5. Одноконтурные геотермальные энергоустановки

Принципиальная тепловая схема установки с одноступенчатым расширением пара и цикл ее работы в Т-S координатах изображена на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 Принципиальная тепловая схема (а) и цикл работы (б) геотермальной энергоустановки паротурбины с одноступенчатым расширением теплоносителя

При работе установки геотермальный теплоноситель, как правило, в виде недогретой воды при температуре Т₁ и давлении р₁ из скважины 1 направляется в грязевик, в котором отделяются и оседают посторонние механические примеси. Пройдя дальше систему защиты от солеотложений, геотермальный теплоноситель поступает в дегазатор 2, состоящий из двух степеней.

В его первой ступени поддерживается такое давление, при котором из геотермальной воды выделяются только газы, в том числе и углекислый удаляемые из дегазатора через сбросной клапан в атмосферу. Поскольку нерастворенный углекислый газ на углекислотное равновесие не влияет, в первой ступени дегазатора выделения солей не наблюдается. После первой степени дегазатора геотермальная вода направляется в его вторую ступень, где благодаря снижению давления из воды выделяется растворенный углекислый газ и соли кальция.

Давление во второй степени дегазатора поддерживается таким, чтоб из воды выделилась большая часть солей кальция. Выделившиеся соли вместе с водой направляются в осветлитель, где благодаря специально организованному движению потока они отделяются, оседают на дно и дальше удаляются из цикла системой шламоудаления. Осветленная вода поступает в парогенератор 3, где расширяется в изоэнтальпном процессе 1÷2 до давлению р_р и температуре Т_р. Вследствие этого часть ее превращается в пар, количество которого определяется по формуле:

где G_P - общий расход геотермального теплоносителя; х_р - степень сухости пароводяной смеси в парогенераторе.

Обозначив долю испарившейся геотермальной воды через , получим

В парогенераторе происходит также разделение теплоносителя жидкую и парообразную фазы. Жидкость поступает к насосу 12 и накачивается в нагнетательную скважину, а пара направляется в турбину 4. При этом, чем выше степень сепарации в парогенераторе, тем ближе получаемый пар к сухому насыщенному пару.

В турбине пар расширяется в политропном процессе 3-4, превращая свою потенциальную энергию в техническую работу, которая в электрогенераторе 5 превращается в электроэнергию. Полученная после турбины пароводяная смесь со степенью сухости х_к поступает в конденсатор 8, где конденсируется в изотермическом процессе 4-5 водой подаваемой насосом 7 из градирни. Конденсат удаляется из конденсатора насосом 9 и подается в нагнетательную скважину или используется для других целей, а неконденсируемые газы удаляются водоструйным эжектором 11 с насосом 10.

Потери теплоты Q_Р и Q_K в установке определяются в основном параметрами пара Т_р и Р_р, который генерируется в парогенераторе. Очевидно, для уменьшения Q_р, нужное более глубокое расширение геотермального теплоносителя в парогенераторе. Однако параметры пара Т_р, Р_р в этом случае имеют низкие значения, в результате чего на турбине будет малый теплоперепад, что приведет к малому значению работы и увеличению потерь в конденсаторе. При этих условиях должно быть выбрано оптимальное значение глубины расширения геотермального теплоносителя в парогенераторе. Найдем его, исходя из условия максимальной технической работы на валу турбины.

Определение оптимального расширения в парогенераторе, то есть значений Т_р и Р_р, существенно упрощается, если установка работает по обратимому циклу Карно. В этом случае располагаемая работа записывается как:

(4.1)

где с - теплоемкость геотермального теплоносителя;

Т₁- его температура на входе в парогенератор;

Т_н- температура холодного источника (окружающей среды).

Максимальная эффективность геотермальной установки при заданных значениях температур горячего Т₁ и холодного Т_н источников достигается при L_max, что отвечает определенному значению температуры T_р, которое называется оптимальным.

Таким образом, при оптимальном значении Т_р работа цикла L=L_max, а ее производная dL/dT_p=0. Взяв производную по Т_р от правой части уравнения (4.1) и приравняв ее к нулю найдем:

(4.2)

Температура воды в парогенераторе Тр должна равняться корню квадратному из произведения температур поступающей геотермальной воды и холодного источника теплоты.

Зная начальную температуру геотермального теплоносителя Т₁, температуры сред в расширителе Т_р, и конденсаторе Т_к, можно определять общую теплоту теплоносителя, потери теплоты в парогенераторе и конденсаторе, а также выполнить термодинамический анализ процесса превращения теплоты в работу.

На рис. 4.8 изображена принципиальная тепловая схема геотермальной энергоустановки с двухступенчатым расширением теплоносителя и процесс генерации пара в T-s-координатах. Система водоподготовки, электромагнитная защита и дегазация в этой установке аналогичные установке с одноступенчатым расширением геотермального теплоносителя.

Из скважины 1 (см. рис. 4.3, а) после дегазатора 2 теплоноситель с параметрами Т₁ и р₁ поступает в первый парогенератор (первая ступень расширения 3, где расширяется в процессе 1-2 до температуре .

После первого парогенератора вода поступает во второй парогенератор (вторая ступень расширения) 13, где происходит дальнейшее расширение воды и генерация пара более низкого давления, чем в первом парогенераторе. Охлажденная во втором парогенераторе геотермальная вода забирается насосом 12 и направляется в нагнетательную скважину.

Рисунок 4.8 - Принципиальная тепловая схема геотермальной энергоустановки с двухступенчатым расширением теплоносителя (а) и процесс генерации пары в Т-S- координатах (б)