ПЕТРОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ И УСТРОЙСТВО МОНТАЖА ТЕПЛООТБОРНОЙ СИСТЕМЫ ПЕТРОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2014 года по МПК F24J3/08 H02N10/00 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к установкам автономного электро- и теплоснабжения на базе глубинного тепла Земли.

Известно устройство, реализующее способ извлечения геотермального тепла (RU №2288413, МПК7 F24J 3/08, 27.11.2006), содержащее тепловой насос, потребителя тепла, потребителя холода и скважину с расположенной в ней обсадной трубой, внутри которой устанавливается подъемная труба.

Недостатком этого устройства является то, что устройство не позволяет вырабатывать электрическую энергию, то есть имеет ограниченные функциональные возможности.

Известна система для захвата глубинного тепла земли и освобождения тепла в процессе экзотермических реакций для преобразования в электрическую энергию, содержащая скважину, имеющую устье и забой, причем указанная скважина пробурена на достаточную глубину для захвата энергии из глубинного тепла Земли, когда исходные реагенты вводят в указанную скважину, чтобы вызвать реакции указанных реагентов; устройство, расположенное в забое указанной скважины, причем указанное устройство захватывает глубинное тепло Земли для получения и разделения выходных продуктов; первый и второй трубопроводы для транспортировки указанных выходных продуктов к устью указанной скважины; и средство, соединенное с указанными первым и вторым трубопроводами и предназначенное для использования выходных продуктов, для порождения экзотермических реакций для выработки электроэнергии (RU 2162991 С2 F24J 3/08, 10.02.2001).

Недостатком данной системы преобразования геотермальной энергии является сложность ее конструкции, в частности необходимость установки большого числа реакционных камер, насосов, вентилей и прочего оборудования для осуществления механизма транспортировки химических соединений, получаемых в процессе эндотермических и экзотермических реакций.

Известен способ получения электроэнергии с использованием геотермальной энергии и кинетической энергии падающей воды (GR 1005512, F03G 7/04, 08.05.2007).

Недостатком данного способа является его привязка к определенному географическому ландшафту - гористой местности, с возможностью размещения на заданной высоте холодильника, резервуара с водой и другого оборудования, сложность монтажа оборудования, связанная с совмещением геотермальной установки с системой, размещенной на поверхности земли и с системой, размещенной на большой высоте.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является геотермальная установка энергоснабжения потребителей, выбранная в качестве прототипа, содержащая контур съема тепла Земли, контур испарения и конденсации рабочего тела турбины, контур охлаждения конденсатора и контур теплоснабжения потребителя. Из контура съема тепла Земли тепло передается в контур испарения и конденсации рабочего тела турбины, а также непосредственно в контур теплоснабжения потребителя, соединенный с контуром охлаждения конденсатора через тепловой насос (RU 2330219 C1, F24J 3/08, 27.07.2008).

Данная геотермальная установка, в силу своих конструктивных особенностей, в частности расположения подъемной трубы контура съема тепла Земли внутри герметично закрытой опускной трубы, не может иметь высокую мощность, вследствие того, что коаксиальность расположения труб технически трудно обеспечить при большой глубине скважины, а как известно из литературных источников (Николай Гнатусь, Александр Некрасов, Светлана Воронина. Тепло Земли согреет малые города. Журнал «Мировая энергетика» №1 (60), январь 2009 г.), температура глубинного грунта в скважинах глубиной менее 4-6 км, достигает 100-200°С, что недостаточно для выработки электрической энергии. Кроме того, известная установка не позволит доставлять тепло с больших глубин, вследствие невозможности обеспечения достаточной подъемной силы (давления) в подъемной трубе.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи обеспечения надежной работоспособности и повышения мощности электростанции, использующей тепло петротермальных источников энергии (тепла сухих горячих скальных пород, разогретых магмой) с любой глубины земной коры.

Технический результат достигается благодаря конструктивным особенностям заявляемых петротермальной электростанции и устройства для ее монтажа, позволяющим обеспечить возможность использования энергии с больших глубин, равных глубине глубоких и сверхглубоких скважин, а также скважин с глубиной, определяемой в каждом конкретном случае необходимым для выработки электроэнергии температурным режимом забоя скважины.

Поставленная задача достигается тем, что петротермальная электростанция, содержащая скважину, пробуренную на глубину, достаточную для захвата энергии глубинного тепла Земли; теплоотборную систему, расположенную в забое этой скважины, содержащую два трубопровода; наземное оборудование, включающее сепаратор, конденсатор, системы охлаждения и возврата конденсата, согласно заявляемому изобретению включает скважину, пробуренную до глубины, определяемой температурой забоя не менее 600°С, в забое которой установлен паровой котел с присоединенными к нему трубопроводами теплоотборной системы - трубопроводом для нагнетания воды в паровой котел и паропроводом для отвода пара из парового котла, расположенными параллельно друг другу и состоящими из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения

Место соединения секций трубопроводов может быть снабжено усилительными поясами.

Место соединения частей трубопровода для нагнетания воды может дополнительно содержать слой защитного покрытия.

Место соединения частей паропровода может быть защищено слоем теплоизоляции.

Задача, на которую направлено изобретение, достигается также тем, что устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства.

Отличительными существенными признаками заявляемого изобретения являются:

- выполнение скважины до глубины с температурой забоя не менее 600°С;

- выполнение трубопроводов теплоотборного устройства, состоящими из отдельных частей, соединенных между собой жесткими перемычками с образованием секций и присоединенных к паровому котлу, размещенному в забое скважины;

- заполнение части скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева водонепроницаемым материалом, а остальной части скважины породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка расположения в земной коре в месте бурения.

Заявляемое также устройство для монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции позволит осуществить быстрый и надежный монтаж, обеспечивающий работоспособность всей электростанции.

Оба заявляемых устройства - петротермальная электростанция и устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции связаны одним изобретательским замыслом, обеспечивающим единство заявляемого изобретения.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена общая схема петротермальной электростанции; на фиг.2 - теплоотборная система в забое скважины; на фиг.3 - устройство для монтажа теплоотборной системы; на фиг.4 - схема монтажа теплоотборной системы.

Возможность бурения скважин глубиной, значительно превышающей глубину сверхглубокой скважины диаметром до 4 и более метров, в условиях высоких температур, была заявлена автором настоящего изобретения с получением патента РФ №2372466, опубл. 10.11.2009 г.

Заявляемая петротермальная электростанция содержит скважину 1, имеющую забой 2 и устье 3, опущенную в скважину теплоотборную систему 4, содержащую трубопровод для нагнетания воды 5 с запорной арматурой 6 и паропровод 7 с запорной арматурой 8. Отдельные части трубопровода для нагнетания воды 5 и паропровода 7 соединены между собой жесткими перемычками 9 с образованием секций 10. Место соединения секций трубопроводов может быть снабжено усилительными поясками 11, место соединения секций трубопровода для нагнетания воды имеет слой защитного покрытия 12, место соединения секций паропровода защищено слоем теплоизоляции 13. Трубопроводы 5 и 7 присоединены к паровому котлу 14. Часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева заполнена водонепроницаемым материалом 15, остальная часть скважины 16 заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения.

Наземное оборудование включает накопительную емкость 17, сепаратор 18, турбину 19, генератор тока 20, конденсатор 21, энергетический блок 22.

Заявляемое устройство для монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку 23 с гидроподъемником 24 и штоком 25 с подвешенным на нем монтажным крюком 26, раздвижной монтажный (сварочный) стол 27 с проемом 28, блок с электродвигателем и масляным насосом 29.

Петротермальная электростанция работает следующим образом. Из накопительной емкости 17 воду через трубопровод для нагнетания воды 5 подают под давлением в паровой котел 14, находящийся в забое 2 скважины 1. Под действием глубинного тепла Земли вода разогревается и в виде перегретой пароводяной смеси, через паропровод 7 поступает на сепаратор 18. После разделения пар подается на турбину 19, которая вращает генератор тока 20, вода поступает в накопительную емкость 17. Отработанный пар подается на конденсатор 21, образовавшийся конденсат также поступает в накопительную емкость 17. Электрический ток поступает на энергетическое оборудование в энергетический блок 22.

Монтаж теплоотборной системы петротермальной электростанции осуществляют с помощью заявляемого устройства для монтажа следующим образом.

В устье 3 скважины 1, над которой установлен монтажный (сварочный) стол 27 в раздвинутом состоянии, с помощью автокрана (на чертежах не показан) опускают паровой котел 14 с приваренными к нему первыми частями трубопровода для нагнетания воды 5 и паропровода 7, соединенными жесткими перемычками 9, за которые и зацепляют крюк автокрана. Как только верхняя перемычка доходит до уровня чуть выше сварочного стола, спуск прекращают. Части стола соединяют с образованиями в центре проема 28 с проходящими через него трубопроводами. Соединенные части раздвижного монтажного стола скрепляют болтами, а под верхнюю перемычку, соединяющую секции трубопроводов, на стол подкладывают металлические бруски 30. Перемычку опускают на них, монтажный крюк от перемычки отцепляют. Автокран убирают. Устанавливают над устьем монтажную вышку 23 с гидроподъемником 24. К монтажному крюку 26, присоединенному к штоку гидроцилиндра 25 зацепляют очередные соединенные перемычками секции 10 трубопроводов до соприкосновения их нижних концов с верхними концами трубопроводов первых секций. Соединенные трубопроводы сваривают, на сварочный шов накладывают усилительные пояски 11. Место сварки на паропроводе закрывают слоем теплоизоляции 13, на трубопроводе для нагнетания воды слоем защитного покрытия 12. Сваренную часть теплоотборной системы приподнимают, убирают металлические бруски и систему опускают в скважину опять до верхней перемычки. Всю последовательность закрепления секций повторяют до тех пор, пока не будет сварена вся теплоотборная система и котел будет опущен в забой скважины. После монтажа теплоотборной системы скважину заполняют породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка расположения ее в земной коре в месте бурения, при этом часть 15 скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева заполняют водонепроницаемым материалом, например плотными глинистыми породами.

Каждая перемычка, соединяющая секции трубопроводов и паропроводов опирается на засыпной материал и, таким образом, вес теплоотборной системы равномерно распределен по всей ее высоте. При этом значительно уменьшается напряжение труб, вызванное растяжением, и исключается давление труб на паровой котел.

Заявленное устройство с присущей ему совокупностью существенных признаков позволит создать петротермальную электростанцию высокой мощности, позволяющую добывать энергию глубинного тепла Земли, преобразуя ее в электроэнергию, из скважин любой глубины, за счет надежной конструкции теплоотборной системы, состоящей из соединенных между собой отдельных частей трубопровода и паропровода, соединенных в секции посредством жестких перемычек, которые выполняют роль зацепов при монтаже системы, придают жесткость системе и играют опорную функцию в засыпанной скважине. Каждая перемычка, соединяющая секции трубопроводов и паропроводов опирается на засыпной материал и, таким образом, вес теплоотборной системы равномерно распределен по всей ее высоте. При этом значительно уменьшается напряжение труб, вызванное растяжением, и исключается давление труб на паровой котел. Секционная конструкция теплоотборной системы облегчает ее монтаж и спуск в скважину.

Заявляемое заполнение части скважины водонепроницаемым материалом позволяет защитить зону разогрева парового котла от проникновения в нее воды. Заполнение же остальной части скважины породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка расположения ее в земной коре в месте бурения позволит обеспечить надежность системы при относительно низких затратах, вследствие того, что исключаются затраты на засыпной материал и транспортировка большого объема материала обойдется недорого.

Заявляемое также устройство для монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции позволит осуществить быстрый и надежный монтаж теплоотборной системы, состоящей из парового котла и присоединенных к нему трубопроводов, с опусканием этой системы в забой скважины любой максимально возможной глубины с температурой в забое, обеспечивающей работоспособность всей электростанции.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к электростанциям, работающим на базе глубинного тепла Земли. Петротермальная электростанция содержит скважину, пробуренную до глубины с температурой забоя не менее 600°С, теплоотборную систему, расположенную в скважине, содержащую паровой котел, два присоединенных к нему трубопровода, каждый из которых состоит из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева, заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре в месте бурения. Устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства. Обеспечивает надежную работу петротермальной электростанции, повышение мощности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Петротермальная электростанция, содержащая скважину, пробуренную на глубину, достаточную для захвата энергии глубинного тепла Земли; теплоотборную систему, расположенную в забое этой скважины, содержащую два трубопровода; наземное оборудование, включающее сепаратор, конденсатор, системы охлаждения и возврата конденсата, отличающаяся тем, что скважина пробурена до глубины, определяемой температурой забоя не менее 600°С, в забое установлен паровой котел с присоединенными к нему трубопроводами теплоотборной системы - трубопроводом для нагнетания воды в паровой котел и паропроводом для отвода пара из парового котла, расположенными параллельно друг другу и состоящими из отдельных частей, причем части трубопровода для нагнетания воды соединены с частями паропровода для отвода пара жесткими перемычками с образованием секций, при этом часть скважины в зоне расположения парового котла с захватом зоны его разогрева заполнена водонепроницаемым материалом, остальная часть скважины заполнена породой, поднятой на поверхность при бурении скважины с соблюдением порядка ее расположения в земной коре.

2. Петротермальная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что место соединения секций трубопроводов снабжено усилительными поясами.

3. Петротермальная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что место соединения частей трубопровода для нагнетания воды дополнительно содержит слой защитного покрытия.

4. Петротермальная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что место соединения частей паропровода защищено слоем теплоизоляции.

5. Устройство монтажа теплоотборной системы петротермальной электростанции, выполненной в соответствии с п.1, включает монтажную вышку с гидроподъемником, монтажный стол, выполненный в виде сварочного стола, при этом сварочный стол выполнен раздвижным, с выемками, образующими в центре стола при соединении этих частей проем, с возможностью продвижения через него в скважину секций теплоотборного устройства.