Научная статья на тему 'Преобразование низкотемпературной геотермальной энергии в электрическую'

Преобразование низкотемпературной геотермальной энергии в электрическую Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
714
68
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Преобразование низкотемпературной геотермальной энергии в электрическую»

---------------------------------- © А. Гонэт, Ю.Ф. Васючков,

Т. Слива, 2004

УДК 622.272

А. Гонэт, Ю.Ф. Васючков, Т. Слива

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

Семинар №11

Много технических, экономических и экологических факторов склоняют людей к поиску и использованию новых способов производства энергии. Одним из таких способов, который в последние годы приобретает все больше сторонников, является доступ к геотермальной энергии. В докладе представлен анализ нетрадиционных способов использования геотермальной энергии для целей теплофикации. На этом фоне описана проблема использования тепла из скважин, в которых находятся геотермальные воды, но тепло не может быть использовано для теплофикации из-за отсутствия потребителей. Это касается скважин, которые находятся вдали от населенных и промышленных районов. Предлагается использовать такую энергию путем преобразования ее в электрический ток. В случае низкотемпературной геотермальной энергии это благодаря использованию бинарных электростанций.

Возможны различные способы использования геотермальной энергии в теплофикации. Можно, кроме того, с помощью электрических генераторов преобразовать ее в электрический ток и передавать на большие расстояния. Самым простым способом отбора тепла, содержащегося в геотермальных водах, является эксплуатация одной скважины с отводом использованной воды в реки, каналы и иные поверхностные водоемы и водотоки (рис. 1).

Влияние эксплуатации энергетических запасов на окружающую среду зависит от их свойств, вида воды и способа ее использования. Отработанные геотермальные воды могут быть отведены к вблизи расположенным рекам, либо ирригационным каналам. При высокой минерализации такой способ оказывает вредное воздействие на окружающую среду либо невозможен при реализации в практике. Кроме того, должны быть выгодные условия подпитки водоносного

А І і

и/

Рис. 1. Односкважинная система эксплуатации геотермальной воды: 1 — скважина; 2 — геотермальный водоносный слой; 3 — теплообменник; 4 — сброс использованной геотермальной воды в поверхностные водотоки; 5 — насос

слоя, дабы эксплуатация не приводила к снижению давления воды в пласте.

Проблемой может быть также температура сбросовых вод. Когда она слишком высока, то это может привести к нежелательному развитию водных растений. Одним из возможных решений является использование периодических накопителей сбросовых вод.

Использование такого типа решения ограничивается только случаями низко минерализованных и незагрязненных вод и только тогда, тогда после использования ее тепла, температура воды остается низкой.

Самым выгодным решением в области добычи геотермальных вод могут быть многоскважинные геотермальные системы. Они используют систему эксплуатации и утилизации, состоящую, по крайней мере, из одной эксплутационной скважины и одной нагнетательной — дуплет скважин (рис. 2). Утилизация использованной сбросовой геотермальной воды производится путем закачки ее в пласт с помощью нагнетательной скважины. Такая система должна быть использована в случае эксплуатации минера-

лизованных геотермальных вод, а также в случае эксплуатации пластов со слабыми условиями подпитки воды. Закачка воды в пласт позволяет поддерживать пластовое давление на постоянном уровне. Подобранные соответственно к условиям месторождения расстояния между скважинами дуплета и их расположение предотвращают преждевременную фильтрацию фронта охлажденных вод к эксплуатационной скважине.

Существуют также модификации описанного выше способа эксплуатации геотермальных вод. Они являются следствием геологического строения участка, способа использования тепла, а также применяемых техники и технологии.

Для получения геотермального тепла применяются также системы, которые позволяют производить отбор тепла от пород, не содержащих воду. Это — системы получения тепла от горячих сухих пород (hot dry rock — HDR). В таких системах образуются искусственные трещины (гидроразрыв, гидрорасчленение), в которых мигрирует закаченная с поверхности вода. После отбора тепла вода эксплуатируется на поверхность, где это тепло осваивается.

Использование энергии — бинарные геотермальные электростанции

Очень часто случается, что скважины с геотермальной водой находятся вдали от объектов, являющихся потребителями тепла. Это — в основном нефтяные и газовые скважины после периода их эксплуатации или поисковые скважины. Горячие геотермальные воды в виде пара или жидкости легко используются в ситуации, когда они находятся на территории, где тепло, содержащееся в воде, можно непосредственно направить к потребителям.

Рис. 2. Двухскважинная геотермальная система: 1 — эксплуатационная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — геотермальный слой; 4 — теплообменник; 5 — насос

В случае расположения скважин, через которые возможна эксплуатация горячих геотермальных вод, на незаселенных территориях и без промышленности единственно разумной возможностью использования энергетического потенциала является трансформация тепловой энергии в энергию электрическую и транспортировка ее к потребителям по ЁЭП. Транспортировка тепловой энергии на большие расстояния экономически не выгодна, однако в виде электрической энергии возможна ее эффективная передача. Электрическая энергия, кроме того, является таким видом энергии, который можно легко преобразовать в иные ее виды.

Главным фактором, определяющим возможность производства электрического тока из геотермальной воды, является ее температура. В целях непосредственной трансформации (традиционным способом) тепловой энергии, содержащейся в воде, в электрический ток требуется высокая температура (свыше 150 °С). Для финансовой оценки проектов использования геотермальной энергии Всемирный Банк предложил классификацию геотермальных источников по такому критерию как величина их температуры (таблица).

Наилучшим примером освоения высокотемпературных геотермальных полей с целью производства электрической энергии являются области вулканической активности. Здесь следует назвать геотермальные электростанции, действующие на Камчатке в России, на Исландии, а также в Японии.

Однако значительно чаще случается, что геотермальная вода имеет низкую температуру. Такие температуры встречаются часто Классификация источников геотермальной энергии в зависимости от температуры эксплуатируемой жилкости

Вид геотермальных Температура

источников жидкости, °С

Низкотемператур ны е <100

Среднетемпературные 100-150

Высокотемпературные >150

в осадочных бассейнах. В случае, когда температура воды низкая, следует применять бинарные системы преобразования тепловой энергии в энергию электрическую. Бинарные электростанции используют для производства электрической энергии дополнительный рабочий агент. Он должен характеризоваться тем, что переходит в газовое состояние при более низких температурах по сравнению с температурой парообразования воды (например, аммиак, изобутан). Бинарные системы действуют по такому принципу, что геотермальная вода нагревает рабочий агент, вызывая его испарение. Пар рабочего агента приводит в движение турбину, соединенную с генератором электрического тока.

Одним из бинарных циклов преобразования тепловой энергии является система, которую разработал A. Kalin в 1980 году. Система опирается на применение в качестве рабочего агента смеси воды с аммиаком. Такая жидкость характеризуется изменением температуры при фазовых превращениях (испарение и конденсация). На практике это означает возможность получения более продуктивного и эффективного обмена тепла в теплообменнике во время добычи геотермальной воды. В такой системе важнейшей проблемой является оптимальная пропорция воды и аммиака в смеси.

Процесс производства электрического тока в такой системе представлен схематически на рис. 3. Геотермальная вода направляется в теплообменник, в котором передает тепло рабочему агенту. В результате этого наступает кипение агента, который вытекает в сепаратор. Там происходит отделение жидкости от пара рабочего агента. Поток расширяющегося пара приводит в движение турбину, которая с помощью генератора тока вырабатывает электрическую энергию. На следующем этапе наступает соединение жидкости из сепаратора с паром, вытекающим из турбины. В результате охлаждения рабочий агент переходит в жидкое состояние. Затем жидкость после сжатия вытекает в теплообменник, в котором начинается следующий цикл.

С недавних пор, лишь несколько лет тому назад появились первые коммерческие применения этой системы (г. Husavik в Исландии). Кроме того, действуют два демонстрационно-исследовательских проекта (США и Япония). Также на основе метода Kalina планируются проекты электростанций,

Рис. 3. Упрошенная схема бинарной геотермальной электростанции: 1 — эксплуатационная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — теплообменник; геотермальный слой; 4 — насос; 5 — турбина; 6 — электрогенератор; 7 — циркуляционный насос рабочего агента; 8 — цикл охлаждения рабочего агента

проекты электростанций, а также предприятия утилизации отходов в США и в Германии. Бинарные электростанции действуют в мире также и в других местах. Отличие применяемых в них технологий заключается главным образом в том, что рабочим агентом в них служат иные жидкости (например, изобутан, углекислый газ). Можно отметить здесь действующие бинарные установки в Австрии, а также в Ога<1е1 в Румынии.

Выводы

1. Геотермальная энергия может быть использована в нагревательных (отопительных) целях и для производства электрического тока. Применение ее для обогрева возможно только там, где она используется непосредственно на месте расположения скважин, либо в близком окружении. Связано это с инвестиционными расходами транспортировки и потерями в передаче тепла.

2. Возможности применения и использования геотермального тепла определяются величиной температуры, а размеры установки зависят от мощности и гидравлических свойств пласта.

3. Непосредственное производство электрической энергии возможно в случае наличия запасов высокотемпературных вод. Для производства электрической энергии из геотермальных вод низкой температуры необходимо применение бинарных электростанций.

4. Строительство бинарных электростанций позволяет осваивать энергию, содержащуюся в геотермальных водах с низкой температурой. Такое решение должно рассматриваться, в основном, для незаселенных территорий, где нет возможности использования тепла для отопительных целей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гонэт А., Васючков Ю. Ф., Слива Т. Использование геотермальной энергии на шахтах. Горный информационно-аналитический бюллетень, МГТУ, 2003, №1, стр. 47-50.

2. Oleg Povarov, Valery Saakyan, Alexandre

Nikolski, Victor Luzin, Grigory Tomarov, Maxim

Sapozhnikov, Experience of creation and operation of geothermal power plants at Mutnovsky geothermal field, Kamchatka, Russia, Proceedings of the International Geothermal Conference on «Multiple Integrated Uses of Geothermal Resources», Reykjavik, 2003.

3. Pall Valdimarsson, Larus Eliasson. Factors influencing on the economics of the Kalina power cycle and situation of superior performance. Proceedings of

the International Geothermal Conference on «Multiple Integrated Uses of Geothermal Resources», Reykjavik, 2003.

4. Svalova V., Geothermal energy use in Russia. Proceedings of the International Geothermal Conference on «Multiple Integrated Uses of Geothermal Resources», Reykjavik, 2003.

5. Sliwa T. Wybrane systemy geotermalne w skalach suchych, Konferencja Naukowa «Aktualny stan i perspektywy rozwoju gomictwa w aspekcie ochrony sro-dowiska». 13-14 Maja 1996 r., Dniepropietrowsk, 1996.

Коротко об авторах

Гонэт А. — профессор, доктор технических наук, Краковская горно-металлургическая академия, Польша.

Васючков Ю.Ф. — профессор, доктор технических наук, Московский государственный горный университет.

Слива Т. — Краковская горно-металлургическая академия, Польша.

--------------------------- © Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков

2004

УДК 622.272

Ю.Ф. Васючков, М.Ю. Васючков РАЗРАБОТКА СКВАЖИННОГО УГЛЕЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Семинар №11

Скважинный углегазоэлектрический комплекс (СУГЭК) состоит из блока скважин - как продуктивных, так и воздухоподающих. Обычно блок включает 10-30 скважин. Запасы угля в блоке должны обеспечить работу его работу в течении 2-4 лет. Исходя из этого и из производительной мощности блока принимается суммарная мощность одновременно отрабатываемых угольных пластов. Важным параметром,

влияющим на размещении скважин на шахтном поле, является расстояние между продуктивными и воздухоподающими скважинами /скв которое в свою очередь определяется длиной зоны горения в канале подземного газогенератора - части угольного пласта, подготовленной для сжигания через соседние скважины. В блоке может быть несколько газогенераторов - по числу одновременно отрабатываемых пластов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.