Основные понятия о геотермальной электростанции. Тепловые насосы
1. Современные способы использования геотермальной энергии
С древнейших времен находит применение прямойспособ утилизации геотермального тепла. Для обогрева или приготовления пищи люди использовали высокотемпературные породу, почву и воду. Главным недостатком такого применения геотермальной энергии является невозможность ее транспортировки и хранения. Поэтому такой вид ее применения имеет весьма ограниченное применение и приближен исключительно к местам выделения тепла из недр. Эксплуатация геотермальных источников базируется на предшествующем геологическом исследовании, чтобы избежать значительных финансовых рисков при последующих капитальных затратах.
Чтобы определить, имеет ли определенная местность потенциал геотермальной теплоты для промышленных и бытовых нужд, нужен предварительный поиск, это сопряжено с риском, но необходимо. Это является одним из главных отличий геотермальной энергии от других возобновляемых источников энергии. Геотермальные воды, которые используются для теплоснабжения, можно условно разделить на 3 группы:
1) воды, которые могут непосредственно использоваться потребителями и подогреваться без каких-либо негативных последствий, то есть воды наиболее высокого качества;
2) воды, которые могут непосредственно использоваться потребителями для отопления, но не подлежат подогреву из-за их агрессивных свойств;
|
|
|
3) воды повышенной минерализации и агрессивности, которые невозможно использовать непосредственно.
Недостатком подобных систем использования геотермальной энергии с использованием скважин является угроза суффозии (пробоя) подземных коллекторов теплоносителем, что приводит к ухудшению теплообменных процессов в подземном пространстве. Если теплообмен происходит в склонных к размоканию породах или с использованием высокоминерализованных вод, существует вероятность кольматации (закупорки) подземного коллектора, повышения гидравлического сопротивления и сокращения массового расхода теплоносителя. Это приводит к снижению продуктивности геотермальных установок.
Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды, а также при внедрении тепловых насосов, в которых может эффективно применяться тепло земли с температурой 10-300С, т.е. низкопотенциальное геотермальное тепло. Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20-25% [7,8,9].
Схема системы геотермального теплоснабжения, разработанная Институтом механической теплофизики НАН Украины, представленная на рис. 1.1 имеет следующие показатели:
|
|
|
- тепловая мощность модуля, МВт - 5;
- по теплоснабжению, МВт - 3;
- по горячему водоснабжению, МВт - 2;
- температура на выходе скважины, °С - 60…80;
- температура воды в отопительной системе, °С - 55…75;
- температура воды горячего водоснабжения, °С - 50;
- давление воды в скважине, МПа, не менее - 1,5;
Рис.2.1. Схема системы геотермального теплоснабжения: 1 – подземный коллектор; 2 – скважина; 3 – газошламоотделитель; 4 – нагнетательный насос; 5 – нагнетательная скважина; 6 – теплообменник отопительной системы; 7 – насос отопительной системы; 8 – теплообменник системы горячего водоснабжения; 9 – отопительная система; 10 – система горячего водоснабжения; 11 – источник воды для горячего водоснабжения; 12 – ситема утилизации шламов и газов.
Более универсальным направлением использования является преобразование тепловой в другие виды энергии – механическую и электрическую. Эти виды более удобны для преобразования, хранения и транспортировки. Наибольшее распространение в настоящее время получили геотермальные электростанции.
|
|
|
Геотермальная электростанция – это особый тип электростанции, которая преобразует внутреннее тепло Земли в электрическую энергию. По своему техническому устройству, геотермальные электростанции подразделяются на несколько видов:
– геотермальные электростанции на парогидротермах – это электростанции, в которых используется уже нагретая природой вода.
– двухконтурная геотермальная электростанция на водяном паре. В таких электростанциях имеется специальный двухконтурный парогенератор, позволяющий генерировать «добавочный» пар. Иными словами в «горячей» стороне парогенератора используется геотермальный пар, а на «холодной» его стороне генерируется вторичный пар, полученный из подведенной воды.
Принципиальная схема геотермальной электростанции с паровой турбиной приведена на рис. 2.2, при этом используется резервуар сухого пара, который из скважин подается в турбину для выработки электроэнергии.
При отсутствии естественных парогидротерм используют схемы с принудительной подачей воды в недра. Вода, через специально пробуренные скважины, закачивается глубоко под землю, в те слои земной коры, которые естественным образом довольно сильно нагреты (рис. 2.3а). Просачиваясь в трещины и полости горячего гранита, вода нагревается, вплоть до образования сухого водяного пара, и по другой, параллельной скважине поднимается обратно. После этого горячая вода поступает непосредственно на электростанцию, в так называемый теплообменник, и её энергия преобразуется в электрическую. Это происходит посредством турбины и генератора, как и во многих других типах электростанций. Холодную воду с электростанции подают обратно в подземный резервуар, что позволяет сохранить в нем давление, под действием которого горячая вода поднимается по производственной скважине. Технологическая геотермальная вода постоянно изолирована от подземных вод трубопроводом, которым обсажена скважина.
|
|
|
Рис.2.2. Принципиальная схема геотермальной электростанции: 1 – скважина; 2 – паропреобразователь; 3 – турбина; 4 – электрогенератор; 5 – конденсатор; 6 – насос; 7 – водяной теплообменник.
а
| 
б
|  в
|
Рис.2.3. Схема работы геотермальных паровых электростанций: а – на сухом пару; б – на парогидротермах; в – с бинарным циклом.
В другом варианте (рис.2.3б) геотермальной электростанции, используются природные гидротермальные ресурсы, т.е. вода, нагретая до высокой температуры в результате естественных природных процессов. Однако из-за высокой минерализации и агрессивности она не поступает непосредственно в турбину, а нагревает более чистую воду до получения пара. Однако область использование подобных ресурсов значительно ограничена наличием особых геологических районов. В России, например, такими являются Камчатка или район Кавказских минеральных вод. В этом случае в теплообменник поступает уже нагретая вода, выкачанная из земных недр. В другом случае – вода в результате высокого геологического давления, поднимается самостоятельно, через специально пробуренные скважины.
Электростанция с бинарным циклом (рис.2.3в) основывается на двух замкнутых циклах - один для геотермальной воды, второй - для рабочей жидкости или газа с низкой температурой кипения (например, изобутан). Рабочая жидкость, нагретая геотермальной водой, превращается в пар, который поступает в теплообменник и используется для вращения турбины. Поскольку оба контура замкнуты, нет практически никаких выбросов, что делает систему экологически чистой. Рабочая жидкость испаряется при более низкой температуре, чем вода, поэтому бинарные станции работают при значительно более низких температурах, чем другие типы геотермальных станций (100-190°С). А поскольку источники геотермальной воды с температурой ниже 190°С наиболее распространены, то в будущем этот тени станций будет иметь преимущество.
Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 2000С). На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для получения энергии. Использование геотермальной энергии позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Геотермальные электростанции по сравнению с тепловыми станциями на ископаемом топливе выбрасывают очень мало серы и вовсе не выбрасывают оксидов азота. Выбросы СO2 на 1 МВт•ч выработанной энергии на современных геотермальных станциях минимальные или их нет вообще. Типичная геотермальная станция производит около 0,45 кг СО2 на 1 МВт•ч, электростанция на природном газе - 464 кг, электростанция на нефти - 720 кг, а угольная - 819 кг.
Под геотермальные установки требуются совсем небольшие участки земли, намного меньшие, чем под энергетические установки других типов, их можно устанавливать практически на любых землях, в том числе на сельскохозяйственных угодьях. К тому же бурение геотермальных скважин намного меньше воздействует на окружающую среду, чем разработка любых других источников энергии.
2. Тепловые насосы
Тепловые насосы для отопления домов являются наиболее быстро растущей возможностью использования геотермальной энергии.
Тепловые насосы или термотрансформаторы, это фреоновые или соле-водяные энергетические установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования переноса энергии тепла низкопотенциального источника к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве источника низкопотенциального тепла могут быть использованы промышленные и очищенные бытовые стоки, вода технологических циклов, тепло грунтовых, артезианских, термальных вод, воды рек, озер, морей, систем водо- и теплоснабжения, тепло, получаемое при очистке дымовых газов и любых других сбросных тепловых потоков. Тепловые насосы — это экологически чистые компактные установки.
Таблица 2.1 Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии земли посредством тепловых насосов
| Страна | Установленная мощность оборудования, МВт | Произведенная энергия, ГДж/год |
| Австрия | 228 | 1094 |
| Германия | 344 | 1149 |
| Канада | 360 | 891 |
| США | 4 800,00 | 12 000,00 |
| Швейцария | 300 | 1 962,00 |
| Швеция | 377 | 4 128,00 |
| Всего: | 6 675,40 | 23 268,90 |
Принцип действия теплового насоса основан на следующем цикличесчком процессе. По наружному трубопроводу циркуляционным насосом прокачивается рабочая жидкость, например смесь тосола и воды. После прохождения рабочей жидкости по трубопроводу она принимает температуру грунта (+7°С) и попадает в теплообменник. В теплообменнике, называемом испарителем, рабочая жидкость передает теплоту, полученную от грунта, хладагенту. Хладагент закипает, превращается в пар и попадает в компрессор. Рабочая жидкость же после прохождения теплообменника имеет температуру +2°С и вновь поступает в земляной трубопровод. Пар хладагента из испарителя сжимается компрессором до давления 20-25 атмосфер. При сжатии его температура повышается и достигает 55 °С. В дальнейшем, эта энергия может быть направлена через теплообменник на обогрев воздуха внутри помещений (фанкойл, радиатор и т.п.) или на подогрев воды в системе горячего водоснабжения. Основная доля электроэнергии расходуется на работу компрессора. Далее сжатый и разогретый хладагент попадает в конденсатор, в котором нагревает циркулирующую воду. На следующем этапе хладагент конденсируется и попадает в переохладитель, в котором его температура понижается. Затем он подается в терморегулирующий вентиль, в котором его температура понижается до температуры кипения. В составе влажного пара хладагент вновь поступает в испаритель, после чего цикл работы теплового насоса повторяется. Выпускаются насосы различной мощности, позволяющие отапливать и снабжать горячей водой как частные коттеджи площадью 100-300 м2, так и крупные общественные и административные здания.
Рисунок 2.4- Приблизительная схема принципа работы теплового насоса.
Различают следующие типы геотермальных тепловых насосов:
| Геотермальный тепловой насос с открытым циклом (open loop) | Геотермальный тепловой насос с водоемным циклом (pond loop) | |
Тепловые насосы открытого цикла ис-пользуют грунтовые воды как главный источник  энергии. Теплоноситель подается непосредственно из водоема, и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно. При идеальных условиях, исполь-зование ТН с открытым циклом может быть наиболее экономичным типом геотермальной системы.
|  Тепловые насосы с закрытым водоемным циклом крайне экономичны, так как при установке используется доступный водоем, и отсутствуют затраты на земляные работы. Спирали труб просто помещаются на дно водоема.
|
| Геотермальный тепловой насос с горизонтальным теплообменником (horizontal loop) | Геотермальный тепловой насос с вертикальным теплообменником (vertical loops) | |
 Тепловые насосы с горизонтальным тепло-обменником рассмат-риваются лишь при наличии поверхности необходимой площади. Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи, длина которых варьируется от 30 до 120 метров.
|  Замкнутый контур теплообменника ус-танавливается верти-кально в подготов-ленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка. Буровое оборудование используется для сверления отверстий малого диаметра на глубину 25-90 метров.
|
3. Преимущества тепловых насосов
В западных странах тепловые насосы применяются уже давно и пользуются большим спросом. По прогнозам мирового энергетического комитета (МИРЭК), доля отопления и водоснабжения с помощью тепловых насосов в развитых странах будет постоянно увеличиваться. Тепловой насос - это:
1. Закрытая система, не имеет открытого контакта с ИНТ, благодаря чему обеспечивается экологическая безопасность всей системы.
2. Гарантия эффективности системы отопления, способной отбирать низкотемпературное тепло (для воздуха температура от –20 до +25°С, для жидкостей — от –5 до +25°С) и использовать его для получения высокопотенциального теплоносителя (50-65°С).
3. Экономичность. В процессе переноса тепла от ИНТ к ВПТ затрачивается электроэнергия на привод компрессора. На каждый затраченный киловатт электроэнергии в зависимости от выбранного источника тепловой энергии производится от 3 до 5 киловатт тепла — и это главное достоинство данной системы отопления! Все системы в установке функционируют с использованием замкнутых контуров циркуляции жидкостей и не требуют эксплуатационных затрат при длительном использовании. Поэтому затраты на отопление сводятся лишь к стоимости электроэнергии, необходимой для функционирования оборудования.
4. Компактность, надежность и удобство в применении. Тепловой насос надежен в работе. Колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Не требует специальной вентиляции помещений, где происходит нагрев воды и теплоносителя. Абсолютно взрыво- и пожаробезопасен. Тепловой насос компактен, его модуль по размерам не превышает обычный холодильник и благодаря прекрасной звукоизоляции практически бесшумен. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют специальных навыков и описаны в инструкции.
Работой теплового насоса управляют микропроцессорные системы автоматики. Задача автоматического управления заключается в температурном регулировании системы отопления, обеспечении оптимальных режимов функционирования всей системы оборудования, управлении вспомогательным оборудованием. Надежность и долговечность действия основных устройств и их систем управления обеспечивается бесконтактными коммутационными элементами. Программные средства автоматики учитывают особенности объектов и режимов отопления. Систему можно диагностировать на расстоянии и вносить корректировки посредством Интернета. Обслуживание установок состоит в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.
5. Экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не производится эмиссия CO2, NOx и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют аллергено-опасные выбросы в помещение, поскольку в его системе нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты. Он безопасен для вашего здоровья и окружающей среды.
6. Долговечность. Система исключительно долговечна: срок эксплуатации грунтового зонда может достигать 100 - 150 лет, отопительного контура - 100 лет. Непосредственно в самой установке единственной движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет 15 лет и который можно легко заменить по истечении срока эксплуатации.
7. Дизайн. Тепловой насос не нарушает целостность интерьера, концепцию фасада здания и занимает при этом минимум пространства.
8. При использовании тепловых насосов отсутствует необходимость в закупке, транспортировке и хранении топлива. Тем самым высвобождаются значительные территории, необходимые для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом. Еще одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления на режим охлаждения: это позволяет в летнюю жару создать в помещении приятную прохладу.
Многообразие функций тепловых насосов обусловило широкую область их применения. Например в таких сферах:
в жилищно-коммунальном секторе для отопления и горячего водоснабжения;
в курортно-медицинских учреждениях для отопления, горячего водоснабжения и водных процедур;
в спортивно-оздоровительных заведениях для подогрева воды в бассейнах;
в ледовых дворцах, стадионах и манежах для отопления и производства хозяйственной воды;
на хладокомбинатах, молокозаводах, мясокомбинатах, овощехранилищах и других предприятиях, постоянно пользующихся холодильным оборудованием, для комплексного использования собственных теплоэнергоресурсов;
на промышленных предприятиях для утилизации тепла водооборотных систем (градирни и т.д.), технологических стоков с целью вторичного использования этого тепла для горячего водоснабжения, отопления и теплоснабжения;
в производстве, где необходимо охлаждение непрерывно работающего оборудования (трансформаторы, гальванические, литейные, стекольные производства и т.п.);
на ТЭЦ и ГЭС с целью комплексного использования сбрасываемой неиспользуемой тепловой энергии, а также в технологическом процессе.
ЛЕКЦИЯ 8
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 686; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!