ГЕЛИО-ГЕОТЕРМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК F24J2/42 F03G6/04 

Группа изобретений относится к области энергетики, а именно к средствам, использующим геотермальную энергию, и могут использоваться, в частности, в условиях эксплуатации геотермальных электростанций, построенных на низкотемпературных недрах земли.

Известна геотермальная электростанция, описанная в одноименном свидетельстве №5622 на полезную модель, кл. F03G 4/00, з. 18.11.96, оп. 16.12.97.

Известная станция содержит систему подготовки пара, турбогенератор, тепломеханическое оборудование, систему оборотного охлаждения, главное распределительное устройство, систему аварийного питания, главный щит управления, ремонтную мастерскую и жилищно-бытовой комплекс, при этом все перечисленные системы геотермальной станции выполнены в виде модулей, снабженных сообщающимися тамбурами и образующих единое сооружение, причем дополнительно станция содержит теплофикационный модуль.

Недостатком известной геотермальной электростанции является то, что ее эксплуатационные возможности ограничены, поскольку все входящие системы (в том числе жилищно-бытовой комплекс) образуют единое сооружение и сообщены сообщающимися тамбурами, что в современных условиях снабжения теплом весьма удаленных жилых комплексов становится нереальным.

Известна геотермальная станция с комбинированным циклом, описанная в одноименном св. №6205 на полезную модель, кл. F03G 7/00, з. 18.11.96, оп. 16.03.98.

Известная электростанция содержит сообщенные транспортирующими трубопроводами продуктивную скважину, сепаратор, турбогенератор и скважину закачки сепарата, связанную трубопроводом сепарата с сепаратором, причем на трубопроводе сепарата размещены подогреватель и испаритель бинарного цикла выработки электроэнергии, включающего дополнительный турбогенератор, воздушный конденсатор и насос, сообщенные трубопроводами, заполненными органическим теплоносителем, при этом трубопровод сепаратора снабжен запорным элементом.

Недостатком известной геотермальной электростанции является то, что в ней нерационально используется тепловой потенциал рабочего тела основного цикла - пароводяной смеси в элементах установки, что снижает производительность цикла. Кроме того, использование температурного потенциала сепарата основного цикла для подогревателей дополнительного цикла ведет к образованию солеотложений в последних, что снижает надежность установки в целом. При этом в ней не задействован коммунальный контур.

Известна геотермальная электростанция с бинарным циклом, описанная в св. РФ №9023, кл. F03G 7/00, 1998 г.

Известная электростанция содержит основной контур с геотермальным рабочим телом и дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом.

Недостатком известной электростанции является неоптимальное заполнение дополнительного контура с низкокипящим рабочим телом, что снижает удельные характеристики цикла.

Известна геотермальная электростанция с бинарным циклом, описанная в п. РФ №44761 на одноименную полезную модель, кл. F03G 7/00, з. 30.11.2004, оп. 27.03.05.

Известная электростанция содержит продуктивную скважину, сепаратор и турбогенератор основного цикла, подогреватель, пароперегреватель, конденсатор-испаритель, турбогенератор, воздушно-конденсаторную установку и насос дополнительного контура с низкокипящим рабочим телом, причем на выходе сепарата из сепаратора установлен расширитель, связанный паровым трубопроводом с пароперегревателем, а трубопроводом сепарата - с подогревателем, на выходе пароперегревателя установлен дополнительный расширитель, выход которого соединен по пару с конденсатором-испарителем, при этом подогреватель выполнен в виде двух параллельных по сепарату секций, снабженных запорными элементами.

Недостатком известной электростанции является то, что она может работать только при использовании высокотемпературных недр земли. Кроме того, в ней не задействован коммунальный контур.

Известна геотермальная электростанция с бинарным циклом, описанная в одноименном патенте РФ №85569, кл. F03G 7/00, з. 06.02.09, оп. 10.08.09.

Известная электростанция содержит основной контур с геотермальным рабочим телом и дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, сообщенный с системой заправки и опорожнения, включающей газовый и жидкостный коллекторы, компрессорно-конденсаторный агрегат, бак-ресивер и вакуумный насос, связанные трубопроводами, снабженными запорными элементами, при этом газовый коллектор связан с верхними точками агрегатов контура, а жидкостной коллектор сообщен с нижними точками агрегатов контура.

Недостатком известной электростанции является то, что дополнительный контур в ней является весьма сложным по конструкции.

Общим недостатком всех известных электростанций является то, что все они предназначены для работы на высокотемпературных подземных недрах, где из скважины добывают уже пароводяную смесь, которую далее просто разделяют на горячие пар и воду: первый используют для получения электричества, вторую подают или непосредственно в теплообменник потребителя, либо нагревают ею низкотемпературное рабочее тело для последующего использования его потребителем низкопотенциального тепла.

Известна геотермическая станция города Ландау (Германия), выбранная в качестве прототипа.

Известная станция содержит три рабочих контура: подземный, энергетический и коммунальный. Подземный контур включает в себя последовательно соединенные между собой наклонно-вертикальный подземный трубопровод для отбора подземного горячего, нагретого под землей за счет тепла недр до температуры 160°C потока пара, подземную камеру на глубине 3300 м с подземными водами, нагретыми до температуры 160°C и превращающимися под землей в пар, и подземный вертикально-наклонный трубопровод для закачки остывшего до 50°C потока в скважину. Энергетический контур включает в себя теплообменник, забирающий тепло нагретого до 160°C пара и подающий его на нагревание низкотемпературного рабочего тела, используемого паровую турбину, превращающую энергию горячего пара в электричество, и принимающую электричество электростанцию. Коммунальный контур включает в себя теплообменник, принимающий горячую жидкую фазу и передающий ее через автономную котельную на подогрев теплоносителя, и теплообменник, из тепловой сети подающий остывший до 50°C пар во второй подземный трубопровод для закачки остывшего потока в скважину.

Известный способ заключается в следующем.

Подземную двухфазную среду, нагретую в недрах до 160°C, откачивают из подземной камеры и подают на разделение паровой и жидкой фаз. Горячий пар подают на паровую турбину для получения электроэнергии. Посредством жидкой фазы нагревают теплоноситель в коммунальном контуре и после его охлаждения снова подают его в скважину для повторения цикла.

Известные средства очень практичны и позволяют за счет тепловой энергии недр производить отопление жилых и производственных зданий и получать электричество.

Однако они не могут быть применимы, например, в условиях Уральского региона, где нет термальных вод, на доступных глубинах 3-6 км нет природных полостей и температура недр составляет всего лишь порядка 80°C.

Кроме того, недостатком является использование в подземном контуре жидкости, что усложняет схему в целом, поскольку далее приходится разделять жидкую и газообразную фазы, причем жидкость является более теплоемкой и более инерционной средой с точки зрения скорости нагрева и охлаждения.

Задачей является расширение возможностей применения.

Поставленная задача решается тем, что в:

- в гелио-геотермической станции (ГГС), содержащей последовательно связанные между собой в кольцо подземный, энергетический и коммунальный контуры, причем подземный контур состоит из входной скважины, подземной теплообменной камеры и выходной скважины, энергетический контур включает в себя теплообменник, входом подсоединенный к выходной скважине подземного контура, а выходом соединенный с парогенератором, связанным с электростанцией и соединенным с устройством охлаждения, выходом связанным с теплообменником коммунального контура, который содержит блок управления, соединенный выходом с системой теплокоммуникаций, а входами с двумя теплообменниками, один из которых входом подключен к выходу теплообменника энергетического контура, выход системы теплокоммуникаций связан с устьем входной скважины, согласно изобретению в станцию введена гелиоустановка из трех гелиоколлекторов, один из которых связан со входом и выходом первого теплообменника энергетического контура, второй теплообменник которого содержит низкокипящее рабочее тело, второй гелиоколлектор соединен через компрессор с устьем входной скважины подземного контура, а третий гелиоколлектор соединен со входом и выходом первого из теплообменников коммунального контура, второй теплообменник коммунального контура соединен входами с выходом теплообменника энергетического контура и выходом системы теплокоммуникаций, а выходами - со входом третьего теплообменника коммунального контура и вторым входом компрессора на устье входной скважины;

- в способе эксплуатации ГГС, включающем в себя в подземном контуре получение горячего рабочего тела из подземной теплообменной камеры, в энергетическом контуре - подачу его через теплообменники для подогрева низкотемпературного рабочего тела до температуры парообразования, преобразование горячего рабочего тела с помощью парогенератора в электроэнергию, использование части горячего рабочего тела для нагрева жидкости отопления коммунального контура, согласно изобретению в качестве рабочего тела изначально используют газ, который вначале подсушивают с использованием солнечной энергии, затем закачивают его под давлением в подземную камеру для подогрева, затем горячий газ из подземной камеры подают под давлением на теплообменник воздушного коллектора, где он нагревается с использованием солнечной энергии до температуры парообразования и превращается в пар, который пропускают через теплообменник для нагрева низкотемпературного рабочего тела, используемого в парогенераторе для получения электроэнергии, и одновременно подают на использование для отопления, для чего догревают с его помощью теплоноситель для коммунального контура вначале до 70°C, который затем подогревают с помощью солнечной энергии до 120°C и далее направляют в коммунальный контур к потребителю.

Ведение в ГГС гелиоустановки из 3-х гелиоколлекторов, один из которых используется для подсушки газа, закачиваемого в скважину, второй используется в энергетическом контуре для догрева горячего газа и последующего использования его для нагрева до температуры парообразования низкокипящего рабочего тела, а третий - для догрева теплоносителя в коммунальном контуре, дает возможность использовать тепло низкотемпературных земных недр для получения электричества и отопления жилых комплексов.

В способе эксплуатации использование газа в качестве рабочего тела, подсушка его с использованием солнечной энергии для закачивания в скважину, в совокупности с последующим догревом посредством солнечной энергии в энергетическом контуре для превращения в пар прошедшего через скважину газа и нагрева с помощью последнего до температуры парообразования низкокипящего рабочего тела в этом же контуре и подогрев с помощью солнечной энергии теплоносителя в коммунальном контуре обеспечивают в совокупности возможность использования низкотемпературных подземных недр для получения электроэнергии и тепла для отопления.

Технический результат - возможность использования в энергетике геотермального тепла низкотемпературных подземных недр.

Заявляемая гелио-геотермальная установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как введение в станцию гелиоустановки из трех гелиоколлекторов, использование одного из них в теплообменнике энергетического контура, второго - на входе подземного контура, а третьего - в теплообменнике коммунального контура, связанного с подземным контуром, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него наличием таких существенных признаков, как использование газа в качестве рабочего тела, подсушивание его с использованием солнечной энергии, последующие подача под давлением и подогрев его в подземной камере, подача подогретого газа из подземной камеры под давлением на теплообменник воздушного гелиоколлектора, догрев с его помощью до температуры парообразования низкокипящего рабочего тела в энергетическом контуре и подогрев теплоносителя в коммунальном контуре с использованием вначале горячего газа из скважины, а затем солнечной энергии для обеспечения оборота горячего теплоносителя в коммунальном контуре, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными совокупностями отличительных признаков как среди устройств, так и для способов, потому он считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».

Заявляемые средства могут использоваться в энергетике, в частности в условиях эксплуатации геотермальных электростанций, построенных на низкотемпературных недрах земли, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».

Изобретения иллюстрируются чертежом, где представлена функциональная схема гелио-геотермальной установки.

Гелио-геотермальная установка содержит последовательно связанные между собой в кольцо подземный, энергетический, коммунальный контуры.

При этом подземный контур состоит из входной скважины 1, подземной теплообменной камеры 2, выходной скважины 3 и компрессора 4 для нагнетания воздуха в скважину 1.

Энергетический контур включает в себя гелиоустановку 5 из трех гелиоколлекторов 6-8, теплообменник 9, одним входом подсоединенный к выходной скважине 3 подземного контура, вторым - к выходу гелиоколлектора 6, а выходом связанный с теплообменником 10 с низкокипящим рабочим телом и одновременно с парогенератором 11, подключенным к электростанции 12, а также установку 13 воздушного охлаждения. При этом выход гелиоколлектора 7 соединен с одним входом компрессора 4, выходом связанного с устьем скважины 1.

Коммунальный контур содержит блок 14 управления, систему 15 теплокоммуникаций и теплообменники 16, 17, 18. Теплообменник 16 одним входом подключен к выходу парогенератора 11 энергетического контура, вторым - к установке 13 воздушного охлаждения, а одним выходом - к блоку 14 управления, а другим - к теплообменнику 18. Один из выходов блока 14 управления подключен к входу системы 15 теплокоммуникаций, а второй выход соединен со входом теплообменника 17, связанного с гелиоколлектором 8 гелиоустановки 5. Выход системы 15 теплокоммуникаций подключен ко второму входу теплообменника 18, выход которого соединен со вторым входом компрессора 4.

Заявляемый способ заключается в следующем.

В качестве рабочего тела изначально используют газ, который вначале подсушивают с использованием солнечной энергии, затем закачивают его в подземную камеру для подогрева. Затем подогретый газ из подземного контура подают под давлением в энергетический контур - на теплообменник воздушного коллектора, где он подогревается с использованием солнечной энергии и затем используется для нагрева низкокипящего рабочего тела до температуры парообразования и превращения последнего в пар. Этот пар пропускается далее через парогенератор для получения электроэнергии. Одновременно горячий газ подают в коммунальный контур на использование для отопления, для чего догревают с его помощью теплоноситель из коммунального контура до 70°C, который затем подогревают с помощью солнечной энергии до 120°C и далее направляют в коммунальный контур к потребителю.

Заявляемая гелио-геотермическая установка эксплуатируется с помощью заявляемого способа следующим образом.

Подземный контур

В теплообменную камеру 2 подземного контура через устье скважины 1 закачивают сухой газ, подсушенный с помощью гелиоколлектора 7 гелиоустановки 5. В подземной теплообменной камере 2 создают давление, равное 5-10 МПа. Происходит движение сухого газа в трещиноватой среде камеры 2 и его нагрев до температуры 80°C. Поскольку подземный контур замкнут, то обеспечивается постоянная чистота теплоносителя.

Энергетический контур

Далее подогретый в подземной камере 2 газ с температурой 80°C из подземной камеры 2 через скважину 3 подается под давлением через теплообменник 9 на воздушный гелиоколлектор 6, где он нагревается до температуры 120°C, и проходит затем в теплообменник 10, где он нагревает в последнем до температуры парообразования низкокипящее рабочее тело, которое приводит в работу парогенератор 11, вырабатывающий электроэнергию мощностью N=6-10 МВт/час в энергосеть 12. Затем горячий газ попадает в теплообменник 16 коммунального контура, где догревает теплоноситель до температуры 70°C, тем самым охлаждаясь, и далее снова охлаждается в установке 13 принудительного воздушного охлаждения до жидкого состояния, вытекая в теплообменник 10 и поступая в теплообменник 16 коммунального контура.

Коммунальный контур

Горячий газ из подземного контура с температурой 80°C проходит также через теплообменник 9, нагреваясь до температуры 100°C, далее охлаждается в теплообменнике 10 и в установке 13 охлаждения до температуры 70°C, поступает в теплообменник 16 коммунального контура и нагревает его теплоноситель до температуры 70°C. Также горячий воздух одновременно проходит через теплообменник 10 и с температурой 70°C поступает на теплообменник 18 коммунального контура, откуда подается на теплообменник 16. С выхода последнего теплоноситель коммунального контура поступает через блок 14 управления с температурой 70°C на теплообменник 17 жидкостного гелиоколлектора 8 с температурой 120°C. Теплоноситель охлаждается, получает температуру 95°C, снова направляется на блок 14 управления и перераспределяется в коммунальную сеть 15, обогревая систему 15 теплокоммуникаций (жилой сектор) на 600-1000 зданий. Обратно теплоноситель возвращается с температурой 50°C в теплообменник 18, откуда подается через компрессор 4 во входную скважину 1 и повторяет движение снова.

Гелиоустановка 5, состоящая из фотогальванических элементов площадью до 1000 м² и мощностью до 225 кВт, питает электроэнергией приборы и двигатели геотермической станции.

В сравнении с прототипом заявляемые гелио-геотермальная установка и способ ее эксплуатации имеют более широкие возможности применения.

Группа изобретений относится к области энергетики, а именно к средствам, использующим геотермальную энергию, и могут использоваться, в частности, в условиях эксплуатации геотермальных электростанций, построенных на низкотемпературных недрах земли. При этом подземный контур состоит из входной скважины 1, подземной теплообменной камеры 2, выходной скважины 3 и компрессора 4 для нагнетания воздуха в скважину 1. Энергетический контур включает в себя гелиоустановку 5 из трех гелиоколлекторов 6-8, теплообменник 9, одним входом подсоединенный к выходной скважине 3 подземного контура, вторым - к выходу гелиоколлектора 6, а выходом связанный с теплообменником 10 с низкокипящим рабочим телом и одновременно с парогенератором 11, подключенным к электростанции 12, а также установку 13 воздушного охлаждения. При этом выход гелиоколлектора 7 соединен с одним входом компрессора 4, выходом связанного с устьем скважины 1. Коммунальный контур содержит блок 14 управления, систему 15 теплокоммуникаций и теплообменники 16, 17, 18. Теплообменник 16 одним входом подключен к выходу парогенератора 11 энергетического контура, вторым - к установке 13 воздушного охлаждения, а одним выходом - к блоку 14 управления, а другим - к теплообменнику 18. Один из выходов блока 14 управления подключен к входу системы 15 теплокоммуникаций, а второй выход соединен со входом теплообменника 17, связанного с гелиоколлектором 8 гелиоустановки 5. Выход системы 15 теплокоммуникаций подключен ко второму входу теплообменника 18, выход которого соединен со вторым входом компрессора 4. В качестве рабочего тела изначально используют газ, который вначале подсушивают с использованием солнечной энергии, затем закачивают его в подземную камеру для подогрева. Затем подогретый газ из подземного контура подают под давлением в энергетический контур - на теплообменник воздушного коллектора, где он подогревается с использованием солнечной энергии и затем используется для нагрева низкокипящего рабочего тела до температуры парообразования и превращения последнего в пар. Этот пар пропускается далее через парогенератор для получения электроэнергии. Одновременно горячий газ подают в коммунальный контур на использование для отопления, для чего догревают с его помощью теплоноситель из коммунального контура до 70°С, который затем подогревают с помощью солнечной энергии до 120°С и далее направляют в коммунальный контур к потребителю. Ведение в ГГС гелиоустановки из 3-х гелиоколлекторов, один из которых используется для подсушки газа, закачиваемого в скважину, второй используется в энергетическом контуре для догрева горячего газа и последующего использования его для нагрева до температуры парообразования низкокипящего рабочего тела, а третий - для догрева теплоносителя в коммунальном контуре, дает возможность использовать тепло низкотемпературных земных недр для получения электричества и отопления жилых комплексов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гелио-геотермическая станция (ГГС), содержащая последовательно связанные между собой в кольцо подземный, энергетический, коммунальный контуры, причем подземный контур состоит из входной скважины, подземной теплообменной камеры и выходной скважины, энергетический контур включает в себя теплообменник, входом подсоединенный к выходной скважине подземного контура, а выходом связанный с теплообменником коммунального контура и одновременно с парогенератором, подключенным к электростанции, а коммунальный контур содержит блок управления, соединенный выходом с системой теплокоммуникаций, а входами - с двумя теплообменниками, один из которых входом подключен к выходу теплообменника энергетического контура, выход системы теплокоммуникаций связан с устьем входной скважины, отличающаяся тем, что в нее введена гелиоустановка из трех гелиоколлекторов, один из которых связан со входом и выходом первого теплообменника энергетического контура, второй теплообменник которого содержит низкокипящее рабочее тело, второй гелиоколлектор соединен через компрессор с устьем входной скважины подземного контура, а третий гелиоколлектор соединен со входом и выходом второго из теплообменников коммунального контура, третий теплообменник коммунального контура соединен входами с выходом теплообменника энергетического контура и выходом системы теплокоммуникаций, а выходами - со входом первого теплообменника коммунального контура и вторым входом компрессора на устье входной скважины.

2. Способ эксплуатации гелио-геотермической станции (ГГС), включающий в себя получение сухого горячего рабочего тела в подземном контуре, в энергетическом контуре - подачу его в теплообменник, преобразование горячего пара с помощью парогенератора в электроэнергию, использование части горячего пара для нагрева воды отопления в коммунальном контуре, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела изначально используют газ, который вначале подсушивают с использованием солнечной энергии, затем закачивают его в подземную камеру для подогрева, затем подогретый газ из подземной камеры подают под давлением на теплообменник воздушного коллектора, где он нагревается с использованием солнечной энергии и затем подогревает до температуры парообразования низкокипящее рабочее тело в энергетическом контуре, которое пропускают через парогенератор для получения электроэнергии, подогретый газ одновременно подают на использование для отопления, для чего догревают с его помощью теплоноситель из коммунального контура до 70°С, который затем подогревают с помощью солнечной энергии до 120°С и далее направляют в коммунальный контур к потребителю.