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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69627. Теорія прийняття рішень в задачах управління та контролю 32 KB
  Торгівельна фірма що продає взуття оптовим покупцям на вітчизняному ринку повинна вирішити яку кількість пар потрібно виготовити щоб задовольнити попит покупців і отримати максимальний прибуток. Закупівельна ціна однієї пари взуття становить 95 якщо партія менша 1000 штук та 90 якщо...
69628. Формування матриці альтернатив, використання класичних критеріїв вибору 48.91 KB
  Мета: набути навиків у проведенні аналізів варіантів рішень та формуванні матриці альтернатив. Завдання Сформувати матрицю рішень відповідно до поставленої задачі. Задача №1 Завод випускає тонізуючий напій у 40-літрових бочках. Витрати на виробництво одного літра напою складають...
69629. МАІ – метод аналізу ієрархій. Метод Сааті 111 KB
  Побудувати дерево ієрархії відповідно до своєї теми, на якому вказати мету, критерії та альтернативи. Визначити експертів, які будуть оцінювати альтернативи за даними критеріями за 9 – ти бальною шкалою. Визначити пріоритети критеріїв, в які входять : компоненти власного вектору...
69630. Інформаційні управляючі системи і технології 485.5 KB
  Мета методичних вказівок – допомогти студентам заочної форми навчання вирішувати задачі прийняття рішень з використанням математико-статистичних моделей та нових інформаційних технологій. Основна форма занять студентів заочної форми навчання – самостійне опрацювання навчального матеріалу...
69631. Теорія прийняття рішень в задачах управління і контролю: Методичні вказівки 633.5 KB
  Вирішення Наносимо фактичні значення на графік який представлено на рисунку 1. Формуємо таблицю 2 за результатами розрахунків суми кожної партії за 4 квартали ковзні середні за 4 квартали і центровані ковзні середні значення стовпці...
69632. МАІ – метод аналізу ієрархій. Метод Сааті 202.5 KB
  Розрядність системи. Система може бути 32–ох та 64–ох розрядною. Звичайно, якщо розрядність більша, тим більше окремих функцій комп’ютера буде доступно для користувача. Тактова частота. Основна одиниця виміру частоти тактів у синхронних колах, що визначає кількість елементарних...
69633. Розроблення, аналіз та визначення адекватності прогнозованих адитивних моделей при прийнятті рішень 204 KB
  Проаналізувати вихідні дані та згладити їх методом ковзного середнього. Побудувати прогнозну модель з адитивною компонентою з урахуванням показників сезонності. Визначити адекватність моделі тренда. Зробити прогноз на найближчі 2 квартали.
69634. Обчислення пропускної здатності каналу зв’язку 126 KB
  Якщо вважати що канал зв’язку це сукупність засобів призначених для передачі інформації від джерела повідомлень до адресата то під пропускною здатністю каналу зв’язку можна вважати його максимальну швидкість передачі інформації.
69635. Особливості застосування ентропії 283 KB
  Поняття ентропії Ентропія в теорії інформації міра хаотичності інформації невизначеність появи будь якого символу первинного алфавіту. Якщо ж врахувати що деякі поєднання символів зустрічаються дуже рідко то невизначеність ще більше зменшується у цьому випадку говорять...