77397

Геотермальная энергия и методы ее преобразования

Реферат

Энергетика

Одна скважина в зависимости от параметров пара или воды может обеспечить электрическую мощность от 2 до 7 МВт. Основным условием существования водяных геотермальных источников является наличие непроницаемого для воды слоя горных пород который передает тепло от мантии или магмы к формациям содержащим в больших количествах воду. Температура воды или пара в гидротермальных источниках может составлять от 30 до 300350 С и зависит от их расстояния до мантии Земли а также от близости к раскаленной или расплавленной магме. Температуры...

Русский

2015-02-02

94 KB

0 чел.

6. НЕТРАДИЦИОННЫЕ и ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

06. Геотермальная энергия и методы ее преобразования

Характеристика источников геотермальной энергии [1, С. 90–95], [2, С. 503–504]

Геотермальной энергией называют тепловую энергию, запасенную в твердых породах или термальных водах внутри земной коры.

Земля состоит из нескольких слоев, различающихся температурой, плотностью и давлением (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1

Характеристики слоев Земли

Слой

Толщина, км

Температура, °C

Кора

35

до 1000

Мантия

2900

1000…3000

Ядро (расплавленное)

2150

3000…4000

Ядро (твердое железо), p = 3·105 МПа

1350

4000…4700

Выделение теплоты в недрах Земли связано с совокупностью следующих процессов.

  1.  Радиоактивный распад элементов: элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время.
  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 вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации.
  5.  Химические превращения в недрах Земли.

Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем по земному шару составляет 60·10–3 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 °C/км. В районах молодых складчатых областей плотность теплового потока может доходить до 0,3 Вт/м2 при температурном градиенте 200 °C/км и более.

Наиболее перспективными зонами с большими геотермальными ресурсами являются зоны тихоокеанского и средиземноморского вулканического пояса, где сосредоточено до 80 % всех действующих вулканов на Земле. В отмеченных районах на глубине 1…2 км исследовано более 100 геотермальных систем, в большинстве из которых температура около 450 К.

В редких случаях геотермальная теплота сама выносится на поверхность в гейзерах или горячих источниках. В большинстве случаев необходимо бурение скважин, глубина которых обычно колеблется от 300 м до 2 км и более в зависимости от местных условий. Из экономических соображений желательно, чтобы глубина скважин не превышала 2,5 км.

Бурение скважины – наиболее дорогостоящая часть освоения геотермального источника. Скважина представляет собой сложное инженерное сооружение. Ее диаметр обычно ступенчато убывает с увеличением глубины (от величины около 450 мм). Одна скважина в зависимости от параметров пара или воды может обеспечить электрическую мощность от 2 до 7 МВт. Скважины нельзя располагать близко одну от другой, так как при этом их производительность будет снижаться. На одну скважину должна приходиться площадь примерно 100 000 м2.

Классификация источников геотермальной энергии [1, С. 92–95], [2, С. 504]

Все пригодные для практического использования источники геотермальной энергии можно разделить на гидротермальные и петротермальные.

В свою очередь гидротермальные источники делятся на:

– источники сухого пара – ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;

– месторождения влажного пара – распространены в большей степени, в частности на Камчатке в России, в долине гейзеров в США и в других местах;

– горячая (термальная) вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления и в тепличном хозяйстве.

Основным условием существования водяных геотермальных источников является наличие непроницаемого для воды слоя горных пород, который передает тепло от мантии или магмы к формациям, содержащим в больших количествах воду. Находясь под давлением выше атмосферного, вода может нагреваться до температуры, превышающей 100 °С, и выходить вверх на поверхность через трещины в породе, причем, часто, в виде пароводяной смеси.

В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои находятся между двумя водонепроницаемыми прослойками. Нижняя передает тепло от мантии или магмы к воде, а верхняя не допускает ее выход на поверхность. Вода в таких местах превращается в пар, а при высоких давлениях – в перегретую воду. Извлечение пара из таких слоев возможно только при бурении скважин. Такие источники являются самоизливающимися, т.е. пар самостоятельно выходит через скважину на поверхность.

Температура воды или пара в гидротермальных источниках может составлять от 30 до 300…350 °С и зависит от их расстояния до мантии Земли, а также от близости к раскаленной или расплавленной магме. Термальные подземные источники, позволяющие получать на выходе из скважины воду или перегретый пар с температурами , необходимыми для производства электроэнергии (150 °С и выше), часто располагаются на глубине 2…6 км (иногда на глубинах несколько сотен метров).

Петротермальные источники связаны с теплотой сухих горных пород. Они располагаются в тех районах земной коры, в которых отсутствует вода. Температуры, достаточные для подогрева воды или получения пара, достигаются на глубине свыше 3 км. Поэтому если на такую глубину пробурить две скважины и закачать в одну из них воду, то из другой скважины могут быть получены пар или горячая вода. Практическое освоение таких источников еще не начато.

Классификация и направления использования геотермальных ресурсов [1, С. 95–96], [2, С. 504]

По характеру скопления термальные воды делят на трещинно-жильные и пластовые.

Трещинно-жильные термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм (пароводяной смеси) с температурой до 370 К и выше.

Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и межгорных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров.

По степени минерализации различают термальные воды:

с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки;

со средней минерализацией (10…35 г/л), требующие очистки;

с высокой минерализацией (35…200 г/л), которые могут использоваться только в двухконтурных схемах.

По тепловому потенциалу различают:

– низкопотенциальные термальные воды с температурой до 100 °С;

– термальные воды и парогидротермы с температурой 100…150 °С;

– парогидротермы с температурой 150…200 °С.

Низкопотенциальные геотермальные ресурсы могут использоваться по следующим направлениям:

  •  коммунальное хозяйство (нужды отопления и горячего водоснабжения зданий различного назначения, бани, плавательные бассейны, хладоснабжение);
  •  сельское хозяйство (снабжение водой животноводческих комплексов, тепловое орошение, отопление теплично-парниковых комбинатов);
  •  технологические нужды (сушка фруктов, чайного листа и т.д.);
  •  теплоснабжение промышленных предприятий;
  •  извлечение ценных химических элементов и соединений (йод, бром, стронций, рубидий, цезий, литий и др.).

Тепло геотермальных ресурсов с температурой 100…150 °С может применяться как в промышленности, так и для генерации электроэнергии в установках, работающих на низкокипящих рабочих жидкостях (изобутане, фреоне и т.д.). После выполнения работы, затрачиваемой на производство электрической энергии, указанные ресурсы могут быть использованы как термальные воды низкопотенциального типа в технологических или теплофикационных целях.

Парогидротермы с температурой 150…200 °С могут использоваться для выработки электроэнергии.

Геотермальные электростанции [1, С. 96–98], [2, С. 504–506]

Одним из перспективных направлений использования геотермальной энергии является строительство геотермальных электростанций (ГеоТЭС) на базе самоизливающихся источников.

Преимущества ГеоТЭС по сравнению с объектами традиционной энергетики:

– отсутствие котельного оборудования;

– отсутствие затрат на топливо;

– возможность использования энергоносителя низкого давления;

– простота управления;

– постоянная выходная мощность в течение года, а следовательно, высокий коэффициент использования ГеоТЭС (в отличие от других возобновляемых источников).

На рис. 6.1 [2, рис. 9.24] приведена схема ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором смешивающего типа. Сухой пар из скважин после отделения в сепараторе твердых включений направляется непосредственно в турбину, а оттуда – в конденсатор смешивающего типа. Конденсат охлаждается в градирне. Часть охлажденного конденсата используется для конденсации пара, вышедшего из турбины, а остальная часть закачивается обратно в пласт.

Схема ГеоТЭС на пароводяной смеси (рис. 6.2 [2, рис. 9.26]) используется в тех случаях, когда в геотермальной среде преобладает вода. Пароводяная смесь поступает в сепаратор (например, испаритель с мгновенным вскипанием), в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а жидкая фракция закачивается обратно в пласт.

В том случае, если термальные воды содержат минеральные примеси, которые, во-первых, могут вызвать быстрый износ рабочих лопаток турбины, а во-вторых, могут представлять коммерческий интерес, указанная схема может быть несколько изменена. В качестве сепаратора в таких схемах может использоваться испаритель с мгновенным вскипанием. В таком испарителе минерализованную воду нагнетают в камеры с пониженным давлением. Часть воды превращается в пар, а минеральные вещества остаются в концентрированном рассоле. Этот рассол в дальнейшем подвергают выпариванию и получают минеральные вещества в количестве, пригодном для продажи, а также пресную воду.

На рис. 6.3 [2, рис. 9.28] приведена схема ГеоТЭС с бинарным циклом. Она представляет собой двухконтурный цикл. Геотермальная среда (горячая вода) подается на поверхность посредством погружного насоса. При этом поддерживается давление выше давления насыщения этой среды, чтобы не происходило испарения и выделения растворенных в жидкости газов. Геотермальная среда, проходя через промежуточный теплообменник, передает теплоту другому рабочему телу, вызывая его нагрев, испарение и перегрев. Таким образом, в турбину для совершения механической работы, которая затем затрачивается на генерацию электроэнергии, направляется чистое и неагрессивное рабочее тело. Охлажденная геотермальная вода, содержащая все растворенные соли и газы, закачивается в соседнюю скважину, и, в дальнейшем, циркулирует в непрерывном цикле.

Преимущества двухконтурного цикла:

– более полно используется теплота рассола (минерализованной пароводяной смеси), который закачивается в пласт с меньшей температурой;

– возможно использование геотермальных сред с пониженной температурой;

– исключено попадание агрессивных компонентов геотермальной среды в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;

– исключено попадание сопутствующих вредных газов в окружающую среду.

Недостатки двухконтурного цикла:

– необходимость установки погружных насосов для поддавливания геотермальной среды и обеспечения ее однофазности в промежуточном теплообменнике (из-за большой агрессивности среды, в которой находятся погружные насосы, продолжительность их работы невелика).

Так как цикл Ренкина на водяном паре является весьма неэффективным при низких температурах пара, в качестве рабочего тела второго контура бинарного цикла могут быть успешно использованы низкокипящие вещества, например, изобутан или фреоны. Изобутан является выгодным энергоносителем при температуре геотермальной воды около 160 °С. Пары изобутана, расширяясь, приводят во вращение ротор турбины, который, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе с водяным охлаждением, откуда жидкий изобутан откачивается и подается затем в подогреватель и испаритель для повторения цикла.

Низкокипящие рабочие тела имеют при одной и той же температуре более высокую плотность паров по сравнению с водяным паром, поэтому они обеспечивают получение одинаковой мощности при меньших габаритах турбины. Таким образом, изобутановая турбина имеет намного меньшие габариты и стоимость по сравнению с паровой.

Геотермальное теплоснабжение [1, С. 99–101], [3, С. 102]

Большая часть геотермальных источников имеет температуру термальных вод, не превышающую 80 °С, поэтому они предпочтительнее для целей теплоснабжения (отопление, горячее водоснабжение), а не выработки электроэнергии.

Термальные воды, имеющие слабую минерализацию, не требуют применения сложных и дорогостоящих схем. Система теплоснабжения, теплоносителем в которой является слабоминерализованная термальная вода, включает в свой состав скважину, дегазатор, распределительный бак и трубопроводы (рис. 6.4, [1, рис. 6.7]). В такой системе вода, получаемая из скважины, направляется в дегазатор, где из нее удаляются содержащиеся в воде газы (например, сероводород), после чего поступает в распределительный бак. Из бака вода самотеком поступает потребителям.

Чаще всего термальные воды содержат большое количество минеральных солей. В таком случае в схеме теплоснабжения предусматривается теплообменник (например, змеевиковый), в котором горячая вода, получаемая из скважины, отдает тепло пресной воде, направляемой далее потребителю (рис. 6.5, [1, рис. 6.8]). Недостатком таких систем является интенсивное отложение солей жесткости на теплопередающих поверхностях теплообменника, что ухудшает процесс теплообмена, сокращает срок работы теплообменника между ремонтами и ресурс теплообменника.

В случаях, когда термальные воды не имеют достаточный потенциал для того, чтобы быть использованными в системе теплоснабжения непосредственно, становится необходимым применение в системе геотермального теплового насоса.

В системах, использующих низкопотенциальную энергию термальных вод с применением тепловых насосов, могут быть осуществлены два различных принципа сбора теплоты.

В первом случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземных вод и переносит его в испаритель теплового насоса. Охлажденный теплоноситель затем закачивается обратно через систему скважин.

В другом варианте термальная вода закачивается непосредственно в испаритель и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно отдаленную от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды.

Литература

  1.  Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
  2.  Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).
  3.  Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / под ред. В.В. Денисова. – Ростов н/Д.: Феникс, 2015. – 382 с. + CD. – (Высшее образование).

6