Расчет тепловой схемы геоэс. Геотермальные электростанции. Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы
Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 0С каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно как для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира.
По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 0С. Скорость остывания Земля примерно равна 300-350 0С в миллиард лет. Земля содержит 42 х 1012 Вт тепла, из которых 2% содержится в коре и 98% - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое находится слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.
Геотермальные электростанции и геотермальные ресурсы
Чем глубже скважина, тем выше температура, но в некоторых местах геотермальная температура поднимается быстрее. Такие места обычно находятся в зонах повышенной сейсмической активности, где сталкиваются или разрываются тектонические плиты. Именно поэтому наиболее перспективные геотермальные ресурсы находятся в зонах вулканической активности. Чем выше геотермический градиент, тем дешевле обходится добыча тепла, за счет уменьшения расходов на бурение и качание. В наиболее благоприятных случаях, градиент может быть настолько высок, что поверхностные воды нагреваются до нужной температуры. Примером таких случаев служат гейзеры и горячие источники.
Ниже земной коры находится слой горячего и расплавленного камня называемый магмой. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Энергетический потенциал тепла на глубине 10 000 метров в 50 000 раз больше энергии, чем все мировые запасы нефти и газа.
Зоны наивысших подземных температур находятся в регионах с активными и молодыми вулканами. Такие «горячие точки» находятся на границах тектонических плит или в местах, где кора настолько тонка, что пропускает тепло магмы. Множество горячих точек находится в зоне Тихоокеанского кольца, которое еще называют «огненное кольцо» из-за большого количества вулканов.
Геотермальные электростанции - способы использования геотермальной энергии
Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).
В Калифорнии, Неваде и некоторых других местах геотермальная энергия используется на больших электростанциях, Так, в Калифорнии около 5% электричества вырабатывается за счет геотермальной энергии, в Сальвадоре геотермальная энергия производит около 1/3 электроэнергии. В Айдахо и Исландии геотермальное тепло используется в различных сферах, в том числе и для обогрева жилья. В тысячах домах геотермальные тепловые насосы используются для получения экологически чистого и недорогого тепла.
Геотермальные электростанции - источники геотермальной энергии.
Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды.
Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.
Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды , содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.
Геотермальные электростанции - принципы работы
В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.
Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару
Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это старейшие геотермальные электростанции. Первая такая электростанция была построена в Лардерелло (Италия) в 1904 году, она действует и в настоящее время. Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии – это самая крупная геотермальная электростанция в мире.
Геотермальные электростанции на парогидротермах
Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.
Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства электроэнергии.
Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200 0С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют. Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать на этом принципе.
Будущее геотермального электричества.
Резервуары с паром и горячей водой являются лишь малой частью геотермальных ресурсов. Земная магма и сухая твердая порода обеспечат дешевой, чистой практически неиссякаемой энергией, как только будут разработаны соответствующие технологии по их утилизации. До тех пор, самыми распространенными производителями геотермальной электроэнергии будут электростанции с бинарным циклом.
Чтобы геотермальное электричество стало ключевым элементом энергетической инфраструктуры США, необходимо разработать методы по уменьшению стоимости его получения. Департамент Энергетики США работает с представителями геотермальной промышленности по уменьшению стоимости киловатт-часа до $0,03-0,05. По прогнозам, в ближайшее десятилетие появятся новые геотермальные электростанции мощностью 15 000 МВт.
Ресурсы геотермальной энергии на территории России имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Запасы тепла Земли с температурой 30-40 °С (рис. 17.20, см. цветную вклейку) имеются практически на всей территории России, а в отдельных регионах имеются геотермальные ресурсы с температурой до 300 °С. В зависимости от температуры геотермальные ресурсы используются в различных отраслях народного хозяйства: электроэнергетике, теплофикации, промышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии.
При температурах геотермальных ресурсов свыше 130 °С возможно получение электроэнергии на одноконтурных геотермальных электростанциях (ГеоЭС). Однако ряд регионов России располагают значительными запасами геотермальных вод с более низкой температурой порядка 85 °С и выше (рис. 17.20, см. цветную вклейку). В этом случае можно получить электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Бинарные электрические станции - это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела. К бинарным также иногда относят одноконтурные станции, которые работают на смеси двух рабочих тел - аммиака и воды (рис. 17.21, см. цветную вклейку).
Первые геотермальные электростанции в России были построены на Камчатке в 1965-1967 гг.: Паужетская ГеоЭС, которая работает и в настоящее время производит самую дешевую электроэнергию на Камчатке, и Паратунская ГеоЭС с бинарным циклом. В дальнейшем в мире было построено около 400 ГеоЭС с бинарным циклом.
В 2002 г. введена в эксплуатацию на Камчатке Мутновская ГеоЭС с двумя энергоблоками общей мощностью 50 МВт.
Технологической схемой электростанции предусмотрено использование пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, забираемой из геотермальных скважин.
После сепарации пар с давлением 0,62 МПа и степенью сухости 0,9998 поступает на двухпоточную паровую турбину, имеющую восемь ступеней. В паре с паровой турбиной работает генератор номинальной мощностью 25 МВт и напряжением 10,5 кВ.
Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу.
Геотермальные ресурсы широко используются для теплоснабжения, особенно при прямом использовании горячей геотермальной воды.
Низкопотенциальные геотермальные источники тепла с температурой or 10 до 30 °С целесообразно использовать с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью внешнего воздействия для совершения работы. В основе принципа работы теплового насоса лежит обратный цикл Карно.
Тепловой насос, потребляя) кВт электрической мощности, выдает в систему теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепловой мощности. Коэффициент трансформации изменяется в зависимости от температуры низкопотенциального геотермального источника.
Тепловые насосы нашли широкое применение во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции тепловой мощностью 320 МВт и использует тепло воды Балтийского моря.
Эффективность использования теплового насоса определяется в основном соотношением цен на электрическую и тепловую энергию, а также коэффициентом трансформации, обозначающим, во сколько раз больше производится тепловой энергии по сравнению с затраченной электрической (или механической) энергией.
Наиболее экономична работа тепловых насосов в период прохождения" минимальных нагрузок в энергосистеме. Их работа может способствовать выравниванию графиков электрической нагрузки энергосистемы.
Литература для самостоятельного изучения
17.1.Использование
водной энергии: учебник для вузов / под ред. Ю.С. Васильева. -
4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1995.
17.2.Васильев Ю.С, Виссарионов В.И., Кубышкин Л.И.
Решение гидроэнергетиче
ских задач на ЭВМ. М.: Энергоатомиздат, 1987.
17.3.Непорожний П.С., Обрезков В,И.
Введение в специальность. Гидроэлектроэнерге
тика: учебное пособие для вузов. - 2-е изд.. перераб. и доп. М: Энергоатомиздат,
1990.
17.4.Водно-энергетические и водохозяйственные расчеты: учебное пособие для вузов /
под ред. В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 2001.
17.5.Расчет
ресурсов солнечной энергетики: учебное пособие для вузов / под ред.
В.И. Виссарионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.
17.6.Ресурсы
и эффективность использования возобновляемых источников энергии
в России / Коллектив авторов. СПб.: Наука, 2002.
17.7.Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г.
Ветроэнергетика России. Состояние
и перспективы развития. М.: Издательство МЭИ, 1996.
17.8.Расчет
ресурсов ветроэнергетики: учебное пособие для вузов / под ред. В.И. Висса
рионова. М.: Издательство МЭИ, 1997.
17.9.Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке / О.В. Бритвин,
РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Произведем расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа, согласно .
Наша геотермальная электростанция состоит из двух турбин:
Первая работает на насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность - ;
Вторая работает на насыщенном паре хладона R11, который испаряется за счет тепла воды, отводимый из расширителя.
Вода из геотермальных скважин с давлением pгв температурой tгв поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с давлением pp. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идет в испаритель, где охлаждается на и заканчивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке = 20°С. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой tхв. Нагрев воды в конденсаторе = 10°С, а недогрев до температуры насыщения = 5°С.
Относительные внутренние КПД турбин. Электромеханический КПД турбогенераторов = 0,95.
Исходные данные приведены в таблице 3.1.
Табл. 3.1. Исходные данные для расчета ГеоЭС
Принципиальная схема ГеоЭС бинарного типа (рис. 3.2).
Рис. 3.2.
Согласно схеме на рис. 3.2 и исходным данным проводим расчеты.
Расчет схемы паровой турбины, работающей на сухом насыщенном водяном паре
Температура пара при входе в конденсатор турбины:
где - температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; - нагрев воды в конденсаторе; - температурный напор в конденсаторе.
Давление пара в конденсаторе турбины определяется по таблицам свойств воды и водяного пара :
Располагаемый теплоперепад на турбину :
где - энтальпия сухого насыщенного пара на входе в турбину; - энтальпия в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.
Расход пара из расширителя на паровую турбину:
где - относительный внутренний КПД паровой турбины; - электромеханический КПД турбогенераторов.
Расчет расширителя геотермальной воды
Уравнение теплового баланса расширителя
где - расход геотермальной воды из скважины; - энтальпия геотермальной воды из скважины; - расход воды из расширителя в испаритель; - энтальпия геотермальной воды на выходе из расширителя. Определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как энтальпия кипящей воды.
Уравнение материального баланса расширителя
Решая совместно эти два уравнения необходимо определить и.
Температура геотермальной воды на выходе из расширителя определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как температура насыщения при давлении в расширителе:
Определение параметров в характерных точках тепловой схемы турбины, работающей в хладоне
Температура паров хладона на входе в турбину:
Температура паров хладона на выходе из турбины:
Энтальпия паров хладона на входе в турбину определяется по p-h диаграмме для хладона на линии насыщения при:
240 кДж/кг.
Энтальпия паров хладона на выходе из турбины определяется по p-h диаграмме для хладона на пересечении линий и линии температуры:
220 кДж/кг.
Энтальпия кипящего хладона на выходе из конденсатора определяется по p-h диаграмме для хладона на кривой для кипящей жидкости по температуре:
215 кДж/кг.
Расчет испарителя
Температура геотермальной воды на выходе из испарителя:
Уравнение теплового баланса испарителя:
где - теплоемкость воды. Принять =4,2 кДж/кг.
Из этого уравнения необходимо определить.
Расчет мощности турбины, работающей на хладоне
где - относительный внутренний КПД хладоновой турбины; - электромеханический КПД турбогенераторов.
Определение мощности насоса для закачки геотермальной воды в скважину
где - КПД насоса, принимается 0,8; - средний удельный объем геотермальной воды .
Практическое занятие № 6
Цель: ознакомиться с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО), а также с методикой их расчета.
Продолжительность занятия – 2 часа
Ход работы:
1. На основании теоретической части работы ознакомится с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО.
2. В соответствии с индивидуальным заданием решить практические задачи.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Использование тепловой энергии океана
Технология преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) позволяет создавать электричество за счет разницы температур между теплой и холодной океанской водой. Холодная вода перекачивается через трубу с глубины более 1000 метров (из места, куда солнечные лучи никогда не попадают). Система также использует и теплую воду из области, близкой к поверхности океана. Нагретая солнечными лучами вода проходит через теплообменник с химическими веществами с низкой температурой кипения, например аммиаком, что создает химический пар, приводящий в движение турбины электрогенераторов. Затем пар конденсируется обратно в жидкую форму при помощи охлажденной воды из глубин океана. Тропические регионы считаются наиболее удачным местом для размещения систем ПТЭО. Это обусловлено большей разностью температур между водой на мелководье и на глубине.
В отличие от ветровых и солнечных ферм, океаническая ТЭС может производить экологически чистую электроэнергию круглосуточно, 365 дней в году. Единственным побочным продуктом таких энергоблоков является холодная вода, которая может использоваться для охлаждения и кондиционирования воздуха в административных и жилых зданиях рядом с энергогенерирующим объектом.
Использование геотермальной энергии
Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.
По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300-350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·10 12 Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840000000000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.
Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:
· Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;
· Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;
· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Задача 1. Определить начальную температуру t 2 и количество геотермальной энергии Е o (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р гр = 2700 кг/ м 3 ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.
Среднюю температуру поверхности t o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ = 1·10 3 кг/м 3 . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км 2 . Минимально допустимую температуру пласта принять равной t 1 =40 ° С.
Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ o (лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м 3 /(с·км 2). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz) τ =0 и через 10 лет (dE/dz) τ =10?
Задача 1 посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру - скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры р гр =2700 кг/м 3 , а коэффициент теплопроводности λ гр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км.
Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м 2 . Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.
В полутермальных районах температурный градиент равен 40-80 °С/км. Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.
В гипертермальных районах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км. Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.
При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:
T г =T o +(dT/dz)·z,
где Т o - температура на поверхности Земли, К (° С).
В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности F.
Теплоемкость пласта С пл (Дж/К) можно определить по уравнению
C пл =[α·ρ в ·C в +(1- α)·ρ гр ·C гр ]·h·F,
где р в и С в - соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость
р гр и С гр - плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р гр =820-850 Дж/(кг·К).
Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т 1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):
E 0 =C пл ·(T 2 -T 1)
Постоянную времени пласта τ 0 (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м 3 /с) можно определить по уравнению:
τ 0 =C пл /(V·ρ в ·С в)
Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:
E=E 0 ·e -(τ / τ o)
где τ - число лет с начала эксплуатации;
е - основание натуральных логарифмов.
Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):
Задача 2 Считается, что действительный КПД η океанической ТЭС, использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (T 1 -T 2)= ∆T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, η t k . Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t , °С, а температура воды на глубине океана t 2 , °С. Какой расход теплой воды V , m/ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт?
Задача 2 посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур (∆T=15÷26 o C) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5-9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы "теплой" и "холодной" воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.
Q 0 =p·V·C p ·∆T,
где р - плотность морской воды, кг/м 3 ;
С р - массовая теплоемкость морской воды, Дж/(кг · К);
V - объемный расход воды, м 3 /с;
∆T = T 1 -T 2 - разность температур поверхностных и глубинных вод
(температурный перепад цикла) в °С или К.
В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N 0 (Вт) может быть определена как
N 0 =η t k ·Q o ,
или с учетом (1) и выражения для термического КПД цикла Карно η t k:
N 0 =p·C p ·V·(∆T) 2 /T 1.
Задача 3 Двухконтурная пароводяная геотермальная электростанция с электрической мощностью N получает теплоту от воды из геотермальных скважин с температурой t гс . Сухой насыщенный пар на выходе из парогенератора имеет температуру на 20 0 С ниже, чем t гс . Пар расширяется в турбине и поступает в конденсатор, где охлаждается водой из окружающей среды с температурой t хв . Охлаждающая вода нагревается в конденсаторе на 12 0 С. Конденсат имеет температуру на 20 0 С выше, чем t хв . Геотермальная вода выходит из парогенерирующей установки с температурой на 15 0 С выше, чем конденсат. Относительный внутренний коэффициент турбины η оі , электрический КПД турбогенератора η э =0,96. Определить термический КПД цикла Ренкина, расход пара и удельный расход теплоты, расходы воды из геотермальных скважин и из окружающей среды.
В одноконтурной паротурбинной ГеоТЭУ энтальпия сухого насыщенного пара после сепарации определяется по температуре геотермальной воды t гв. Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара или h-s диаграммы. В случае двухконтурной ГеоТЭУ учитывается перепад температур в парогенераторе Δt. В остальном расчет ведется как и для солнечной паротурбинной ТЭС.
Расход пара определяется из соотношения
кг/с,
где η t – термический КПД цикла,
η оі – Относительный внутренний КПД турбины,
η э –электрический КПД турбогенератора,
N – мощность ГеоТЭУ, кВт,
Расход горячей воды из геотермальных скважин определяется из формулы
, кг/с,
расход холодной воды из окружающей среды на конденсацию пара
, кг/с,
где с = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды,
η пг – КПД парогенератора,
Δt пг – перепад температур геотермальной воды в парогенераторе, 0 С,
Δt хв – перепад температур холодной воды в конденсаторе, 0 С.
Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h-s диаграмм паров этих жидкостей.
| Величины и единицы их измерения | Варианты заданий | |||||||||
| N, МВт | ||||||||||
| t хв., 0 С | ||||||||||
| t хв., 0 С | ||||||||||
| η oi , % |
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Скотарев Иван Николаевич
студент 2 курса, кафедра физики СтГАУ, г. Ставрополь
Хащенко Андрей Александрович
научный руководитель, кан. физ.-мат. наук, доцент СтГАУ, г. Ставрополь
Сейчас человечество не сильно задумывается, что оно оставит будущим поколениям. Люди бездумно выкачивают и выкапывают полезные ископаемые. С каждым годом растёт население планеты, а следовательно увеличивается и потребность в ещё в большем количестве энергоносителей таких как газ, нефть и уголь. Продолжаться это долго не может. Поэтому сейчас помимо развития атомной промышленности становится актуальным использование альтернативных источников энергии. Одним из перспективных направлений в этой области является геотермальная энергетика.
Большая часть поверхности нашей планеты обладает значительными запасами геотермальной энергии вследствие значительной геологической деятельности: активной вулканической деятельности в начальные периоды развития нашей планеты а также и по сей день, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В некоторых местах нашей планеты скапливается особенно много геотермальной энергии. Это, например, различные долины гейзеров, вулканы, подземные скопления магмы, которые в свою очередь нагревают верхние породы.
Говоря простым языком геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли. Например извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромной температуре внутри планеты. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра до поверхности Земли (рисунок 1 ).
Рисунок 1. Температура в различных слоях земли
Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями своего полезного применения. Ведь человек в процессе своего развития придумывал множество полезных технологий и во всём искал выгоду и прибыль. Так и произошло с углём, нефтью, газом, торфом и т. д.
Например, в некоторых географических районах использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии, потому что в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии . Сама природа дает человеку в руки уникальный источник энергетики, необходимо только его использовать.
Всего сейчас насчитывается 5 типов источников геотермальной энергии:
1. Месторождения геотермального сухого пара.
2. Источники влажного пара. (смеси горячей воды и пара).
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду).
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой.
5. Магма (расплавленные горные породы нагретые до 1300 °С).
Магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура горных пород повышается в среднем на 1 °С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). В мире имеется большое разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования .
Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева различных объектов. Геотермальное тепло можно преобразовывать в электричество, если температура теплоносителя достигает более 150 °С. Как раз использование внутренних областей Земли для отопления является наиболее выгодным и эффективным а так же очень доступным. Прямое геотермальное тепло в зависимости от температуры может использоваться для отопления зданий, теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных и рыбопродуктов, выпаривания растворов, выращивания рыбы, грибов и т. д. .
Все существующие на сегодняшний день геотермальные установки делятся на три типа:
1. станции, основой для работы которых являются месторождения сухого пара - это прямая схема.
Электростанции на сухом пару появились раньше всех. Для того чтобы получить требующуюся энергию пар пропускается через турбину или генератор (рисунок 2 ).
Рисунок 2. Геотермальная электростанция прямой схемы
2. станции с сепаратором, использующие месторождения горячей воды под давлением. Иногда для этого используется насос, который обеспечивает нужный объём поступающего энергоносителя - непрямая схема.
Это наиболее распространенный тип геотермальных станций в мире. Здесь воды закачиваются под высоким давлением в генераторные установки. Происходит накачивание гидротермального раствора в испаритель для снижения давления, в результате идёт испарение части раствора. Далее образовывается пар, который и заставляет работать турбину. Оставшаяся жидкость также может приносить пользу. Обычно её пропускают ещё через один испаритель и получить дополнительную мощность (рисунок 3 ).
Рисунок 3. Геотермальная электростанция непрямой схемы
Они характеризуются отсутствием взаимодействия генератора или турбины с паром или водой. Принцип их действия основан на разумном применении подземной воды умеренной температуры.
Обычно температура должна быть ниже двухсот градусов. Сам бинарный цикл заключается в использовании двух типов вод - горячей и умеренной. Оба потока пропускаются через теплообменник. Более горячая жидкость выпаривает более холодную, и образуемые вследствие этого процесса пары приводят в действие турбины , , .
Рисунок 4. Схема геотермальной электростанци с бинарным циклом
Что касается нашей страны геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования из-за уникального ландшафта и природных условий. Найденные запасы геотермальных вод с температурой от 40 до 200 °С и глубиной залегания до 3500 м на её территории могут обеспечить получение примерно 14 млн. м3 горячей воды в сутки. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России. Например, в Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения.
Первая геотермальная электростанция была построена в 1966 году на Паужетском месторождении на полуострове Камчатка с целью электроснабжения окрестных поселков и рыбоперерабатывающих предприятий, что способствовало местному развитию. Местная геотермальная система может обеспечить энергией электростанции мощностью до 250-350 МВт. Но данный потенциал используется только на четверть .
Территория Курильских островов обладает уникальными и одновременно сложным ландшафтом. Электроснабжение находящихся там городов обходится большими сложностями: необходимость доставки на острова средств существования морским или воздушным путём, что достаточно затратно и занимает много времени. Геотермальные ресурсы островов на данный момент позволяют получать 230 МВт электроэнергии, что может обеспечить все потребности региона в энергетике, тепле, горячем водоснабжении.
На острове Итуруп найдены ресурсы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова. На южном острове Кунашире действует ГеоЭс 2,6 МВт, которая используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Планируются строительство еще нескольких ГеоЭс суммарной мощностью 12-17 МВт .
Наиболее перспективными регионами для применения геотермальных источников в России являются юг России и Дальний Восток. Огромный потенциал геотермальной энергетики имеют Кавказ, Ставрополье, Краснодарский край.
Использование геотермальных вод в Центральной части России требует больших затрат из-за глубокого залегания термальных вод.
В Калининградской области в планах осуществление опытного проекта геотермального тепло- и электроснабжения города Светлый на базе бинарной ГеоЭс мощностью 4 МВт.
Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство крупных объектов, так и на использование геотермальной энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов и других объектов с использованием геотермальных циркуляционных систем.
В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.
В 1999 г. была пущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС (рисунок 5 ).
Рисунок 5. Верхне-Мутновская ГеоЭС
Она обладает мощностью 12 МВт (3х4 МВт) и является опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения промышленного района Петропавловск-Камчатска.
Но несмотря на большие плюсы в этом направлении присутствует и недостатки:
1. Главный из них заключается в необходимости закачки отработанной воды обратно в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что делает невозможным сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
2. Иногда действующая геотермальная электростанция может приостановиться в результате естественных изменений в земной коре.
3. Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.
4. Строительство ГеоЭС может отрицательно повлиять на землю стабильности в окружающем регионе.
Большинство этих недостатков незначительны и в полнее решаемы .
Сегодня в мире люди не задумываются об последствиях своих решений. Ведь что они будут делать если закончатся нефть, газ и угол? Люди ведь привыкли жить в комфорте. Топить дома дровами они долго не смогут, потому что большому населению потребуется огромнейшее количество древесины, что само собой приведёт масштабной вырубке лесов и оставит мир без кислорода. Поэтому для того чтобы этого не произошло необходимо использовать доступные нам ресурсы экономно, но с максимальной эффективностью. Как раз одним из способов решения этой проблемы является развитие геотермальной энергетики. Конечно она имеет свои плюсы и минусы, но её развитие очень облегчит дальнейшее существование человечества и сыграет большую роль в дальнейшем его развитии.
Сейчас это направление не сильно популярно, потому что в мире господствует нефтяная и газовая промышленность и крупные компании не спешат вкладывать средства в развитие столь необходимой отрасли промышленности. Поэтому для дальнейшего прогрессирования геотермальной энергетики необходимы инвестиции и поддержка государства, без которой осуществить что либо в масштаб всей страны просто невозможно. Введение геотермальной энергетики в энергобаланс страны позволит:
1. повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие на экологическую обстановку по сравнению с традиционными источниками.
2. развить экономику, потому что высвободившиеся денежные средства можно будет вкладывать в другие отрасли промышленности, социальное развитие государства и т. д.
В последнее десятилетие использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии переживает в мире настоящий бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Она способна радикально и на наиболее экономической основе решить проблему энергоснабжения указанных районов, которые пользуются дорогим привозным топливом и находятся на грани энергетического кризиса, улучшить социальное положение населения этих районов и т. д. Как раз это мы и наблюдаем в странах Западной Европы (Германия, Франция, Великобритания), Северной Европы (Норвегия, Швеция, Финляндия, Исландия, Дания). Это объясняется тем что они обладают высоким экономическим развитием и очень сильно зависят от ископаемых ресурсов и поэтому главы этих государств вместе с бизнесом стараются минимизировать эту зависимость. В частности, странам Северной Европы развитию геотермальной энергетики благоприятствует наличие большого количества гейзеров и вулканов. Ведь не зря Исландию называют страной вулканов и гейзеров.
Сейчас человечество начинает понимать всю важность это отрасли и старается по мере возможностей её развивать. Применение большого ряда самых разнообразных технологий даёт возможность снизить потребление энергии на 40-60 % и одновременно обеспечить реальное экономическое развитие. А оставшиеся потребности в электроэнергии и тепле можно закрыть за счёт более эффективного её производства, за счёт восстановления, за счёт объединения выработки тепловой и электрической энергий, а так же за счёт использования возобновляемых ресурсов, что даёт возможность отказаться от некоторых видов электростанций и снижает эмиссию углекислого газа на примерно на 80 %.
Список литературы:
1.Баева А.Г., Москвичёва В.Н. Геотермальная энергия: проблемы, ресурсы, использование: изд. М.: СО АН СССР, Институт теплофизики, 1979. - 350 с.
2.Берман Э., Маврицкий Б.Ф. Геотермальная энергия: изд. М.: Мир, 1978 - 416 стр.
3.Геотермальная энергия. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ustoj.com/Energy_5.htm (дата обращения 29.08.2013).
4.Геотермальная энергетика России. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/ (дата обращения 07.09.2013).
5.Дворов И.М. Глубинное тепло Земли: изд. М.: Наука, 1972. - 208 с.
6.Энергетика. Материал из Википедии - свободной энциклопедии. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика (дата обращения 07.09.2013).
