4.9 Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки

При генерации пара в газовом потоке вода охлаждается до температуры термодинамического равновесия, которая значительно ниже температуры насыщения при том самом давлении среды. Это дает возможность существенно повысить температурный перепад воды, срабатываемом в парогенераторе, и соответственно увеличить количество генерируемого пара, и повысить эффективность турбокомпрессорных геотермальных энергоустановок. Турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки могут работать по закрытым и открытым циклами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. В установках закрытого цикла газовая составляющая парогазового потока циркулирует по закрытому контуру. В установках открытого цикла парогазовый поток непрерывно выбрасывается в атмосферу. Поэтому как газовая составляющая здесь используется только воздух.

Энергоустановки закрытого цикла. При работе установки парогазовый поток с малым содержанием пара d поступает из конденсатора 7 в компрессор 4 и сжимается в нем в политропном процессе 1÷2 благодаря подведенной от турбины 5 работе. При этом паросодержание потока d остается постоянным, но, его относительная влажность уменьшается. После компрессора сжатый газ при давлении р₂ и температуре Т₂ направляется в нижнюю часть парогенератора 3, а в его верхнюю часть во встречном направлении газовому потоку насосом 10 в диспергированном виде подается циркуляционная вода, предварительно подогретая в теплообменнике 2 геотермальным теплоносителем, который поступает из подъемной скважины 1. После теплообменника теплоноситель закачивается в нагнетательную скважину.

В отличие от одноконтурных геотермальных энергоустановок в данной турбокомпрессорной установке нет необходимости в процессе дегазации геотермального теплоносителя для уменьшения содержания неконденсирующихся газов и стабилизации рассола. Процесс передачи теплоты геотермальным теплоносителем в теплообменнике 2 может осуществляться без снижения его давления, что исключает нарушение углекислотного равновесия и выпадение солей.

При контакте поданной в парогенератор геотермальной воды и ненасыщенного парогазового потока в результате разницы парциальных давлений пара на поверхности капель и в газовой среде, капли охлаждаются до температуры мокрого термометра, расходуя свою теплоту на генерацию пара, и выходят из парогенератора в канал циркуляционной воды. При этом парогазовый поток в парогенераторе насыщается паром, в результате чего его паросодержание и энтальпия растут. Это процесс без учета гидравлических потерь проходит изобарно и изображается на і-d-диаграмме участком 2-3.

Рисунок 4.10 - Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной энергоустановки закрытого цикла

Дальше поток попадает в парогазовую турбину 5 (ее вал соединен с электрогенератором) и расширяется в политропном процессе, совершая при этом техническую работу l_т.

Благодаря тому, что парогазовый поток после парогенератора находится в насыщенном или близком к нему состоянии, процесс его расширения в турбине проходит с уменьшением паросодержания d; при этом также уменьшается энтальпия. После турбины поток поступает в конденсатор 7, где в результате конденсации пара в изобарном процессе уменьшаются его паросодержание и энтальпия. Конденсат пара поступает в контур циркулирующей воды, откуда насосом 10 нагнетается в теплообменник 2, а парогазовая смесь отсасывается компрессором 4 и подается опять для создания газовой среды в парогенераторе 3. Для обеспечения конденсатора охлаждающей водой используют градирню 8.

Удельная полезная работа на валу энергоустановки может быть определена как разница удельных работ: полученной в турбине и той, что расходуется на привод компрессора, то есть

l_уд = l_т - l_к (4.3)

где l_т - удельная работа в турбине;

1_к - удельная работа компрессора, причем

(4.4)

(4.5)

Подставив (4.116) и (4.117) в (4.115), получим

- (4.6)

Из зависимости (4.6) видно, что удельная работа тем больше при других одинаковых условиях, чем большая разница в паросодержание потока в турбине и компрессоре. Этому способствует закрытый цикл работы энергоустановки, потому что в нем абсолютное давление потока на входе в компрессор может быть ниже от атмосферного. Это обеспечивает сниженное абсолютное давление в парогенераторе, что дает возможность достичь в нем более глубокого охлаждения жидкости и соответственно получить большую паропроизводительность при неизменных параметрах и расходе геотермальной воды. Однако для осуществления работы турбокомпрессорной геотермальной энергоустановкой за закрытым циклом нужные громоздкие и металлоемкие агрегаты, как конденсатор и градирня. Это значительно усложняет и делает более дорогой установку при одновременном усложнении и удорожании ее эксплуатации, приводит к существенному снижению ее мощности из-за увеличение удельных объемов парогазовой смеси.

Энергоустановки открытого цикла. Как холодный источник в энергоустановки открытого цикла используется окружающая атмосфера, поэтому они не нуждаются ни в конденсаторе, ни градирне с обслуживающими их системами. Кроме того, турбокомпрессорные геотермальные энергоустановки открытого цикла не нуждаются в специальных регулировочных устройствах, которые поддерживают заданную массу неконденсирующегося газа. К тому же тепловая схема турбокомпрессорных геотермальных энергоустановок открытого цикла дает возможность в полной мере использовать газ, который содержится в геотермальном теплоносителе, что существенно повышает эффективность применения геотермальной энергии. Реализация турбокомпрессорной геотермальной энергоустановки открытого цикла связана с основной сложностью непосредственного использования минерализованих геотермальных вод в цикле, что усложняет удаление солеотложений.

Принципиальная тепловая схема турбокомпрессорной геотермальной энергоустановки открытого цикла и цикл ее работы в і-d-диаграмме изображена на рис. 4.11.

Рисунок 4.11 - Схема турбокомпрессорной геотермальной энергоустановки открытого цикла и цикл ее работы в і-d-диаграмме

Воздух непосредственно из атмосферы (холодного источника) забирается компрессором 4, сжимается в процессе 1-2 и поступает в парогенератор 5, куда из другой стороны из скважины 1 подается геотермальная вода.

При контакте газообразной и жидкой фаз за описанной выше схемой происходит насыщение воздуха парой благодаря охлаждению воды в процессе 2-3. Одновременно при этом пароводяная смесь разбавляется газом, который выделяется из геотермальной воды в результате снижения ее давления. Охлажденная в парогенераторе вода забираться насосом 6 и направляется в скважину, а полученная пароводяная смесь подается в турбину 3 (ее вал соединен с электрогенератором 2), где, расширяясь в процессе 3-4, совершает работу и дальше поступает в окружающую атмосферу, отдавая в процессе 4-1 теплоту холодному источнику.

Существенные отличия рассмотренных энергоустановок заключаются в возможности использования потенциальной энергии газа, что содержится в геотермальной воде и выделяется при его расширении в парогенераторе или в специально предназначенном для этой цели дегазаторе.

В энергоустановках закрытого цикла этот газ должен всегда удаляться из цикла для поддержки в нем постоянного расхода рабочего тела. Расширяясь в турбине, он осуществляет полезную работу, но потом при отсосе из конденсатора и сжатии его до атмосферного давления для удаления в окружающую среду нуждается в расходе полезной работы.

Использование же потенциальной энергии выделяющегося из геотермальной воды газа в турбокомпрессорных геотермальных энергоустановках открытого цикла не нуждается в компенсации и является «чистой» добавкой к работе, осуществляемой паром.

Турбокомпрессорная геотермальная энергоустановка открытого цикла аналогично установке закрытого цикла дает возможность значительно глубже использовать теплоту геотермальной воды. Кроме того, она намного проще и имеет меньшую металлоемкость, а применение атмосферы как холодного источника, предопределяет хорошую перспективу ей как геотермальному двигателю.