Геотермальная энергия. Схемы и особенности ГеоТэс. Развитие и геотермальной энергетики в России и мире

Согласно современных представлений, выделение теплоты в недрах Земли связано со следующими процессами:

1) радиоактивный распад долгоживущих элементов;

2) воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли;

3) гравитационная деформация материала Земли с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки;

4) тектонические процессы, вызывающие смещение и упругие деформации крупных блоков земной коры;

5) химические превращения в недрах Земли.

В центре Земли температура ядра (жидкое железо) составляет 4000-5000 ⁰К, в магматических очагах, близких к поверхности 1200-1500 ⁰К. Плотность теплового потока у поверхности Земли » 0,006 Вт/м² (температурный градиент 30 К/км), а в районах молодых складчатых областей доходит до » 0,3 Вт/м² (градиент 200 К/км).

Пригодными для практического использования являются:

- месторождения сухого пара: легко осваиваются, встречаются редко;

-месторождения влажного пара: встречаются чаще (Камчатка, долина Гейзеров в США и т.д.);

- горячая (термальная) вода – ресурсы большие, используется для отопления и в тепличном хозяйстве;

- теплота сухих горных пород – ресурсы большие, однако, технологии использования на ранней стадии освоения.

Перспективными зонами с большими геотермальными ресурсами являются зоны тихоокеанского и средиземноморского вулканического пояса, где сосредоточено 80 % действующих вулканов. В данных районах на глубине 1-2 км исследовано более 100 геотермальных систем, в большинстве которых температура около 450 К (180 ^оС), в 20 районах более 510 К (240 ^оС) и в 6 – более 570 К (300 ^оС). В небольшом числе систем в парогидротермах преобладает пар с температурой более 500 К (230 ^оС), в остальных системах преобладает вода.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основные негативные факторы:

- повышенный уровень шума на выходе из скважины;

- загрязнение поверхностных водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием растворенных солей (низкая минерализация без очистки < 10 г/л, средняя очистка 10…35 г/л, высокая 35…200 г/л и более ® только в двухконтурных схемах ГеоТЭС);

- загрязнение окружающего воздуха попутными газами (сероводород H₂S, метан CH₄, аммиак NH₃…).

Рассмотрим типичные тепловые схемы действующих ГеоТЭС (геотермальных тепловых станций).

1) ГеоТэс на сухом паре с конденсатором смешивающего типа.

Сухой пар из скважины подается после отделения в сепараторе твердых включений непосредственно в турбину, откуда в конденсатор смешивающего типа. Часть охлажденного конденсата используется для конденсации пара, остальная часть закачивается обратно в пласт.

2) ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором поверхностного типа.

Отличается от первой схемы тем, что пар после турбины направляется в конденсатор поверхностного типа, а сопутствующие газы отводятся эжектором и очищаются от сероводорода.

3) ГеоТЭС на пароводяной смеси с одноступенчатым расширением.

Используются в тех случая, когда в геотермальной среде преобладает вода. Пароводяная смесь поступают в сепаратор, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а жидкая фракция закачивается обратно в пласт.

4) ГеоТЭС на пароводяной смеси с двухступенчатым расширением.

Отличается наличием дополнительного расширения Р₂, что усложняет схему из-за необходимости двух паровпусков в турбину, но позволяет существенно, на 15-20 % повысить выработку электроэнергии на единицу массы вещества, поднимаемого из скважины.

5) ГеоТЭС с бинарным двухконтурным циклом

Имеется теплообменник, в котором геотермальная среда передает теплоту другому рабочему телу.

Преимущества двухконтурного цикла:

- более полно используется теплота рассола, который закачивается обратно в пласт с меньшей температурой;

- возможно использование геотермальных сред с пониженной температурой;

- исключено попадание агрессивных компонентов геотермальных сред в паросиловой цикл, что обеспечивает длительную эксплуатацию его оборудования (турбина, конденсатор, …);

- исключено попадание сопутствующих вредных газов в атмосферу (окружающую среду).

Существенной проблемой данных ГеоТЭС является необходимость установки в скважине погружных насосов для поддавливания геотермальной среды и обеспечения её однофазности в теплообменнике – парогенераторе ПГ. Продолжительность работы таких насосов невелика из-за агрессивности геотермальной среды.

В состав ГеоЭС традиционно входят: скважинное оборудование, система подготовки рабочего тела, турбина, конденсационная установка, система водоснабжения, электрическая часть. Высокая надежность турбоустановки обеспечивается, прежде всего качественной осушкой геотермального пара, выводом вместе с сепаратором примесей из рабочего тела. Пароводяная смесь со степенью влажности 50-70 %, пройдя скваженный сепаратор горизонтального гравитационного типа, имеет степень влажности на выходе 0,05 %. Осушенный таким образом пар от 3-5 скваженных сепараторов собирается в стационарном гравитационном сепараторе – паросборнике, после чего со степенью влажности не более 0,05 пар направляется в турбину. Для питания эжекторов используется пар от расширителя, куда сбрасывается сепарат после скважинных сепараторов, это позволяет почти на 10 % повысить экономичность энергоблока.

Проблемы коррозии-эрозии и солеотложений решаются на основе выбора оптимальных материалов, существенным снижением агрессивности пара путем осушки и промывки, усилением уязвимых мест в конструкции оборудования, предполагаемым использованием специальных ингибиторов для предотвращения коррозии.