts oglekļa dioksīda līdzsvars.

Piedāvātajā tehnoloģiskajā shēmā primārais dzesēšanas šķidrums cirkulē slēgtā kontūrā: rezervuārs - ražošanas aka - virszemes cauruļvads - sūknis - iesmidzināšanas aka - rezervuārs, kur tiek minimizēti apstākļi ūdens degazēšanai. Tajā pašā laikā primārās ķēdes virsmas daļā ir jāievēro tādi termobāriskie apstākļi, kas novērš degazēšanu un karbonātu nogulšņu nogulsnēšanos (atkarībā no temperatūras un sāļuma spiediens jāuztur 1,5 MPa un vairāk).

Termiskā ūdens temperatūras pazemināšanās izraisa arī nekarbonātu sāļu nogulsnēšanos, ko apstiprināja Kayasulinsky ģeotermālajā vietā veiktie pētījumi. Daļa nogulsnēto sāļu tiks nogulsnēta uz injekcijas urbuma iekšējās virsmas, un lielākā daļa tiks nogādāta apakšējā cauruma zonā. Sāļu nogulsnēšanās injekcijas akas apakšā veicinās injicējamības samazināšanos un pakāpenisku apļveida plūsmas ātruma samazināšanos līdz pilnīgai GCS apturēšanai.

Lai novērstu koroziju un katlakmens veidošanos GCS ķēdē, var izmantot efektīvu HEDPK (hidroksietilidēndifosfonskābes) reaģentu, kam ir ilgstoša virsmas pasivācijas pretkorozijas un pretkaļķa iedarbība. OEDFK pasivējošā slāņa atjaunošana tiek veikta, periodiski pulsējot reaģenta šķīdumu termālajā ūdenī ražošanas akas ietekā.

Lai izšķīdinātu sāls nogulsnes, kas uzkrāsies apakšējā cauruma zonā, un tādējādi atjaunotu injekcijas urbuma injicitāti, ļoti efektīvs reaģents ir NMA (mazmolekulāro skābju koncentrāts), ko periodiski var ievadīt arī cirkulējošā termālajā ūdenī. zonā pirms injekcijas sūkņa.

Līdz ar to no iepriekš minētā var secināt, ka viens no perspektīvajiem zemes iekšpuses siltumenerģijas attīstības virzieniem ir tās pārvēršana elektroenerģijā, veidojot divkontūru GeoTPP uz zemas viršanas darba aģentiem. Šādas konversijas efektivitāte ir atkarīga no daudziem faktoriem, jo ​​īpaši no darba šķidruma izvēles un GeoTPP sekundārās ķēdes termodinamiskā cikla parametriem.

Ciklu skaitļošanas analīzes rezultāti, izmantojot dažādus siltumnesējus sekundārajā ķēdē, liecina, ka optimālākie ir superkritiskie cikli, kas ļauj palielināt turbīnas jaudu un cikla efektivitāti, uzlabot dzesēšanas šķidruma transportēšanas īpašības un pilnīgāk pielāgot siltumnesēju temperatūru. sākotnējais termālais ūdens, kas cirkulē GeoTPP primārajā kontūrā.

Konstatēts arī, ka augstas temperatūras termālajam ūdenim (180ºС un augstāk) visdaudzsološākā ir superkritisko ciklu izveide ĢeoTPP sekundārajā ķēdē, izmantojot izobutānu, savukārt ūdeņiem ar zemāku temperatūru (100÷120ºС un augstāka). ), veidojot vienādus ciklus, piemērotākais siltumnesējs ir freons R13B1.

Atkarībā no iegūtā termālā ūdens temperatūras ir optimāla sekundārā siltumnesēja iztvaikošanas temperatūra, kas atbilst turbīnas radītajai maksimālajai jaudai.

Nākotnē nepieciešams pētīt superkritiskos maisījumus, kuru kā darba aģentu izmantošana ģeotermālās enerģijas cikliem ir visērtākā, jo, izvēloties maisījuma sastāvu, var viegli mainīt to kritiskās īpašības atkarībā no ārējiem apstākļiem.

Vēl viena ģeotermālās enerģijas izmantošanas joma ir ģeotermālā siltumapgāde, ko Kamčatkā un Ziemeļkaukāzā jau sen izmanto siltumnīcu apkurei, apkurei un karstā ūdens apgādei mājokļu un komunālajā sektorā. Pasaules un pašmāju pieredzes analīze liecina par ģeotermālās siltumapgādes perspektīvām. Šobrīd pasaulē darbojas ģeotermālās siltumapgādes sistēmas ar kopējo jaudu 17175 MW, ASV vien darbojas vairāk nekā 200 tūkstoši ģeotermālo iekārtu. Saskaņā ar Eiropas Savienības plāniem ģeotermālās apkures sistēmu, tostarp siltumsūkņu, jaudai būtu jāpalielinās no 1300 MW 1995. gadā līdz 5000 MW 2010. gadā.

PSRS ģeotermālos ūdeņus izmantoja Krasnodaras un Stavropoles teritorijās, Kabardīno-Balkārijā, Ziemeļosetijā, Čečenijas-Ingušijā, Dagestānā, Kamčatkas apgabalā, Krimā, Gruzijā, Azerbaidžānā un Kazahstānā. 1988. gadā tika saražoti 60,8 milj.m³ ģeotermālā ūdens, tagad Krievijā to saražo līdz 30 milj. m³ gadā, kas atbilst 150÷170 tūkst.t etalondegvielas. Tajā pašā laikā ģeotermālās enerģijas tehniskais potenciāls saskaņā ar Krievijas Federācijas Enerģētikas ministrijas datiem ir 2950 miljoni tonnu atsauces degvielas.

Pēdējo 10 gadu laikā mūsu valstī ir sabrukusi ģeotermālo resursu izpētes, attīstības un izmantošanas sistēma. PSRS pētniecisko darbu pie šīs problēmas veica Zinātņu akadēmijas institūti, ģeoloģijas un gāzes nozares ministrijas. Iegulu rezervju izpēti, novērtēšanu un apstiprināšanu veica Ģeoloģijas ministrijas institūti un reģionālās apakšvienības. Ražojošo aku urbšanu, lauka izstrādi, ģeotermālo ūdeņu atkārtotas ievadīšanas tehnoloģiju izstrādi, ģeotermālo ūdeņu attīrīšanu, ģeotermālās siltumapgādes sistēmu ekspluatāciju veica Gāzes rūpniecības ministrijas apakšvienības. Tajā ietilpa piecas reģionālās operatīvās nodaļas, Sojuzgeotermas zinātnes un ražošanas asociācija (Makhachkala), kas izstrādāja shēmu PSRS ģeotermālo ūdeņu perspektīvai izmantošanai. Ģeotermālās siltumapgādes sistēmu un iekārtu projektēšanu veica Centrālais inženiertehnisko iekārtu pētniecības un projektēšanas un eksperimentālais institūts.

Šobrīd visaptverošais pētnieciskais darbs ģeotermijas jomā ir apstājies: no ģeoloģiskajiem un hidroģeoloģiskajiem pētījumiem līdz ģeotermālo ūdeņu attīrīšanas problēmām. Netiek veikta izpētes urbšana, netiek veikta iepriekš izpētīto atradņu attīstība, netiek modernizēts esošo ģeotermālās siltumapgādes sistēmu aprīkojums. Valsts pārvaldes loma ģeotermijas attīstībā ir niecīga. Ģeotermālie speciālisti ir izkaisīti, viņu pieredze nav pieprasīta. Esošās situācijas un attīstības perspektīvu analīze jaunā ekonomiskie apstākļi Krievija, darīsim to pēc Krasnodaras apgabala piemēra.

Šim reģionam no visiem atjaunojamajiem enerģijas avotiem visdaudzsološākā ir ģeotermālo ūdeņu izmantošana. 4. attēlā parādītas atjaunojamās enerģijas izmantošanas prioritātes Krasnodaras apgabala objektu siltumapgādei.

AT Krasnodaras apgabals Gadā tiek saražots līdz 10 milj.m³/gadā ģeotermālā ūdens ar temperatūru 70÷100ºC, kas aizvieto 40÷50 tūkst.t organiskā kurināmā (references kurināmā izteiksmē). Ekspluatācijā ir 10 lauki ar 37 urbumiem, izstrādes stadijā ir 6 lauki ar 23 urbumiem. Kopējais ģeotermālo aku skaits77. 32 hektārus apsilda ģeotermālie ūdeņi. siltumnīcas, 11 tūkstoši dzīvokļu astoņās apdzīvotās vietās, 2 tūkstoši cilvēku nodrošināti ar karsto ūdeni. Izpētītās reģiona ģeotermālo ūdeņu ekspluatācijas rezerves tiek lēstas 77,7 tūkstošu kubikmetru apmērā. m³ / dienā, vai ekspluatācijas laikā apkures sezonā - 11,7 milj. m³ sezonā, prognozētās rezerves attiecīgi 165 tūkst. m³/dienā un 24,7 milj. m³ sezonā.

Viens no attīstītākajiem Mostovskas ģeotermālajiem laukiem, 240 km attālumā no Krasnodaras Kaukāza pakājē, kur tika izurbti 14 urbumi ar dziļumu 1650÷1850m ar plūsmas ātrumu 1500÷3300 m³/dienā, temperatūru grīvā 67. ÷78ºC, kopējais sāļums 0,9÷1, 9g/l. Autors ķīmiskais sastāvsģeotermālais ūdens gandrīz atbilst dzeramā ūdens standartiem. Galvenais ģeotermālā ūdens patērētājs no šī lauka ir siltumnīcu komplekss ar siltumnīcu platību līdz 30 hektāriem, kurā iepriekš darbojās 8 akas. Šobrīd šeit tiek apsildīti 40% siltumnīcu platības.

Ciema dzīvojamo un administratīvo ēku siltumapgādei. Tilts 80. gados tika uzbūvēts ģeotermālais centrālapkures punkts (CHP) ar paredzamo siltuma jaudu 5 MW, kura diagramma parādīta 5. att. Ģeotermālais ūdens centrālapkures centrā nāk no divām akām ar plūsmas ātrumu 45÷70 m³/h katrā un temperatūru 70÷74ºС divās uzglabāšanas tvertnēs ar ietilpību 300m³. Atkritumu ģeotermālā ūdens siltuma izmantošanai tika uzstādīti divi tvaika kompresoru siltumsūkņi ar paredzamo siltuma jaudu 500 kW. Apkures sistēmās izmantotais ģeotermālais ūdens ar temperatūru 30÷35ºС pirms siltumsūkņa bloka (HPU) tiek sadalīts divās plūsmās, no kurām vienu atdzesē līdz 10ºС un novada rezervuārā, bet otru uzsilda līdz 50ºС un atgriezās uzglabāšanas tvertnēs. Siltumsūkņu blokus izgatavoja Maskavas Kompressor rūpnīca, pamatojoties uz saldēšanas iekārtas A-220-2-0.

Ģeotermālās apkures siltuma jaudas regulēšana, ja nav maksimālās atkārtotas uzsildīšanas, tiek veikta divos veidos: izlaižot dzesēšanas šķidrumu un cikliski. Izmantojot pēdējo metodi, sistēmas periodiski tiek piepildītas ar ģeotermisko dzesēšanas šķidrumu, vienlaikus iztukšojot atdzesēto. Ar ikdienas apkures periodu Z sildīšanas laiku Zn nosaka pēc formulas

Zn = 48j/(1 + j), kur siltuma jaudas koeficients; projektētā gaisa temperatūra telpā, °C; un faktiskā un aprēķinātā āra gaisa temperatūra, °С.

Ģeotermālo sistēmu uzglabāšanas tvertņu ietilpība tiek noteikta pēc nosacījuma nodrošināt normalizētu gaisa temperatūras svārstību amplitūdu apsildāmās dzīvojamās telpās (± 3 ° C) pēc formulas.

kur kF ir apkures sistēmas siltuma jauda uz 1°C no temperatūras starpības, W/°C; Z \u003d Zn + Zpp ģeotermālās apkures darbības periods; Zp pauzes ilgums, h; Qp un Qp ir aprēķinātā un sezonāli vidējā ēkas apkures sistēmas siltuma jauda, ​​W; c ģeotermālā ūdens tilpuma siltumietilpība, J/(m³ ºС); n ģeotermālās apkures palaišanas reižu skaits dienā; k1 ir siltuma zudumu koeficients ģeotermālās siltumapgādes sistēmā; A1 temperatūras svārstību amplitūda apsildāmā ēkā, ºС; Rnom kopējais apsildāmo telpu siltuma absorbcijas rādītājs; Apkures sistēmu un siltumtīklu Vc un Vts jauda, ​​m³.

Siltumsūkņu darbības laikā ģeotermālā ūdens plūsmas attiecību caur iztvaicētāju Gi un kondensatoru Gk nosaka pēc formulas:

Kur tk, to, t ir ģeotermālā ūdens temperatūra pēc kondensatora, ēkas apkures sistēmas un HPI iztvaicētājiem, ºС.

Jāatzīmē izmantoto siltumsūkņu konstrukciju zemā uzticamība, jo to darbības apstākļi būtiski atšķīrās no saldēšanas iekārtu darbības apstākļiem. Kompresoru izplūdes un iesūkšanas spiedienu attiecība, strādājot siltumsūkņu režīmā, ir 1,5÷2 reizes lielāka nekā tāda pati attiecība saldēšanas iekārtās. Klaņa un virzuļu grupas, eļļas iekārtu un automatizācijas kļūmes izraisīja šo mašīnu priekšlaicīgu atteici.

Hidroloģiskā režīma kontroles trūkuma dēļ Mostovskas ģeotermālā lauka darbības rezultātā pēc 10 gadiem spiediens urbuma galviņā samazinājās 2 reizes. Lai atjaunotu lauka rezervuāra spiedienu 1985.g. tika izurbti trīs iesūknēšanas akas, izbūvēta sūkņu stacija, taču to darbs nedeva pozitīvu rezultātu rezervuāru zemās injicitātes dēļ.

Perspektīvākajai ģeotermālo resursu izmantošanai Ust-Labinskas pilsētā ar iedzīvotāju skaitu 50 tūkstoši cilvēku, kas atrodas 60 km attālumā no Krasnodaras, ir izstrādāta ģeotermālās siltumapgādes sistēma ar paredzamo siltuma jaudu 65 MW. No trim ūdens sūknēšanas horizontiem atlasīti eocēna-paleocēna nogulumi ar dziļumu 2200÷2600m, veidošanās temperatūru 97÷100ºС, sāļumu 17÷24g/l.

Esošo un paredzamo siltumslodžu analīzes rezultātā saskaņā ar pilsētas siltumapgādes attīstības shēmu tika noteikta ģeotermālās siltumapgādes sistēmas optimālā, aprēķinātā, siltuma jauda. Četru iespēju tehniski ekonomiskais salīdzinājums (trīs no tiem bez pīķa katliem ar atšķirīgu urbumu skaitu un viens ar uzsildīšanu katlā) parādīja, ka shēmai ar pīķa katlu (6. att.) ir minimālais atmaksāšanās periods.

Ģeotermālā siltumapgādes sistēma paredz rietumu un centrālo termālo ūdens ņemšanas vietu izbūvi ar septiņām iesūknēšanas akām. Termiskā ūdens ņemšanas vietu darbības režīms ar atdzesēta dzesēšanas šķidruma atkārtotu iesmidzināšanu. Divkontūru siltumapgādes sistēma ar maksimālo uzsildīšanu katlu telpā un atkarīgo pieslēgumu esošās sistēmasēku apkure. Kapitālieguldījumi šīs ģeotermālās sistēmas izbūvē veidoja 5,14 milj. berzēt. (1984.gada cenās), atmaksāšanās laiks 4,5 gadi, paredzamais aizvietotās degvielas ietaupījums 18,4 tūkst.t etalondegvielas gadā.

Ģeotermālo elektrostaciju saražotās elektroenerģijas izmaksas.

Ģeotermālo lauku izpētes un izstrādes (urbšanas) izmaksas veido līdz pat 50% no kopējām GeoTPP izmaksām, un tāpēc GeoPP saražotās elektroenerģijas izmaksas ir diezgan ievērojamas. Tādējādi visa izmēģinājuma-industriālā (OP) Verkhne-Mutnovskaya GeoPP [jauda 12 (3 × 4) MW] izmaksas sasniedza aptuveni 300 miljonus rubļu. Tomēr degvielas transportēšanas izmaksu neesamība, ģeotermālās enerģijas atjaunojamība un elektroenerģijas un siltuma ražošanas videi draudzīgums ļauj ģeotermālajai enerģijai veiksmīgi konkurēt enerģijas tirgū un dažos gadījumos ražot lētāku elektroenerģiju un siltumu nekā tradicionālās IES un koģenerācijas stacijas. . Attālos apgabalos (Kamčatkā, Kuriļu salās) GeoPP ir beznosacījuma priekšrocības salīdzinājumā ar termoelektrostacijām un dīzeļa stacijām, kas darbojas ar importētu degvielu.

Ja par piemēru uzskatām Kamčatku, kur vairāk nekā 80% elektroenerģijas tiek saražots TEC-1 un TEC-2, strādājot ar importēto mazutu, tad ģeotermālās enerģijas izmantošana ir izdevīgāka. Pat šodien, kad joprojām turpinās jaunu GeoPP būvniecības un izstrādes process Mutnovskas ģeotermālajā laukā, Verkhne-Mutnovskaya GeoPP elektroenerģijas izmaksas ir vairāk nekā divas reizes zemākas nekā TEC Petropavlovskas Kamčatskā. Maksa par 1 kWh(e) vecajā Paužetskaya GeoPP ir 2¸3 reizes zemāka nekā CHPP-1 un CHPP-2.

1 kWh elektroenerģijas izmaksas Kamčatkā 1988. gada jūlijā bija no 10 līdz 25 centiem, un vidējais elektroenerģijas tarifs tika noteikts 14 centu apmērā. 2001. gada jūnijā tajā pašā reģionā elektroenerģijas tarifs par 1 kWh bija robežās no 7 līdz 15 centiem. 2002. gada sākumā vidējais tarifs OAO Kamčatskenergo bija 3,6 rubļi. (12 centi). Ir skaidrs, ka Kamčatkas ekonomika nevar sekmīgi attīstīties, nesamazinot patērētās elektroenerģijas izmaksas, un to var panākt tikai izmantojot ģeotermālos resursus.

Tagad, pārstrukturējot enerģētikas sektoru, ir ļoti svarīgi vadīties no reālajām degvielas un iekārtu cenām, kā arī enerģijas cenām dažādiem patērētājiem. Pretējā gadījumā jūs varat nonākt pie kļūdainiem secinājumiem un prognozēm. Tādējādi 2001. gadā Dalsetproekt izstrādātajā Kamčatkas reģiona ekonomikas attīstības stratēģijā bez pietiekama pamatojuma 1000 m³ gāzes cena tika noteikta 50 USD apmērā, lai gan ir skaidrs, ka reālās gāzes izmaksas nebūs. būt mazākam par 100 USD, un gāzes atradņu izveides ilgums būs 5–10 gadi. Tajā pašā laikā saskaņā ar piedāvāto stratēģiju gāzes rezerves tiek aprēķinātas uz laiku, kas nepārsniedz 12 gadus. Tāpēc Kamčatkas reģiona enerģētikas nozares attīstības perspektīvas galvenokārt būtu jāsaista ar vairāku ģeotermālo spēkstaciju būvniecību Mutnovskas laukā [līdz 300 MW (e)], Paužetskas atjaunošanu. GeoPP, kuras jauda jāpalielina līdz 20 MW, un jaunu GeoPP celtniecība. Pēdējais nodrošinās Kamčatkas enerģētisko neatkarību daudzus gadus (vismaz 100 gadus) un samazinās pārdotās elektroenerģijas izmaksas.

Saskaņā ar Pasaules Enerģētikas padomes novērtējumu no visiem atjaunojamajiem enerģijas avotiem GeoPP ir viszemākā cena par 1 kWh (skat. tabulu).

	jauda	izmantot jauda			Cena uzstādīta		pēdējā
	10200	55÷95(84)	2÷10	1÷8	800÷3000	70,2	22
Vējš	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
plūdmaiņas	34	20÷30	8÷15	8÷15	1700÷ 2500	0,6

No lielu GeoPP ekspluatācijas pieredzes Filipīnās, Jaunzēlandē, Meksikā un ASV izriet, ka 1 kWh elektroenerģijas izmaksas bieži vien nepārsniedz 1 centu, vienlaikus jāņem vērā, ka GeoPP jaudas izmantošanas koeficients. sasniedz 0,95.

Ģeotermālā siltumapgāde visizdevīgākā ir ar tiešu ģeotermālā karstā ūdens izmantošanu, kā arī ar siltumsūkņu ieviešanu, kas spēj efektīvi izmantot zemes siltumu ar temperatūru 10÷30ºС, t.i. zemas kvalitātes ģeotermālais siltums. Pašreizējos Krievijas ekonomiskajos apstākļos ģeotermālās siltumapgādes attīstība ir ārkārtīgi sarežģīta. Pamatlīdzekļi jāiegulda urbumos. Krasnodaras apgabalā ar urbuma 1 m urbšanas izmaksām 8 tūkstoši rubļu, tās dziļums ir 1800 m, izmaksas sasniedz 14,4 miljonus rubļu. Ar aptuveno akas plūsmas ātrumu 70 m³ / h, iedarbinātu temperatūras starpību 30ºC, darbība visu diennakti 150 dienas. gadā paredzamā plūsmas ātruma izlietojums apkures sezonā ir 0,5, piegādātais siltumenerģijas apjoms ir 4385 MWh jeb vērtības izteiksmē 1,3 miljoni rubļu. ar tarifu 300 rubļi/(MWh). Ar šādu ātrumu urbumu urbšana atmaksāsies pēc 11 gadiem. Tajā pašā laikā nākotnē par nepieciešamību attīstīt šo jomu enerģētikas sektorā nav šaubu.

Atzinumi.

1. Gandrīz visā Krievijā ir unikālas ģeotermālā siltuma rezerves ar dzesēšanas šķidruma temperatūru (ūdens, divfāzu plūsma un tvaiks) no 30 līdz 200ºC.

2. Pēdējos gados, balstoties uz lieliem fundamentālajiem pētījumiem, Krievijā ir radītas ģeotermālās tehnoloģijas, kas spēj ātri nodrošināt efektīvu zemes siltuma izmantošanu GeoPP un GeoTS elektroenerģijas un siltuma ražošanai.

3. Ģeotermālajai enerģijai jāieņem svarīga vieta kopējā enerģijas izmantošanas bilancē. Jo īpaši Kamčatkas reģiona un Kuriļu salu, kā arī Primorijas, Sibīrijas un Ziemeļkaukāza enerģētikas nozares pārstrukturēšanai un atjaunošanai ir jāizmanto viņu pašu ģeotermiskie resursi.

4. Plaša mēroga jaunu siltumapgādes shēmu ieviešana ar siltumsūkņiem, kas izmanto zemas kvalitātes siltuma avotus, samazinās fosilā kurināmā patēriņu par 20÷25%.

5. Investīciju un kredītu piesaistei enerģētikas nozarei nepieciešams īstenot efektīvus projektus un garantēt savlaicīgu atdevi aizņēmās naudu, kas iespējams tikai ar pilnu un savlaicīgu samaksu par patērētājiem piegādāto elektroenerģiju un siltumenerģiju.

Bibliogrāfija.

1. Ģeotermālās enerģijas pārvēršana elektroenerģijā, izmantojot superkritisko ciklu sekundārajā ķēdē. Abdulagatovs I.M., Alhasovs A.B. "Siltumenerģētika.-1988 Nr.4-lpp. 53-56".

2. Salamovs A.A. "Ģeotermālās elektrostacijas pasaules enerģētikas sektorā" Siltumenerģētika 2000 Nr. 1-lpp. 79-80"

3. Zemes siltums: No ziņojuma "Ģeotermālo tehnoloģiju attīstības perspektīvas" Ecology and Life-2001-Nr.6-str 49-52.

4. Tarniževskis B.V. "Atjaunojamo energoresursu izmantošanas stāvoklis un perspektīvas Krievijā" Rūpnieciskā enerģija-2002-Nr. 1-lpp. 52-56.

5. Kuzņecovs V.A. "Mutnovskaya ģeotermālā elektrostacija" Elektrostacijas-2002-№1-lpp. 31-35.

6. Butuzovs V.A. "Ģeotermālās siltumapgādes sistēmas Krasnodaras apgabalā" Enerģētikas vadītājs-2002-Nr.1-14-16.lpp.

7. Butuzovs V.A. "Krievijas ģeotermālās siltumapgādes sistēmu analīze" Industrial Energy-2002-Nr. 6-53.-57.lpp.

8. Dobrohotovs V.I. "Ģeotermālo resursu izmantošana Krievijas enerģētikas sektorā" Siltumenerģētika-2003-№1-p.2-11.

9. Alhasovs A.B. "Ģeotermālā siltuma izmantošanas efektivitātes paaugstināšana" Siltumenerģētika-2003-Nr.3-p.52-54.

Ģeotermālā enerģija ir enerģija, kas iegūta no zemes dabiskā siltuma. Šo siltumu var panākt ar aku palīdzību. Ģeotermālais gradients akā palielinās par 1 0C ik pēc 36 metriem. Šis siltums tiek piegādāts virsmai tvaika vai karsta ūdens veidā. Šādu siltumu var izmantot gan tieši māju un ēku apkurei, gan elektroenerģijas ražošanai. Termiskie reģioni pastāv daudzās pasaules daļās.

Pēc dažādām aplēsēm, temperatūra Zemes centrā ir vismaz 6650 0C. Zemes atdzišanas ātrums ir aptuveni vienāds ar 300-350 0C uz miljardu gadu. Zeme satur 42 x 1012 W siltuma, no kura 2% atrodas garozā un 98% apvalkā un kodolā. Mūsdienu tehnoloģijas neļauj sasniegt pārāk dziļu siltumu, bet 840 000 000 000 W (2%) pieejamās ģeotermālās enerģijas var nodrošināt cilvēces vajadzības uz ilgu laiku. Reģioni ap kontinentālo plātņu malām ir labākā vietaģeotermālo staciju celtniecībai, jo miza tādās vietās ir daudz plānāka.

Ģeotermālās spēkstacijas un ģeotermālie resursi

Jo dziļāka aka, jo augstāka temperatūra, bet vietām ģeotermālā temperatūra paaugstinās ātrāk. Šādas vietas parasti atrodas vietās ar augstu seismisko aktivitāti, kur saduras vai plīst tektoniskās plāksnes. Tāpēc perspektīvākie ģeotermālie resursi atrodas vulkāniskās aktivitātes zonās. Jo augstāks ir ģeotermālais gradients, jo lētāk ir iegūt siltumu, samazinot urbšanas un sūknēšanas izmaksas. Labvēlīgākajos gadījumos gradients var būt tik augsts, ka virszemes ūdens tiek uzkarsēts līdz vajadzīgajai temperatūrai. Šādu gadījumu piemēri ir geizeri un karstie avoti.

Zem zemes garozas atrodas karstu un izkusušu iežu slānis, ko sauc par magmu. Tur rodas siltums, galvenokārt dabisko radioaktīvo elementu, piemēram, urāna un kālija, sabrukšanas dēļ. Siltuma enerģijas potenciāls 10 000 metru dziļumā ir 50 000 reižu vairāk enerģijas nekā visas pasaules naftas un gāzes rezerves.

Augstākās pazemes temperatūras zonas atrodas reģionos ar aktīviem un jauniem vulkāniem. Šādi "karstie punkti" ir atrodami tektonisko plātņu robežās vai vietās, kur garoza ir tik plāna, ka siltums no magmas var iziet cauri. Daudzi karstie punkti atrodas Klusā okeāna malā, ko tāpēc sauc arī par "uguns gredzenu". liels skaits vulkāni.

Ģeotermālās elektrostacijas - ģeotermālās enerģijas izmantošanas veidi

Ir divi galvenie ģeotermālās enerģijas izmantošanas veidi: tieša siltuma un elektroenerģijas ražošana. Tieša siltuma izmantošana ir visvienkāršākā un līdz ar to visizplatītākā metode. Siltuma tiešas izmantošanas prakse ir plaši izplatīta augstos platuma grādos pie tektonisko plātņu robežām, piemēram, Islandē un Japānā. Ūdens padeve šādos gadījumos tiek montēta tieši dziļurbumos. Iegūtais karstais ūdens tiek izmantots ceļu apsildīšanai, drēbju žāvēšanai, siltumnīcu un dzīvojamo ēku apkurei. Elektroenerģijas ražošanas metode no ģeotermālās enerģijas ir ļoti līdzīga tiešās izmantošanas metodei. Vienīgā atšķirība ir nepieciešamība pēc augstākas temperatūras (vairāk nekā 150 0C).

Kalifornijā, Nevadā un vēl dažās vietās ģeotermālo enerģiju izmanto lielās elektrostacijās.Tātad Kalifornijā aptuveni 5% elektroenerģijas saražo ģeotermālā enerģija, Salvadorā ģeotermālā enerģija saražo apmēram 1/3 elektroenerģijas. Aidaho un Islandē ģeotermālo siltumu izmanto dažādos pielietojumos, tostarp māju apkurē. Tūkstošiem māju izmanto ģeotermālos siltumsūkņus, lai nodrošinātu tīru un pieejamu siltumu.

Ģeotermālās elektrostacijas - ģeotermālās enerģijas avoti.

sauss sakarsēts akmens– Lai izmantotu enerģiju ģeotermālajās elektrostacijās, kas atrodas sausos akmeņos, ūdenī plkst augstspiediena iesūknēts šķirnē. Tādējādi klintī esošie lūzumi tiek paplašināti, un veidojas pazemes tvaika vai karstā ūdens rezervuārs.

Magma Izkausēta masa, kas veidojas zem Zemes garozas. Magmas temperatūra sasniedz 1200 0С. Lai gan pieejamā dziļumā ir atrodami nelieli magmas apjomi, tiek izstrādātas praktiskas metodes enerģijas iegūšanai no magmas.

Karsti, zem spiediena gruntsūdeņi kas satur izšķīdušu metānu. Elektroenerģijas ražošanā izmanto gan siltumu, gan gāzi.

Ģeotermālās elektrostacijas - darbības principi

Šobrīd ir trīs shēmas elektroenerģijas ražošanai, izmantojot hidrotermiskos resursus: tiešā, izmantojot sauso tvaiku, netiešā, izmantojot ūdens tvaiku, un jauktās ražošanas shēma (binārais cikls). Pārveidošanas veids ir atkarīgs no vides (tvaiks vai ūdens) stāvokļa un tā temperatūras. Pirmās tika apgūtas sausās tvaika spēkstacijas. Lai viņiem ražotu elektroenerģiju, tvaiks, kas nāk no akas, tiek izvadīts tieši caur turbīnu / ģeneratoru. Visizplatītākās ir elektrostacijas ar netiešu elektroenerģijas ražošanas veidu. Tie izmanto karstu pazemes ūdeni (līdz 182°C), kas ar augstu spiedienu tiek iesūknēts virspusē esošajos ģeneratoros. Jauktās ģeotermālās elektrostacijas atšķiras no diviem iepriekšējiem ģeotermālo spēkstaciju veidiem ar to, ka tvaiks un ūdens nekad nenonāk tiešā saskarē ar turbīnu/ģeneratoru.

Ģeotermālās spēkstacijas, kas darbojas ar sausu tvaiku

Tvaika spēkstacijas galvenokārt darbojas ar hidrotermisko tvaiku. Tvaiks nonāk tieši turbīnā, kas baro ģeneratoru, kas ražo elektrību. Tvaika izmantošana novērš nepieciešamību sadedzināt fosilo kurināmo (nav arī nepieciešamības transportēt un uzglabāt degvielu). Šīs ir vecākās ģeotermālās spēkstacijas. Pirmā šāda elektrostacija tika uzcelta Larderello (Itālija) 1904. gadā, un tā joprojām darbojas. Tvaika tehnoloģija tiek izmantota Geizeru spēkstacijā Ziemeļkalifornijā, kas ir pasaulē lielākā ģeotermālā spēkstacija.

Ģeotermālās spēkstacijas uz tvaika hidrotermām

Šīs iekārtas izmanto pārkarsētas hidrotermas (temperatūra virs 182°C), lai ražotu elektroenerģiju. Hidrotermālais šķīdums tiek iespiests iztvaicētājā, lai samazinātu spiedienu, tāpēc daļa šķīduma ļoti ātri iztvaiko. Iegūtais tvaiks darbina turbīnu. Ja tvertnē paliek šķidrums, to var iztvaikot nākamajā iztvaicētājā, lai iegūtu vēl lielāku jaudu.

Ģeotermālās elektrostacijas ar bināro elektroenerģijas ražošanas ciklu.

Lielākajā daļā ģeotermālo apgabalu ir vidējas temperatūras ūdens (zem 200°C). Binārā cikla spēkstacijas izmanto šo ūdeni enerģijas ražošanai. Caur siltummaini tiek izvadīts karsts ģeotermālais ūdens un otrs papildu šķidrums ar zemāku viršanas temperatūru nekā ūdenim. Ģeotermālā ūdens siltums iztvaiko otru šķidrumu, kura tvaiki darbina turbīnas. Tā kā tā ir slēgta sistēma, izmešu atmosfērā praktiski nav. Mērenie ūdeņi ir visizplatītākais ģeotermālais resurss, tāpēc lielākā daļa nākotnes ģeotermālo spēkstaciju darbosies pēc šī principa.

Ģeotermālās elektroenerģijas nākotne.

Tvaika tvertnes un karsts ūdens ir tikai neliela daļa no ģeotermālajiem resursiem. Zemes magma un sausie ieži nodrošinās lētu, tīru, praktiski neizsmeļamu enerģiju, tiklīdz tiks izstrādātas atbilstošas ​​tehnoloģijas to izmantošanai. Līdz tam visizplatītākie ģeotermālās elektroenerģijas ražotāji būs binārā cikla elektrostacijas.

Lai ģeotermālā elektroenerģija kļūtu par galveno ASV enerģētikas infrastruktūras elementu, ir jāizstrādā metodes tās ražošanas izmaksu samazināšanai. ASV Enerģētikas departaments sadarbojas ar ģeotermālās nozares pārstāvjiem, lai kilovatstundas izmaksas samazinātu līdz 0,03-0,05 USD. Tiek prognozēts, ka tuvākajā desmitgadē parādīsies jaunas ģeotermālās elektrostacijas ar jaudu 15 000 MW.

Prakse #6

Mērķis: iepazīties ar GeoTPP un okeāna siltumenerģijas pārveidošanas tehnoloģiju (OTEC) darbības principu, kā arī ar to aprēķināšanas metodiku.

Nodarbības ilgums- 2 stundas

Darba process:

1. Pamatojoties uz darba teorētisko daļu, iepazīties ar ĢeoTPP darbības principu un okeāna siltumenerģijas pārveidošanas tehnoloģijām (PTEC.

2. Atbilstoši individuālajam uzdevumam risināt praktiskas problēmas.

1. TEORĒTISKĀ DAĻA

Okeāna siltumenerģijas izmantošana

Okeāna siltumenerģijas pārveidošanas tehnoloģija (OTEC) ražo elektroenerģiju no temperatūras starpības starp siltu un aukstu okeāna ūdeni. Aukstais ūdens tiek sūknēts pa cauruli no vairāk nekā 1000 metru dziļuma (no vietas, kur saules stari nekad nesasniedz). Sistēma izmanto arī siltu ūdeni no apgabala, kas atrodas tuvu okeāna virsmai. Saules sakarsētais ūdens iet caur siltummaini ar zemu viršanas ķimikālijām, piemēram, amonjaku, kas rada ķīmiskus tvaikus, kas darbina elektroenerģijas ģeneratoru turbīnas. Pēc tam tvaiki tiek kondensēti atpakaļ šķidrā veidā, izmantojot atdzesētu ūdeni no dziļā okeāna. Tropu reģioni tiek uzskatīti par labāko vietu PTEC sistēmu izvietošanai. Tas ir saistīts ar lielāku temperatūras starpību starp ūdeni seklā ūdenī un dziļumā.

Atšķirībā no vēja un saules enerģijas parkiem, okeāna termoelektrostacijas var ražot tīru elektroenerģiju visu diennakti, 365 dienas gadā. Vienīgais šādu energobloku blakusprodukts ir aukstais ūdens, ko var izmantot dzesēšanai un gaisa kondicionēšanai administratīvajās un dzīvojamās ēkās pie elektroenerģijas ražošanas iekārtas.

Ģeotermālās enerģijas izmantošana

Ģeotermālā enerģija ir enerģija, kas iegūta no zemes dabiskā siltuma. Šo siltumu var panākt ar aku palīdzību. Ģeotermālais gradients akā palielinās par 1°C ik pēc 36 metriem. Šis siltums tiek piegādāts virsmai tvaika vai karsta ūdens veidā. Šādu siltumu var izmantot gan tieši māju un ēku apkurei, gan elektroenerģijas ražošanai.

Pēc dažādām aplēsēm, temperatūra Zemes centrā ir vismaz 6650 °C. Zemes dzesēšanas ātrums ir aptuveni vienāds ar 300-350 ° C uz miljardu gadu. Zeme izdala 42·10 12 W siltuma, no kura 2% tiek absorbēti garozā un 98% apvalkā un kodolā. Mūsdienu tehnoloģijas neļauj sasniegt siltumu, kas izdalās pārāk dziļi, taču pat 840000000000 W (2%) pieejamās ģeotermālās enerģijas spēj nodrošināt cilvēces vajadzības uz ilgu laiku. Apgabali ap kontinentālo plātņu malām ir labākā vieta ģeotermālo augu celtniecībai, jo garoza šādās vietās ir daudz plānāka.

Ir vairāki veidi, kā iegūt enerģiju GeoTPP:

· Tiešā shēma: tvaiks pa caurulēm tiek nosūtīts uz turbīnām, kas savienotas ar elektriskajiem ģeneratoriem;

· Netiešā ķēde: līdzīga tiešajai ķēdei, bet pirms ievadīšanas caurulēs tvaiks tiek attīrīts no gāzēm, kas izraisa cauruļu iznīcināšanu;

· Jauktā ķēde: līdzīgi kā tiešajā kontūrā, bet pēc kondensācijas no ūdens tiek izņemtas tajā neizšķīdušās gāzes.

2. PRAKTISKĀ DAĻA

1. uzdevums. Nosakiet sākotnējo temperatūru t2 un ģeotermālās enerģijas daudzumu E o (J) ūdens nesējslāņa biezums h km dziļumā z km, ja ir doti rezervuāra iežu raksturojumi: blīvums p gr \u003d 2700 kg / m 3; porainība a = 5%; īpašs karstums C gr =840 J/(kg K). temperatūras gradients (dT/dz) °C / km, atlasiet saskaņā ar uzdevumu opciju tabulu.

Vidējā virsmas temperatūra t o ņem vienādu ar 10 °C. Ūdens īpatnējā siltumietilpība No uz = 4200 J/(kg K); ūdens blīvums ρ \u003d 1 10 3 kg / m 3. Aprēķināt attiecībā pret virsmas laukumu F \u003d 1 km 2. Minimālā pieļaujamā veidošanās temperatūra tiek pieņemta vienāda ar t1=40°C.

Noteikt arī siltumenerģijas ieguves laika konstanti o (gadi), kad ūdens tiek ievadīts rezervuārā, un tā patēriņš V \u003d 0,1 m 3 / (s km 2). Kāda būs sākotnēji iegūtā siltuma jauda (dE/dz) τ =0 un pēc 10 gadiem (dE/dz) τ =10?

1. uzdevums ir veltīts ģeotermālās enerģijas termiskajam potenciālam, kas koncentrēts dabiskajos ūdens nesējslāņos dziļumā z (km) no zemes virsmas. Parasti ūdens nesējslāņa biezums h (km) ir mazāks par tā dziļumu. Slānim ir poraina struktūra - iežiem ir poras, kas piepildītas ar ūdeni (porainību novērtē pēc koeficienta α). Zemes garozas cieto iežu vidējais blīvums p gr =2700 kg/m 3 un siltumvadītspējas koeficients λ gr =2 W/(m·K). Zemes temperatūras izmaiņas virzienā uz zemes virsmu raksturo temperatūras gradients (dT/dz), ko mēra °C/km vai K/km.

Visizplatītākie uz zemeslodes ir apgabali ar normālu temperatūras gradientu (mazāk nekā 40 ° C / km) ar siltuma plūsmu blīvumu, kas iziet uz virsmu, ≈ 0,06 W / m 2. Šeit maz ticams, ka ir ekonomiski izdevīgi iegūt siltumu no Zemes zarnām.

Daļēji termiski apgabalos, temperatūras gradients ir 40-80 °C/km. Šeit vēlams izmantot zarnu siltumu apkurei, siltumnīcās, balneoloģijā.

Hipertermiskā gadījumā teritorijās (pie zemes garozas platformu robežām) gradients ir lielāks par 80 °C/km. Šeit ir lietderīgi izveidot GeoTPP.

Ar zināmu temperatūras gradientu ir iespējams noteikt ūdens nesējslāņa temperatūru pirms tā darbības sākuma:

T g \u003d T o + (dT / dz) z,

kur T o ir temperatūra uz Zemes virsmas, K (° C).

Aprēķinu praksē ģeotermālās enerģijas raksturlielumi parasti tiek attiecināti uz 1 km 2 virsmas F.

Rezervuāra siltumietilpību C pl (J / K) var noteikt ar vienādojumu

C pl \u003d [α ρ in C in + (1- α) ρ gr C gr ] h F,

kur p in un C in ir attiecīgi blīvums un izobārais īpatnējais siltums

p gr un C gr - augsnes (veidošanās iežu) blīvums un īpatnējā siltumietilpība; parasti p gr \u003d 820-850 J / (kg K).

Ja iestatāt minimālo pieļaujamo temperatūru, pie kuras varat izmantot rezervuāra siltumenerģiju T 1 (K), tad līdz darbības sākumam varat novērtēt tā termisko potenciālu (J):

E 0 \u003d C pl (T 2 -T 1)

Rezervuāra laika konstanti τ 0 (iespējamais tās izmantošanas laiks, gadi) siltumenerģijas noņemšanas gadījumā, iesūknējot tajā ūdeni ar tilpuma plūsmas ātrumu V (m 3 / s), var noteikt ar vienādojumu:

τ 0 \u003d C pl / (V ρ C in)

Tiek uzskatīts, ka rezervuāra termiskais potenciāls tā attīstības laikā mainās saskaņā ar eksponenciālo likumu:

E=E 0 e -(τ / τ o)

kur τ ir gadu skaits kopš darbības sākuma;

e ir naturālo logaritmu bāze.

Ģeotermālā rezervuāra termiskā jauda laikā τ (gadi no izstrādes sākuma) W (MW):

2. uzdevums Tiek uzskatīts, ka faktiskā efektivitāte η Okeāna termoelektrostacija, izmantojot virszemes un dziļo ūdeņu temperatūras starpību (T 1 -T 2) = ∆T un darbojas saskaņā ar Rankina ciklu, ir uz pusi mazāka par termoelektrostaciju, kas darbojas saskaņā ar Kārno ciklu, η t k . Novērtējiet OTES, kura darba šķidrums ir amonjaks, faktiskās efektivitātes iespējamo vērtību, ja ūdens temperatūra uz okeāna virsmas t , °С un ūdens temperatūru okeāna dziļumā t2 , °С. Kāds ir siltā ūdens patēriņš V , m/h būs nepieciešami OTES ar jaudu N MW?

2. uzdevums ir veltīts perspektīvām izmantot temperatūras starpību starp virszemes un dziļajiem okeāna ūdeņiem, lai ražotu elektroenerģiju OTES, kas darbojas saskaņā ar labi zināmo Rankine ciklu. Kā darba šķidrumu paredzēts izmantot vielas ar zemu viršanas temperatūru (amonjaks, freons). Nelielo temperatūras atšķirību (∆T=15÷26 o C) dēļ iekārtas, kas darbojas pēc Kārno cikla, termiskā efektivitāte ir tikai 5-9%. Reālā iekārtas efektivitāte, kas darbojas pēc Rankine cikla, būs uz pusi mazāka. Rezultātā, lai iegūtu daļu no salīdzinoši nelielām OTES jaudām, ir nepieciešams liels "silta" un "aukstā" ūdens patēriņš un līdz ar to milzīgi ieplūdes un izplūdes cauruļvadu diametri.

Q 0 =p V C p ∆T,

kur p ir jūras ūdens blīvums, kg / m 3;

C p - jūras ūdens masas siltumietilpība, J / (kg K);

V - tilpuma ūdens plūsma, m 3 / s;

∆T \u003d T 1 -T 2 - temperatūras starpība starp virszemes un dziļajiem ūdeņiem

(cikla temperatūras starpība) °C vai K.

Ideālā teorētiskajā Kārno ciklā mehānisko jaudu N 0 (W) var definēt kā

N 0 \u003d η t k Q o,

vai ņemot vērā (1) un Karno cikla termiskās efektivitātes izteiksmi η t k:

N 0 \u003d p C p V (∆T) 2 /T 1.

3. uzdevums Divkontūru tvaika-ūdens ģeotermālā elektrostacija ar elektrisko jaudu N saņem siltumu no ūdens no ģeotermālajām akām ar temperatūru t gs . Sausā piesātinātā tvaika temperatūra pie tvaika ģeneratora izejas ir par 20 0 C zemāka nekā t gs . Tvaiki izplešas turbīnā un nonāk kondensatorā, no kurienes to dzesē ūdens vide ar temperatūru t xv . Dzesēšanas ūdens tiek uzsildīts kondensatorā par 12 0 C. Kondensāta temperatūra ir par 20 0 C augstāka nekā t xv . Ģeotermālais ūdens iziet no tvaika ražošanas iekārtas temperatūrā, kas ir par 15 0 C augstāka nekā kondensāts. Relatīvais turbīnas iekšējais koeficients η oi , turboģeneratora elektriskā efektivitāte η e =0,96. Noteikt Rankine cikla termisko efektivitāti, tvaika plūsmu un īpatnējo siltuma plūsmu, ūdens plūsmu no ģeotermālajām akām un no vides.

Vienkontūras tvaika turbīnā GeoTEP sausā piesātinātā tvaika entalpiju pēc atdalīšanas nosaka ģeotermālā ūdens temperatūra t gw. No ūdens un ūdens tvaiku termodinamisko īpašību tabulām vai h-s diagrammām. Divkāršās ķēdes GeoTEU gadījumā tiek ņemta vērā temperatūras starpība tvaika ģeneratorā Δt. Pretējā gadījumā aprēķinu veic tāpat kā saules tvaika turbīnas TPP.

Tvaika patēriņu nosaka pēc attiecības

kg/s,

kur η t ir cikla termiskā efektivitāte,

η оі - turbīnas relatīvā iekšējā efektivitāte,

η e ir turboģeneratora elektriskā efektivitāte,

N ir GeoTEU jauda, ​​kW,

Karstā ūdens plūsmas ātrumu no ģeotermālajām akām nosaka pēc formulas

, kg/s,

aukstā ūdens patēriņš no vides tvaika kondensācijai

, kg/s,

kur c = 4,19 kJ/kg∙K ir ūdens siltumietilpība,

η pg ir tvaika ģeneratora efektivitāte,

Δt pg – ģeotermālā ūdens temperatūras starpība tvaika ģeneratorā, 0 С,

Δt xv - aukstā ūdens temperatūras kritums kondensatorā, 0 C.

GeoTEU aprēķins ar zemas viršanas temperatūras un jauktiem darba šķidrumiem tiek veikts, izmantojot termodinamisko īpašību tabulas un šo šķidrumu tvaiku h-s diagrammas.

Daudzumi un to mērvienības	Uzdevuma iespējas
N, MW
t min., 0 С
t min., 0 С
η oi , %