Геотермальная энергетика

Преобразование  геотермальной энергии  в электрическую и тепловую. 

     Одно  из перспективных направлений использования  тепла высокоминерализованных подземных  термальных вод преобразование его  в электрическую энергию. С этой целью была разработана технологическая  схема для строительства ГеоТЭС, состоящая из геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и паротурбинной установки (ПТУ). Отличительной особенностью такой технологической схемы является то, что в ней роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник, расположенный в верхней части нагнетательной скважины, куда по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода, которая после передачи тепла вторичному теплоносителю закачивается обратно в пласт. Вторичный теплоноситель из конденсатора паротурбинной установки самотёком поступает в зону нагрева по трубе, спущенной внутри теплообменника до днища.

      В основе работы ПТУ лежит цикл Ренкина; t,s диаграмма этого цикла и характер изменения температур теплоносителей в теплообменнике испарителе.

     Наиболее  важным моментом при строительстве  ГеоТЭС является выбор рабочего тела во вторичном контуре. Рабочее тело, выбираемое для геотермальной установки, должно обладать благоприятными химическими, физическими и эксплуатационными свойствами при заданных условиях работы, т.е. быть стабильным, негорючим, взрывобезопасным, нетоксичным, инертным по отношению к конструкционным материалам и дешёвым. Желательно выбирать рабочее тело с более низким коэффициентом динамической вязкости (меньше гидравлические потери) и с более высоким коэффициентом теплопроводности (улучшается теплообмен).

     Невысокие начальные параметры рабочих  тел геотермальных энергетических установок приводят к поиску низкокипящих рабочих тел с отрицательной  кривизной правой пограничной кривой в t, s диаграмме, поскольку использование воды и водяного пара приводит в этом случае к ухудшению термодинамических показателей и к резкому увеличению габаритов паротурбинных установок, что существенно повышает их стоимость.

     В качестве сверхкритического агента вторичного контура бинарных энергетических циклов предложено применять смесь  изобутан + изопентан в сверхкритическом состоянии. Использование сверхкритических смесей удобно тем, что критические свойства, т.е. критическая температура tк(x), критическое давление pк(x) и критическая плотность qк (x) зависят от состава смеси x. Это позволит путём подбора состава смеси выбрать сверхкритический агент с наиболее благоприятными критическими параметрами для соответствующей температуры термальной воды конкретного геотермального месторождения.

     В качестве вторичного теплоносителя  используется легкокипящий углеводородизобутан, термодинамические параметры которого соответствуют требуемым условиям. Критические параметры изобутана:tк = 134,69 C; pк = 3,629МПа; qк =225,5кг/мі. Кроме того, выбор изобутана в качестве вторичного теплоносителя обусловлен его относительно невысокой стоимостью и экологической безвредностью (в отличие от фреонов). Изобутан в качестве рабочего тела нашёл широкое распространение за рубежом, а также предлагается использовать его в сверхкритическом состоянии в бинарных геотермальных энергетических циклах.

     Энергетические  характеристики установки рассчитаны для большого диапазона температур добываемой воды и различных режимов  её работы. При этом во всех случаях  принималось, что температура конденсации  изобутана tкон =30 C.

     Возникает вопрос о выборе наименьшего температурного напораt рис.2. C одной стороны, уменьшение t приводит к увеличению поверхности теплообменника испарителя, что может быть экономически не оправдано. С другой стороны, увеличение t при заданной температуре термальной воды tт приводит к необходимости понизить температуру испарения tз (а, следовательно, и давление), что отрицательно скажется на КПД цикла. В большинстве практических случаев рекомендуется принимать t = 10ч25єС.

     Полученные  результаты показывают, что существуют оптимальные параметры работы паросиловой  установки, которые зависят от температуры  воды, поступающей в первичный  контур парогенератора теплообменника. С увеличением температуры испарения  изобутана tз возрастает мощность N вырабатываемая турбиной на 1кг/с расхода вторичного теплоносителя. При этом по мере увеличения tз уменьшается количество испаряемого изобутана на 1кг/с расхода термальной воды.

     С повышением температуры термальной воды увеличивается и оптимальная  температура испарения.

     На  рис.3 представлены графики зависимости  мощности N, вырабатываемой турбиной, от температуры испарения tз вторичного теплоносителя при различных температурах термальной воды.

     Для высокотемпературной воды (tт = 180єС) рассмотрены сверхкритические циклы, когда начальное давление пара pн= 3,8; 4,0; 4,2; и 5,0МПа. Из них наиболее эффективны с точки зрения получения максимальной мощности является сверхкритический цикл, приближенный к так называемому «треугольному» циклу с начальным давлением pн= 5,0Мпа. При этом цикле вследствие минимальной разности температур между теплоносителем и рабочим телом температурный потенциал термальной воды используется наиболее полно. Сравнение этого цикла с докритическим (pн=3,4Мпа) показывает ,что мощность, вырабатываемая турбиной при сверхкритическом цикле, увеличивается на 11%, плотность потока вещества, поступающего на турбину, в 1,7 раза выше, чем в цикле с pн= 3,4Мпа, что приведёт к улучшению транспортных свойств теплоносителя и уменьшению размеров оборудования (подводящих трубопроводов и турбины) паротурбинной установки. Кроме того, в цикле с pн= 5,0Мпа температура отработанной термальной воды tн, нагнетаемой обратно в пласт, составляет 42 С, тогда как в докритическом цикле с pн= 3,4 МПа температура tн= 55єС.

В то же время повышение начального давления до 5,0 МПа в сверхкритическом цикле  влияет на стоимость оборудования, в частности на стоимость турбины. Хотя с ростом давления размеры проточной  части турбины уменьшаются, одновременно возрастает число ступеней турбины, требуется более развитое концевое уплотнение и, главное, увеличивается  толщина стенок корпуса.

     Для создания сверхкритического цикла  в технологической схеме ГеоТЭС необходима установка насоса на трубопроводе, связывающем конденсатор с теплообменником.

     Однако  такие факторы, как увеличение мощности, уменьшение размеров подводящих трубопроводов  и турбины и более полное срабатывание температурного потенциала термальной воды, говорят в пользу сверхкритического  цикла.

     В дальнейшем следует искать теплоносители  с более низкой критической температурой, что позволит создавать сверхкритические циклы при использовании термальных вод с более низкой температурой, так как тепловой потенциал подавляющего большинства разведанных месторождений  на территории России не превышает 100ч120єС. В этом отношении наиболее перспективным  является R13B1(трифторбромметан) со следующими критическими параметрами: tк= 66,9єС; pк= 3,946МПа; qк= 770кг/мі.

     Результаты  оценочных расчетов показывают, что  применение в первичном контуре  ГеоТЭС термальной воды с температурой tк= 120єС и создание во вторичном контуре на хладоне R13B1 сверхкритического цикла с начальным давлением pн= 5,0МПа также позволяют увеличить мощность турбины до 14% по сравнению с докритическим циклом с начальным давлением pн= 3,5МПа.

     Для успешной эксплуатации ГеоТЭС необходимо решать проблемы, связанные с возникновением коррозии и солеотложений, которые, как правило, усугубляются с увеличением минерализации термальной воды. Наиболее интенсивные солеотложения образуются из-за дегазации термальной воды и нарушения в результате этого углекислотного равновесия.

     В предложенной технологической схеме  первичный теплоноситель циркулирует  по замкнутому контуру: пласт - добычная скважина - наземный трубопровод - насос - нагнетательная скважина - пласт, где  условия для дегазации воды сведены  к минимуму. В то же время следует  придерживаться таких термобарических  условий в наземной части первичного контура, которые препятствуют дегазации  и выпадению карбонатовых отложений (в зависимости от температуры и минерализации давление необходимо поддерживать на уровне 1,5МПа и выше).

     Снижение  температуры термальной воды приводит к выпаданию и некарбонатных солей, что было подтверждено исследованиями, проведенными на Каясулинском геотермальном полигоне. Часть выпадающих в осадок солей будет отлагаться на внутренней поверхности нагнетательной скважины, а основная масса выносится в призабойную зону. Отложение солей на забое нагнетательной скважины будет способствовать снижению приёмистости и постепенному уменьшению циркулярного дебита, вплоть до полной остановки ГЦС.

     Для предотвращения коррозии и солеотложений в контуре ГЦС можно использовать эффективный реагент ОЭДФК (оксиэтили-дендифосфоновая кислота), обладающий длительным антикорро-ионным и антинакипным действием пассивации поверхности. Восстановление пассивирующего слоя ОЭДФК осуществляется путём периодического импульсного ввода раствора реагента в термальную воду у устья добычной скважины.

     Для растворения солевого шлама, который  будет скапливаться в призабойной зоне, а следовательно и для восстановления приёмистости нагнетательной скважины весьма эффективным реагентом является НМК (концентрат низкомолекулярных кислот), который также можно вводить периодически в циркулируемую термальную воду на участке до нагнетательного насоса.

     Следовательно, из выше сказанного можно предложить, что одним из перспективных направлений  освоения тепловой энергии земных недр является её преобразование в электрическую  путём строительства двухконтурных  ГеоТЭС на низкокипящих рабочих агентах. Эффективность такого преобразования зависит от многих факторов, в частности от выбора рабочего тела и параметров термодинамического цикла вторичного контура ГеоТЭС.

     Результаты  проведенного расчетного анализа циклов с использованием различных теплоносителей во вторичном контуре показывают, что наиболее оптимальными являются сверхкритические циклы, которые позволяют  повысить мощность турбины и КПД цикла, улучшить транспортные свойства теплоносителя и более полно срабатывать температуру исходной термальной воды, циркулирующей в первичном контуре ГеоТЭС. 

Установлено также, что для высокотемпературной  термальной воды (180єС и выше) наиболее перспективным является создание сверхкритических циклов во вторичном контуре ГеоТЭС с использованием изобутана, тогда как для вод с более низкой температурой (100ч120єС и выше) при создании таких же циклов наиболее подходящим теплоносителем является хладон R13В1.

     В зависимости от температуры добываемой термальной воды существует оптимальная  температура испарения вторичного теплоносителя, соответствующая максимальной мощности, вырабатываемая турбиной.

     В дальнейшем необходимо изучать сверхкритические смеси, использование которых в  качестве рабочего агента для геотермальных  энергетических циклов является наиболее удобным, так как путём подбора  состава смеси можно легко  менять их критические свойства в  зависимости от внешних условий. 

     Развитие  геотермальной энергетики в странах Ближнего и Дальнего Зарубежья.

     В мировой практике использованию  возобновляемых источников энергии  уделяется большое внимание. Во многих странах существуют национальные программы  по развитию возобновляемой энергетики.

     Прогнозы  строительства геотермальных электростанций (ГеоЭС) по всему миру выглядят весьма оптимистично. В ближайшие годы их мощности возрастут более чем на 40% и достигнут 11 400 МВт. Здесь лидируют страны Юго-Восточной Азии. На Филиппинах за последние пять лет введены мощности на ГеоЭС в 682 МВт. В Индонезии – на 280 МВт.

       В Европе же только Исландия  и Италия продолжают наращивать  мощности на таких электростанциях.  В частности,  в Исландии пробурена трёхкилометровая геотермальная скважина в вулкане, которая может обеспечить Исландию бесконечной поставкой экологически чистой электроэнергии. Из скважины глубиной в две мили, которую они пробурили в активном вулканическом кратере Krafla,  извлекают сверхкритическую воду (состояние при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой). Остров - один большой вулкан, сформированный миллионы лет тому назад. Геологическая эволюция сделала Исландию подходящим местом для сбора геотермальной энергии. Пористая порода впитывает сотни миллиметров осадков каждый год и подогревает их в подземных недрах. Более чем 50 стран используют геотермальную энергию; в значительной степени всюду, где магма и вода стыкаются в пределах нескольких километров на поверхности. Исландия занимает 14-ое место в мире по наличию геотермальных ресурсов, но, в тоже время, являются самым крупным производителем этой энергии на душу населения.

     В Турции пока имеется только одна ГеоЭС в Кызылтере мощностью 20,4 МВт и существует проект строительства новой в Герменжике на 25 МВт. В Швеции ежегодно устанавливают порядка 30 тыс. термальных установок для использования геотермального тепла.