Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепловым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.
Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический расплав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холодные горизонты.
Уже при температурах 425ч375°С пар может конденсироваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов — так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного) типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом смысле слова являются первичными, новообразованными. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых платформ.
Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды инфильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее движение инфильтрационных вод — от поверхности вглубь. Источник вод этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхностные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы, нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.
В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических условиях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с температурой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800ч1000 м.
Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода оставалась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быстро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гидротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам. Однако, если пробурить скважину на глубину 3ч4 тыс. м и обеспечить быстрый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до 100 °С.
Физические основы ограничения притока вод
... его в скважины. Это приводит к перераспределению энергии закачиваемой воды в пласте и извлечению нефти из невыработанных ... пласта. В нефтепромысловой практике методы ограничения притока вод в добывающих скважинах применяются с самого начала эксплуатации ... особенностей геологического строения залежей, неоднородности коллекторских свойств пород пласта, физико-химических свойств насыщающих жидкостей ...
Все это касается областей со средними геотермическими показателями и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.
Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком считать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает, что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые фумаролы.
Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л).
Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные — азот, метан, водород.
В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды — при добыче электроэнергии, пресные термальные воды — в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды — в бальнеологических целях, рассолы — как промышленное сырье.
2. Запасы и распространение термальных вод
К областям распространения месторождений термальных вод относятся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, платформенные погружения и предгорные краевые прогибы (рис. 4.1).
По своему происхождению месторождения термальных вод можно подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энергии.
Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного происхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день все геотермальные электростанции работают в районах современного вулканизма.
К месторождениям конвекционного типа относятся также гидротермальные проявления так называемых рифтовых зон, характеризующихся активным тектоническим режимом и умеренно повышенными геотермическими градиентами — 45ч70 °С/км. (Рифтовые зоны и связанные с ними термоаномалии, как правило, простираются на огромные расстояния. Например, Северо-Мексиканский бассейн термальных вод протянулся на 1,5 тыс. км, от северо-восточной части Мексики до Флориды. Одна из скважин здесь с глубины 5859 м дает пароводяную смесь с температурой 273 °С, причем этот флюид выходит при высоком давлении.)
Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобладающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубоких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим градиентом — 30ч33 °С/км.
Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни подземных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в несколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бассейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, содержат воду с температурой 100ч150° С на глубине 3ч4 км.
Геотермальные ресурсы Земли
... перегретых термальных водах с температурой свыше 100 °C. Тепло подземных источников воды - это экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Технология добычи и преобразования геотермальной энергии в ... теплонасосных установок, в Польше установлено 600 таких агрегатов. Теоретически, геотермальных ресурсов Земли достаточно для удовлетворения человеческих потребностей в электроэнергии, однако ...
1 — Калифорния; 2 — Серро Прието; 3 — Мексика, Идальго; 4 — Сан-Сальвадор; 5 — Чили, Атакама; 6 — Исландия; 7 -Араак-Лак; 8 — Лардерелло, Монте-Амиата; 9 — Венгерский бассейн;10 — Айдин-Денизли; 11 — Кавказ; 12 — Суматра; 13 — Ява; 14 — Новая Гвинея; 15 — Новая Британия; 16 — Фиджи, Новые Гебриды; 17 — Вайракей, Вайотапу; 18 — Филиппины; 19 — Япония; 20 — Камчатка.
Рисунок 1. Области производства геотермальной энергии в системе третичных орогенических поясов (заштриховано)
Можно сказать, что любой отмеченный на карте предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горообразования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассейны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов демонстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (питьевых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлечения ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (лечебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в пределах альпийских предгорных и межгорных прогибов.
Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента (Балтийский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения (Урал, Кавказ, Карпаты и т. д.) совершенно не имеют запасов термальных вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35ч40 °С на платформах и до 100ч120 °С в глубоких предгорных впадинах.
К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, несомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагретость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их залегания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разломам в земной коре.
3. Использование геотермальной энергии для выработки электрической энергии
Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара — самая простая и доступная геотермальная энергоустановка представляющая собой паротурбинную установку с противодавлением.
Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторичный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные затраты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рис. 2).
1 — скважина; 2 — турбина; 3 -генератор; 4 — выход в атмосферу или на химический завод.
Рисунок 2. Схема геотермальной электростанции с непосредственным использованием природного пара
Вода, которую мы пьем
... приобретают эффективные положительные заряды. Не поделенные электронные пары, Схема строения молекулы воды находящиеся на гибридных sp 3 - орбиталях, ... в контакте с водой принимают коллоидную форму, поэтому вода, которая сама по себе не имеет никакой питательной ... Кавендиша о том, что при сгорании горючего воздуха (водорода) образуется вода, подтвердилась: полученная жидкость, исследованная по всем ...
Турбогенераторные установки с противодавлением не препятствуют промышленному использованию химических веществ, содержащихся в природном теплоносителе. Эта схема может стать самой выгодной для тех районов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой установки даже при переменном дебите скважин.
Несколько таких станций работает в Италии. Одна из них — мощностью 4 тыс. кВт при у дельном расходе пара около 20 кг/сек, или 80 т пара в час; другая — мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7-8 скважин.
Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара — это наиболее современная схема для получения электрической энергии.
Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденсатора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор (рис. 4.4).
1 — скважина; 2 — турбина; 3 — генератор; 4 — насос; 5 — конденсатор; 6 — градирня; 7 — компрессор; 8 — сброс.
Рисунок 3. Схема геотермальной электростанции с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара
По такой схеме работает геотермальная электростанция Лардерелло-3, использующая природный пар, самая крупная в Италии. Она была спроектирована в начале второй мировой войны, но вступила в строй только в послевоенные годы. На электростанции установлено четыре турбогенератора мощностью по 26 тыс. кВт и два турбогенератора по 9 тыс. кВт. Последние предназначены для покрытия собственных нагрузок.
Ни один из установленных здесь турбогенераторов в течение многих лет не переводился в резерв. Коэффициент использования установленной мощности составляет 98%. Стабильная работа геотермальной электростанции Лардерелло-3 открыла путь к конструированию новых электростанций с использованием конденсационных турбин. По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие геотермальные электростанции: Лардерелло-2 (Италия), Вайракей (Новая Зеландия) и др.
Благодаря техническим усовершенствованиям потребление пара на каждый киловатт мощности стало значительно меньше. Сейчас расход пара на новой электростанции Лаго (Италия) составляет уже 8 кг/квт-ч.
Геотермальные электростанции с бинарным циклом. Конденсационная турбина с паропреобразователем работает на вторичном паре. Эти станции наиболее выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Схема электростанции следующая: природный пар из скважины поступает в паропреобразователь и свое тепло отдает вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Отработанный пар идет в конденсатор (рис 4.5).
1- скважина; 2 — паропреобразователь; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — вакуумный насос; 7 — градирня; 8 — насос; 9 — дегазатор; 10 — сброс.
Солнечные электростанции
... для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах); г) термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор); - д) солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата ...
Рисунок 4. Схема геотермальной электростанции с паропреобразователем
Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в паре, отделяются в паропреобразователе и выбрасываются либо в атмосферу, либо идут на химические заводы. Недостатком этой схемы является снижение параметров пара перед турбиной. По сравнению с электростанциями, непосредственно использующими природный пар, удельный расход пара здесь меньше на 30%. Геотермальная электростанция, работающая по схеме рис. 4.5 позволяет полностью использовать все химические вещества, содержащиеся в природном паре.
Опыт подтверждает, что стоимость строительства геотермальной электростанции с паропреобразователем немного больше стоимости электростанции с прямым использованием пара в конденсационной турбине. По схеме с паропреобразователем были построены электростанции Лардерелло-2 и Кастельнуово (Италия).
На станции Лардерелло-2 установлено 7 турбин мощностью по 11 тыс. квт. Удельный расход пара на этой электростанции — 14 кг/квт.
Геотермальные электростанции с конденсационной турбиной, работающие на отсепарированном паре, строятся там, где из скважины получают пар с большим содержанием воды. Пар или пароводяная смесь из скважины направляется в специальное устройство, расположенное на скважине. Под давлением в сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Отсепарированный пар по трубопроводу направляется в турбину и т. д. Конденсационные турбины, работающие на отсепарированном паре, нашли применение в строительстве геотермальных электростанций в России (Паужетское месторождение на Камчатке), Исландии (месторождение Хверагерди) и в других странах.
4. Использование геотермальной энергии для теплоснабжения
Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50ч60° С. Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным, оно зависит от климатических условий района, температуры наружного воздуха, времени года и суток.
Теплоснабжение высокотемпературной сильно минерализованной термальной водой. Термальная вода имеет температуру выше 80° С, но сильно минерализована. В этих условиях возникает необходимость в устройстве промежуточных теплообменников. Принципиальное решение такой схемы показано на рисунке 5.
Здесь термальная вода из скважин разделяется на две параллельные ветви: одна направляется в теплообменник отопления и затем в теплообменник 1-й ступени подогрева воды для горячего водоснабжения; вторая — в теплообменник 2-й ступени.
Чтобы избежать зарастания трубопровода, термальную воду используют с промежуточным теплообменником. Высокоминерализованную воду из скважины подают в резервуар со змеевиками, по которым поступает пресная речная вода. Нагретая пресная вода идет к потребителю, а выпадающие из термальных вод соли осаждаются в резервуаре и на наружных поверхностях змеевика. Недостатком схемы с теплообменником является сокращение срабатываемого потенциала термальной воды (на конечную разность температур в теплообменнике).
Монтаж систем внутреннего холодного и горячего водоснабжения, ...
... системы с электрическими водонагревателями. В централизованных системах горячего водоснабжения воду приготавливают для ряда потребителей в одном ... дополнительные расходы на утепление трубопроводов. Схема сети внутреннего водопровода выбирается с учетом размещения водоразборных ... бетона и железобетона и индустриальных методов монтажа прокладку отводных канализационных трубопроводов осуществляют не ...
1 — скважина; 2 — теплообменник системы отопления; 3 — теплообменник горячего водоснабжения 1-й ступени; 4 — то же, 2-й ступени; 5 — система отопления.
Рисунок 5. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с теплообменниками
Вышеописанная схема весьма применима для Кабардино-Балкарии. Термальная вода на курорте «Нальчик» использовалась только в бальнеологических целях. Глубокие скважины вскрыли высокотермальную воду, и появилась возможность отапливать ею жилые и производственные здания, теплично-парниковые хозяйства. Для этого вода с температурой 78° С из скважин поступает в теплообменник типа «труба в трубе», который отдает часть тепла пресной воде. Затем пресная вода направляется по трубам в жилые и производственные здания для горячего водоснабжения, технологических нужд, в теплицы, где выращивают в год два урожая овощей. Охлажденная в теплообменнике до температуры 37ч38° С термальная вода подается в ванны и души бальнеолечебницы.
Теплоснабжение низкотемпературной маломинерализо-ванной термальной водой. Термальная вода маломинерализована, но с низким тепловым потенциалом (температура ниже 80 °С).
Здесь требуется повышение потенциала термальной воды. Осуществить это можно разными методами, приведем основные из них:
- подача термальной воды параллельно на отопление и горячее водоснабжение и пиковый догрев отопительной воды;
- бессливная система геотермального теплоснабжения;
- применение тепловых насосов;
- совмещенное применение тепловых насосов и пикового догрева.
По схеме (а) термальная вода из скважин поступает в систему горячего водоснабжения и параллельно в пиковую котельную. Здесь она догревается до температуры, соответствующей метеорологическим условиям, и подается в системы отопления (рис. 6).
Данная схема особенно целесообразна для районов с дорогим бурением, так как пиковая котельная позволяет сократить число скважин.
1 — скважина; 2 — пиковый догреватель; 3 — система отопления; 4 — бак-аккумулятор.
Рисунок 6. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с параллельной подачей геотермальной воды на отопление и горячее водоснабжение и пиковым догревом воды на отопление
Схема (б) представляет более сложный вариант предыдущей схемы. Здесь термальная вода, поступающая из скважин, нагревается до температуры 160ч200 °С, что обусловливается климатическими условиями и позволяет достичь равенства воды в тепловых сетях и системах горячего водоснабжения. На рис. 7 приведена принципиальная схема такой установки.
Из скважины 0 термальная вода поступает в котельную 8, затем, пройдя через дегазатор 7 и химводоочистку 2, подается в нагреватель 5. Перегретая вода направляется в жилые дома. Абонентский ввод каждого дома оборудован смесителем 4, в котором сетевая вода смешивается с отработанной водой из системы отопления. Смесь требуемой температуры последовательно проходит систему отопления 5, а затем полностью расходуется в системе горячего водоснабжения 6.
Эксплуатация тепловых сетей
... районов. Эксплуатационный район является основным производственным подразделением предприятия тепловых сетей. Он осуществляет всю эксплуатацию сетей, выполняет профилактические и текущие ремонты, производит распределение и ... и др. За внутренней коррозией водяных тепловых сетей необходимо ввести систематический контроль путем анализов сетевой воды, а также установки индикаторов коррозии в ...
Предусмотрена возможность сброса отработанной воды из системы отопления в канализацию, а также установка бака-аккумулятора 7 для одного или группы зданий.
С повышением температуры наружного воздуха расход воды на вводе остается постоянным, часть воды поступает в систему горячего водоснабжения, минуя систему отопления по специальной перемычке. При этом с помощью терморегулятора поддерживается одинаковая температура воды в системе горячего водоснабжения в течение всего отопительного сезона.
0 — скважина; 1 — дегазатор; 2 — химводоочистка;3 — водоподогреватель; 4 — смеситель; 5 — система отопления; 6 — система горячего водоснабжения; 7 — бак-аккумулятор; 8 — котельная.
Рисунок 7. Принципиальная схема бессливной системы геотермального теплоснабжения
В летний период термальная вода подается на горячее водоснабжение, минуя подогреватель, по обводному трубопроводу в котельной.
Осуществление такой схемы позволяет полнее использовать тепло термальной воды, сократив до минимума число скважин, уменьшить диаметр тепловых сетей и их протяженность, снизить металлоемкость систем отопления. Однако в такой системе пиковая котельная превращается по существу в базисный генератор тепла для отопления, который работает весь отопительный сезон. Отсюда большая установленная мощность котельной и большой расход топлива. Существует мнение, что температура догрева не должна превышать 100 °С из-за опасности возникновения коррозии и накипи. В таком случае распределительные сети рекомендуется выполнять двухтрубными. Это дополнительный фактор, снижающий эффективность системы.
Все сказанное заставляет критически относиться к данной схеме и выбор ее обосновывать тщательным экономическим расчетом в каждом конкретном случае.
Схема (в) предусматривает утилизацию тепла низкотемпературных термальных источников при помощи теплового насоса. На рис. 4.17 показана типовая схема теплоснабжения с компрессионным тепловым насосом.
Горячая вода из скважин 1 подается к испарителю теплового насоса 2, где происходит передача ее тепла быстро испаряющемуся рабочему веществу.
1 — скважина; 2 — испаритель; 3 — компрессор;
4 — конденсатор; 5 — регулирующий вентиль.
Рисунок 8. Принципиальная схема геотермального теплоснабжения с применением теплового насоса
Образующиеся пары сжимаются компрессором 3 и направляются в конденсатор 4, где конденсируются при более высоком давлении, отдавая тепло воде, циркулирующей в системе отопления. Охлажденная вода сбрасывается в канализацию. Эффективность схемы повышается при работе теплового насоса летом в режиме холодильной машины. В целях более полного срабатывания тепла термальной воды была предложена более сложная модификация этой схемы с тепловыми насосами.
Схема (г) — комплексная система теплоснабжения с трансформацией тепла сбросной воды в сочетании с пиковым ее подогревом и качественным регулированием (рис. 8).
Вода из источника 1, пройдя очистку 2, перекачивается насосной станцией 3 в количестве Q a по однотрубному теплопроводу 4 и поступает к потребителям с температурой ta . Один поток воды Q1 догревается в пиковой котельной 5 до температуры tп и поступает в смеситель 7, где к нему подмешивается отработанная вода, предварительно подогретая в конденсаторах теплового насоса 8 до температуры tg .
Технологические схемы тэц
... горячей воды.[1] Рис. 1. Принципиальная технологическая схема ТЭЦ Рассмотрим принципиальную технологическую схему ТЭЦ (рис.1), характеризующую состав ее частей, общую последовательность технологических процессов. В состав ТЭЦ входят ... -охладительную установку. Чем выше начальная температура воды, тем меньше расход электроэнергии на привод сетевых насосов, а также диаметр теплопроводов. В настоящее ...
Отработанная вода с температурой t 0 после системы отопления б разветвляется на три потока. Одна часть Q3 поступает в конденсаторы теплового насоса 8 и смеситель 7.
1 — скважина; 2 — водоочистка; 3 — насосная станция; 4 — транзитный теплопровод; 5 — пиковый догреватель; 6 — система отопления; 7 и 12 — смесители; 8 — конденсаторы; 9 — испарители; 10 — система горячего водоснабжения; 11 — бак-аккумулятор.
Рисунок 9. Схема комплексного геотермального теплоснабжения с применением пикового догрева и тепловых насосов
Вторая часть ее направляется в испарители теплового насоса 9, где она охлаждается до температуры t x и сбрасывается. Третья часть направляется в смеситель 12, из которого вода с температурой tr в количестве Qr поступает в бак-аккумулятор 11 и систему горячего водоснабжения 10.
Второй поток воды источника Q 2 через вентиль B1 поступает в смеситель 12 и сеть горячего водоснабжения. Если температура геотермальной воды ниже температуры tr , то вода догревается до tr в котельной 5 и через вентиль B2 поступает в систему горячего водоснабжения в количестве Qr .
С целью повышения отопительного коэффициента и обеспечения более гибкого регулирования теплонасосные агрегаты включаются в систему теплоснабжения по последовательно-противоточной схеме так, чтобы нагрев воды в конденсаторе 8 и охлаждение сбрасываемой воды в испарителях 9 осуществлялось в несколько ступеней.
С изменением температуры наружного воздуха качественное регулирование осуществляется пиковой котельной, тогда как теплопроизводительность теплового насоса и потребление воды из скважин остаются неизменными. После отключения пиковой котельной качественное регулирование осуществляется тепловым насосом. В этой системе доля использования тепла геотермальной воды тем больше, чем ниже расчетная температура в системах отопления. Поэтому здесь целесообразно применение конвекторной или панельной систем отопления, где расчетная температура 40ч45° С.
Сравнение этой системы с бессливной показывает, что удельный расход геотермальной воды в схеме с термотрансформаторами почти в два раза превышает таковой в бессливной системе, между тем коэффициент эффективности оказывается больше. Суммарная доля топливоиспользующих установок в годовом тепловом балансе минимальна. Это обстоятельство создает предпосылки для применения данной схемы в районах, где затраты на перевозку топлива могут превысить затраты на бурение большого числа скважин.
5 . Тепловые насосы
Эффективная утилизация низкопотенциальной теплоты окружающей среды, промышленных и бытовых стоков с решением проблем энергоснабжения и энергосбережения обеспечивается с использованием тепловых насосов.
Их вовлечение в тепловой баланс позволяет уменьшить затраты первичной энергии и способствует оздоровлению окружающей среды, практически исключая вредные выбросы.
Анализ методов расчёта надёжности тепловых сетей при перспективном ...
... действующих нормативных документов оценки надежности тепловых сетей, апробацией и внедрением результатов работы при решении задач перспективного развития систем теплоснабжения различных структур при разработке схем теплоснабжения г. Вологды, а также схождением ...
Варианты возможного использования тепловых насосов в энергетике видны из рисунке 8 и 9.
Д — дегазатор; Р — ресорбер; К — компрессор; ДР — дроссель; Н — насос; ТО — теплообменник
Рисунке 8 — Принципиальная схема утилизации теплоты уходящих газов котлов с применением контактного теплообменника ресорбционно-компрессионного теплового насоса
К — компрессор; Т — газовая турбина; КС — камера сгорания
Рисунке 10 — Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса (ПНТ) с газотурбинной установкой
Тепловые насосы во многих странах используются как средство теплоснабжения. Они в 3-4 раза эффективнее электрокотлов. Их общая тепловая мощность превышает на 2000 г. 30 тыс. МВт. В США эксплуатируется около 7 млн. тепловых насосов, из которых больше 50 % используется для отопления коттеджей. В Германии работает около 300 000 тепловых насосов. В Швеции, где действует более 150 тысяч тепловых насосов, более широко применяются крупные тепловые насосы мощностью 20…90 МВт. Новой областью применения тепловых насосов является создание высокотемпературных теплонасосных установок открытого цикла для получения пара промышленных параметров. Применение тепловых насосов открытого цикла на водяном паре перспективно на маневренных ТЭЦ, в системах пароснабжения от крупных загородных ТЭЦ, на ТЭЦ при выпаривании солевых растворов. Перспективны также тепловые насосы при охлаждении оборотной сетевой воды в системах дальнего транспорта тепла и утилизации теплоты дымовых газов. В России разработкой и внедрением тепловых насосов занимается СО РАН (институт теплофизики), ОАО «Иркутскэнерго». Изготавливаются тепловые насосы в Новосибирске, Москве, Нижнем Новгороде.
Тепловые насосы могут быть использованы в комбинированных системах теплоснабжения в технологии с «удаленным источником теплоты» установках. В качестве таких внутриквартальных теплонасосных установок могут применяться компрессионные (КВТН) и абсорбционные (АВТН) тепловые насосы. В целом, системная экономия топлива в схемах ТЭЦ-КВТН может достигать 6 % по сравнению с раздельной выработкой энергии [18, 19, 20].
На рисунке 11 показана схема компрессионного внутриквартального компрессионного насоса (КВТН).
Сетевая вода от ТЭЦ (в виде низкопотенциального тепла) поступает в испаритель 1, где испаряется рабочее тело (например, фреон).
Его пары поступают в компрессор 7, где при сжатии нагреваются до 80…90 С и направляются в конденсатор 4, в который подается вода внутриквартального контура 6. Часть тепла используется в теплообменнике 3 для подогрева воды в системе горячего водоснабжения. Жидкое рабочее тело проходит через дроссель 2 и направляется снова в испаритель.
1 — испаритель; 2 — дроссель; 3 — теплообменник; 4 — конденсатор; 5, 6 — линии внутриквартальной сетевой воды (5 — прямой, 6 — обратной); 7 — компрессор; 8 — подвод сетевой воды от ТЭЦ
Рисунок 11 — Схема КВТН
Из абсорбционных внутриквартальных тепловых насосов (АВТН) в схеме энергоснабжения (АВТН) могут использоваться бромисто-литиевые насосы. На рисунке 12 показана схема бромисто-литиевого теплового насоса. В испарителе 1 насоса при пониженном давлении (соответствующей температуре сетевой воды 2 от ТЭЦ, которая является низкопотенциальным энергоносителем) испаряется вода. Ее пары поступают в абсорбер 3, где поглощаются раствором бромистого лития. Происходит разогрев раствора за счет теплоты этой реакции. Это тепло передается сетевой воде внутриквартального контура 6. Слабый раствор (водный раствор бромистого лития) подводится в генератор 4, обогреваемый дымовыми газами из камеры сгорания 8. В генераторе вода из раствора выпаривается. Пары поступают в конденсатор 5, где конденсируясь, отдают тепло сетевой воде внутриквартального контура. Конденсат из конденсатора поступает в испаритель. Образовавшийся в генераторе крепкий раствор бромистого лития направляется в абсорбер и цикл повторяется.
1 — испаритель; 2 — подвод сетевой воды от ТЭЦ; 3 — абсорбер; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — сетевая вода внутриквартального контура; 7 — пар; 8 — камера сгорания; 9 — бромисто-литиевый контур; Г — природный газ
Рисунок 12 — Схема ВТН
На рисунке 13 показана тепловая схема ТЭЦ с теплонасосными внутриквартальными теплофикационными схемами. Основные преимущества перед системами энергоснабжения потребителей от традиционных ТЭЦ следующие:
— Энергосберегающая технология. По этой технологии ВТН вытесняет пиковые водогрейные котлы (ПВК) на ТЭЦ, участвуя в покрытии полупиковой и пиковой частях нагрузки теплового графика, так как КПД ВТН выше КПД ПВК в системе экономии топлива на этих режимах энергоснабжения.
— Применение ВТН-технологии обусловливает переход ТЭЦ с нормативного температурного графика к графику с пониженными температурами прямой и обратной сетевой воды при теплофикационной нагрузке, составляющей 0,65…0,75 от нагрузки по традиционному тепловому графику. Это также вызывает экономию топлива в системе и экономию электроэнергии на сетевые насосы (коэффициент собственных нужд ТЭЦ снижается на 0,5 %).
За счет перехода на пониженный температурный график почти в 2 раза уменьшаются теплопотери в магистральных теплопроводах и возрастает КПД транспорта теплоты. Это также приводит к экономии топлива.
— Снижение температуры прямой сетевой воды до 50…70 обусловливает уменьшение давления в теплофикационном отборе и, как следствие, увеличение выработки электроэнергии комбинированным способом, что вызывает экономию топлива и служит аварийным резервом в энергосистеме.
— Применение ВТН является затратосберегающей технологией. Переход на более низкие температуры сетевой воды в магистральных теплопроводах позволяет использовать для них более дешевые трубы из синтетических материалов, не подверженных коррозии и с долговечностью до 50 лет. При этом принципиально исключаются аварийные режимы со вскипанием сетевой воды. Отпадает необходимость в домовых тепловых пунктах, поскольку сетевая вода может поступать непосредственно в отопительные радиаторы.
N, Q — потребители электро- и теплоэнергии соответственно; у, г — пылеугольное и газовое топливо соответственно; 1 — генератор внутриквартального пикорегулирующего абсорбционного бромисто-литиевого теплового насоса (ВТН); 2, 3, 4 — испаритель, абсорбер, теплообменник ВТН; 5 — бромистолитиевый контур; 6 — теплофикационный контур; 7 — линия добавочной воды; 8,9 — линии прямой и обратной сетевой воды от ТЭЦ; 10, 11 — тепловые сети подключений ВТН к сетевой воде; 12 — жалюзийная решетка; 13 — конденсатор ВТН
Рисунок 13 — Тепловая схема ТЭЦ с теплонасосными теплофикационными системами
В этом случае капиталовложения в целом уменьшаются в 1,5 раза по сравнению с традиционным вариантом. За счет ВТН существенно снижаются сроки ввода теплогенерирующих мощностей. Установка ВТН может рассматриваться по схеме крытых котельных.
Технология с ВТН обеспечивает повышение надежности в системе теплоснабжения. ТЭЦ ВТН обеспечивает структурное резервирование теплопотребителей при авариях на магистральных теплопроводах (МТ).
Коэффициент готовности традиционной последовательной структуры ТЭЦ ПВК-МТ не превышает 0,8. Система ТЭЦ-МТ-ВТН является последовательно-параллельной структурой и ее коэффициент готовности оценивается в 0,9 (при прочих равных условиях).
Кроме того, на уровне ВТН возможно качественное регулирование в системе теплоснабжения.
Технология с ВТН является энергообеспечивающей. Валовые выбросы вредных веществ уменьшаются за счет экономии топлива. Кроме этого, ВТН отключают летом, улучшая экологию в ареале функционирования. Экономия (снижение расхода) топлива в технологии с ВТН составляет , где , — расходы топлива при традиционной технологии с ПВК; и — расходы топлива на ТЭЦ с ВТН;
- расход топлива на замещающей электростанции.
6 . Геотермальная энергетика
Установленная мощность геотермальных электростанций (ГеоТЭС) возросла с 678 МВт в 1970 г. до 8000 МВт в 2000 г. Страны-лидеры: США — 2228 МВт, Филиппины — 1909 МВт, Мексика — 755 МВт, Италия — 755 МВт, Индонезия — 589 МВт. Среднегодовой рост мощности ГеоТЭС за последние 30 лет составил 8,6 % к предыдущему году.
Установленная мощность геотермальных тепловых установок за последние (1980-2000 гг.) 20 лет возросла с 1950 МВт до 17175 МВт.
Геотермальная энергия — важнейший из нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), который уже в 2000 г. стал конкурентоспособен с традиционными. Геотермальная установка мощностью 1 МВт позволяет сэкономить до 3 тыс. т у.т. в год.
