Геотермально-углекислотный энергокомплекс Российский патент 2021 года по МПК F01K27/00 F25J1/00 

Область техники.

Изобретение относится к системам и установкам энергообеспечения, использующим возобновляемые источники энергии, а также к установкам производства жидкого или газообразного углекислого газа, использующим природный углекислый газ месторождений углекислых минеральных вод.

Уровень техники.

Известна газотурбинная установка [1] для получения электроэнергии с использованием тепла, получаемого в результате самовозгорания терриконов и др. Цель достигается тем, что газотурбинная установка снабжена подогревателем, который погружают в скважину, проделанную в терриконе или при погружении в газовую скважину подземной газификации угля, или при погружении подогревателя в скважину при подземном сжигании тонкого пластового угля, или др. Подогреватель соединен с турбиной, на одном валу с которой располагается компрессор и электрогенератор. Горячий воздух подается в турбину при помощи компрессора в замкнутом цикле. Одновременно с вращением турбины вращается электрогенератор и вырабатывает электрический ток.

Недостатком газотурбинной установки является использование компрессора для циркуляции воздуха в замкнутом цикле, что сказывается на количестве получаемой электроэнергии. Увеличение же количества газотурбинных установок на источниках тепла - горящих терриконах для увеличения получаемой электроэнергии приведет к росту капитальных затрат.

Известно изобретение [2], относящееся к переработке высокотемпературных вулканических газов. Повышают давление собранных газов низкого давления из фумарольных трещин и каналов вулкана, затем охлаждают их с обеспечением конденсации сульфидных соединений рассеянных и редких элементов, полученную смесь охлаждают до температуры, превышающей температуру плавления серы, смешивают с распыленной жидкой серой и проводят очистку с обеспечением получения расплава, содержащего серу и твердые и жидкие сконденсированные сульфидные соединения рассеянных и редких элементов, и охлажденных очищенных вулканических газов. Расплав направляют на извлечение из него рассеянных и редких элементов, а очищенные вулканические газы нагревают горячими неочищенными вулканическими газами и направляют в атмосферу, при этом сжатый воздух, нагретый при охлаждении вулканических газов, используют для выработки электроэнергии. Предложены также устройство и способ переработки газов высокого давления из газонаполненной части вулканического канала или из горизонтов, расположенных ниже дневной поверхности вулкана. Обеспечивается переработка вулканических газов с извлечением рассеянных и редких элементов, выработка электроэнергии и поддержание давления газов в вулкане для предотвращения извержения.

Недостатком установки для переработки высокотемпературных фумарольных газов с воздушно-турбинным агрегатом является сброс в атмосферу нагретых очищенных от жидкого расплава серы газов, подаваемых во второй теплообменник для охлаждения горячего потока из фумарол, без использования их теплового потенциала. Кроме этого, недостатком является сброс воздуха низкого давления из турбины в дымовую трубу и далее в атмосферу, а не использование его в замкнутом цикле, что увеличило выработку электроэнергии установкой.

Известно изобретение [3], в котором перед подачей углекислого газа в теплицу осуществляют его многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в водоуглекислотных теплообменниках, аккумулирование сжиженного углекислого газа и его хранение, при этом после хранения осуществляют нагрев его в солнечном коллекторе для получения углекислотного пара, который направляют в углекислотную турбину с регулируемым давлением на выхлопе турбин.

Недостатком данного изобретения является низкий коэффициент полезного действия установки.

Известна интегрированная система комбинированного производства [4], содержащая электрический генератор, работающий от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), водогрейный котел, снабжаемый энергией, образующейся при сжигании топлива, блок для извлечения углекислого газа, который предназначен для приема выхлопных газов, выходящих из ДВС, который приводит в действие электрический генератор, и водогрейного котла, и извлечения углекислого газа из выхлопных газов, и компрессор для приема извлеченного углекислого газа из блока извлечения углекислого газа и сжижения извлеченного углекислого газа. Система комбинированного производства может также включать в себя систему нагрева и охлаждения, которая снабжается энергией генератора электрической энергии, работающего от ДВС. Изобретение позволяет производить необходимую энергию, включая электрическую энергию, горячую воду, пар, холодную воду, сжиженный углекислый газ и другие продукты, необходимые для производства и розлива напитков в местоположение установки для производства напитков.

Недостатком интегрированной системы комбинированного производства является получение электроэнергии от двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является энергоаккумулирующая установка [5] (прототип), в которой диоксид углерода, находящийся в аккумуляторе рабочего тела при температуре минус 35°С и давлении 1,6 МПа, начинают подавать насосом с повышением давления до 5 МПа в нагревающий теплообменник с предварительным прохождением через теплообменник аккумулятора тепла таким образом, что поступающая жидкая углекислота внутри теплообменника аккумулятора тепла испаряют при температуре около 10°С за счет аккумулированной тепловой энергии. После испарения СО₂ в газообразном состоянии подают на перегрев до 200°С в нагревающем теплообменнике, в который подводят тепло возобновляемого источника энергии - геотермального. Нагретый углекислый газ подают на вход турбины с электрогенератором, где углекислый газ расширяют до давления 1 МПа и температуры 70°С, после чего подается в приемник, где газ накапливается. Режим накопления энергии («зарядки») сводится к отбору CO₂ из приемника, для чего из приемника поток диоксида углерода подают сначала на отвод тепла, а затем на вход в компрессор. Между ступенями сжатия компрессора также производят с помощью отвод тепла снижение температуры сжимаемого потока СО₂. Основной поток углекислого газа, выходящий из компрессора и сжатый до высокого давления - 5 МПа, направляют через регулирующий элемент в охлаждающий теплообменник, в котором при отводе тепла осуществляют конденсацию CO₂, после чего жидкий СО₂ накапливают в аккумуляторе рабочего тела.

Недостатком прототипа является получение в технологическом процессе низкотемпературной жидкой углекислоты, ее хранения в аккумуляторе рабочего тела, затем ступенчатый нагрев ее в теплообменнике аккумуляторе тепла и нагревающем теплообменнике, что усложняет и повышает стоимость и эксплуатационные затраты системы. Гораздо проще и экономически целесообразнее работа данной установки на углекислом газе, без ожижения среды.

Раскрытие изобретения.

Задача изобретения - повышение эффективности комплексного освоения геотермальных ресурсов и месторождений углекислых минеральных вод.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение экономической эффективности работы геотермально-углекислотного энергокомплекса при постоянных эксплуатационных затратах за счет использования одноконтурной технологической схемы использования геотермальных ресурсов, возможности производства низкотемпературного сконденсированного углекислого газа высшего сорта, электроэнергии, тепловой энергии, минеральной и газированной минеральной воды для реализации.

Это достигается тем, что смесь углекислого газа и минеральной воды под собственным давлением 0,17 - 0,2 МПа с температурой 10÷14°С выходит из скважины углекислых минеральных вод и направляется в сепаратор, где происходит отделение углекислого газа от минеральной воды. Далее углекислый газ всасывается компрессором с отводом тепла, проходя осушитель влаги [6]. Компрессор с отводом тепла выполнен в виде углекислотного безмаслянного компрессора. Углекислотный безмаслянный компрессор нагнетает сжатый углекислый газ в теплообменник-охладитель №1, где происходит его охлаждение. Между ступенями сжатия компрессора с отводом тепла также производится промежуточное охлаждение углекислого газа. Из теплообменника-охладителя №1 углекислый газ нагнетается в охлаждающий теплообменник, охлаждаемый фреоновой холодильной машиной, где углекислый газ конденсируется при давлении 1,75 МПа, до температуры минус 25°С и сливается в аккумулятор рабочего тела для последующей реализации потребителю.

Для обеспечения электроэнергией потребителей, углекислотного безмаслянного компрессора, компрессора холодильной машины, электродвигателей водяных насосов теплообменников-охладителей №1, №2, №3, конденсатора холодильной машины, часть охлажденного углекислого газа из теплообменника-охладителя №1 нагнетается в приемник рабочего тела с давлением 1,75 МПа, температурой 40°С. После процесса теплообмена углекислого газа с горячими горными породами подземного коллектора и достижения сверхкритических параметров (температура 250°С) в системе трещин углекислый газ извлекается через добычную геотермальную скважину. В зависимости от горнотехнических условий возможны утечки рабочего тела из подземного коллектора, однако углекислый газ всегда может быть добавлен с линии «компрессор с отводом тепла - теплообменник-охладитель №1 - охлаждающий теплообменник» в приемник рабочего тела. Приемник рабочего тела выполнен в виде нагнетательной геотермальной скважины Из добычной геотермальной скважины углекислый газ нагнетается в турбину с электрогенератором энергокомплекса. От турбины с электрогенератором углекислый газ (давление 1,75 МПа, температура 80°С) поступает в теплообменник-охладитель №2, где при давлении 1,75 МПа температура падает до 40°С, а затем смешивается с газом теплообменника-охладителя №1.

Тепловая энергия углекислого газа отводится водопроводной водой из теплообменников-охладителей №1, №2, №3, конденсатора холодильной машины и может использоваться как для отопления и горячего водоснабжения (ГВС) производственного помещения энергокомплекса, так и для отопления и ГВС сторонних потребителей.

Минеральная вода месторождения углекислых минеральных вод, поступающая из сепаратора, направляется в бак газированной минеральной воды, где газируется углекислым газом из аккумулятора рабочего тела, для последующей реализации потребителю.

В сравнении с прототипом изобретения, где энергоаккумуляторная установка способна только вырабатывать электроэнергию, заявляемое изобретение имеет возможность производить низкотемпературный сконденсированный углекислый газ, минеральную и газированную минеральную воду для реализации, что в целом повышает экономическую эффективность геотермально-углекислотного энергокомплекса, за счет реализации низкотемпературного сконденсированного углекислого газа высшего сорта и газированной минеральной воды потребителю.

Описание чертежей.

На фигуре представлена схема геотермально-углекислотного энергокомплекса.

Осуществление изобретения.

Изобретение содержит: скважину углекислых минеральных вод (1), добычную геотермальную скважину (2), турбину с электрогенератором (3), сепаратор (4), осушитель влаги (5), компрессор с отводом тепла (6), теплообменник-охладитель №1 (7), охлаждающий теплообменник (8), теплообменник охладитель №2 (9), приемник рабочего тела (10), холодильную машину (11), конденсатор холодильной машины (12), аккумулятор рабочего тела (13), бак газированной минеральной воды (14), теплообменник охладитель №3 (15).

Изобретение работает следующим образом.

Пример 1.

Смесь углекислого газа и минеральной воды под собственным давлением (давление 0,17 - 0,2 МПа) с температурой 10÷14°С выходит из скважины 1 (фиг.) и направляется в сепаратор 4, где происходит разделение углекислого газа и минеральной воды. Далее углекислый газ всасывается компрессором с отводом тепла 6, проходя осушитель влаги 5. После первой ступени сжатия углекислый газ с давлением 0,4 МПа и температурой 70°С поступает в теплообменник-охладитель №3 - поз. 15, где охлаждается до температуры 15°С. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компрессора с отводом тепла и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 120°С. Затем углекислый газ нагнетается в теплообменник-охладитель №1 - поз. 7, проходя который углекислый газ подается на конденсацию в охлаждающий теплообменник 8, а его часть подается в приемник рабочего тела 10 с давлением 1,75 МПа, температурой 40°С. После процесса теплообмена углекислого газа с горячими горными породами и достижения сверхкритических параметров (250°С) в системе трещин подземного коллектора углекислый газ извлекается через добычную геотермальную скважину 2 с сверхкритическими термодинамическими параметрами. Из добычной геотермальной скважины 2 углекислый газ нагнетается в турбину с электрогенератором 3 геотермально-углекислотного энергокомплекса. От турбины с электрогенератором 3 углекислый газ (1,75 МПа, 80°С) поступает в теплообменник-охладитель №2 - поз. 9, где охлаждается до температуры 40°С и смешивается с углекислым газом теплообменника-охладителя №1 - поз. 7. В охлаждающем теплообменнике 8 углекислый газ отдавая тепло холодильному агенту холодильной машины 11 конденсируется и его температура падает до минус 25°С при постоянном давлении. После охлаждающего теплообменника 8 жидкий низкотемпературный углекислый газ сливается в аккумулятор рабочего тела 13, откуда направляется потребителю. Тепловая энергия углекислого газа отводится водопроводной водой из теплообменников-охладителей №1, №2, №3, конденсатора холодильной машины и используется для отопления. Минеральная вода из сепаратора, направляется в бак (14), где газируется углекислым газом из аккумулятора рабочего тела, для реализации. Полученная электроэнергия от электрогенератора направляется как на реализацию, так и на питание компрессора с отводом тепла 6, компрессора холодильной машины, водяных насосов охлаждающих теплообменников.

Пример 2.

Смесь углекислого газа и минеральной воды обработана по приемам и операциям примера 1, но углекислый газ поступает в теплообменник-охладитель №3 - поз. 15, где охлаждается до температуры 25°С. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компрессора с отводом тепла и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 128°С.

Пример 3.

Смесь углекислого газа и минеральной воды обработана по приемам и операциям примеров 1 и 2, но углекислый газ сжимается первой ступенью сжатия компрессора с отводом тепла до давления 0,5 МПа и температуры 83°С поступает в теплообменник-охладитель №3 - поз. 15, где охлаждается до температуры 3°С. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компрессора с отводом тепла и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 89°С. Однако для охлаждения углекислого газа до 3°С необходимо применение отдельной холодильной машины или использование уже включенной в схему энергокомплекса, что увеличит эксплуатационные и капитальные затраты процесса.

Пример 4.

Смесь углекислого газа и минеральной воды обработана по приемам и операциям примеров 1 - 3, но углекислый газ поступает в теплообменник-охладитель №3 - поз. 15, где охлаждается до температуры 50°С. Далее охлажденный углекислый газ всасывается второй ступенью компрессора с отводом тепла и сжимается до давления 1,75 МПа и температуры 140°С. Однако температура 140°С превышает максимально допустимую рабочую температуру безмасляных углекислотных компрессоров.

Геотермально-углекислотный энергокомплекс сможет обеспечить повышение рациональности использования геотермальных ресурсов, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, а также снижение себестоимости вырабатываемых - электрической, тепловой энергий и низкотемпературного сконденсированного углекислого газа, а также комплекс может обеспечить производство минеральной и газированной минеральной воды.

Изобретение может быть применено на стандартном оборудовании, при использовании существующих материалов и технических решений. Изобретение перспективно для внедрения на территориях с высоким геотермическим градиентом и имеющимися месторождениями углекислых минеральных вод, например на полуострове Камчатка и Северном Кавказе.

Источники информации.

1. SU 1793082, А1, Бюл. №5, опубл. 07.02.1993 г.

2. RU 2585145, С1, Бюл. №15, опубл. 27.05.2016 г. (Дата прекращения действия патента: 30.01.2017 г.).

3. RU 2023387, С1, опубл. 30.11.1994 г. (Досрочное прекращение действия патента).

4. RU 2216633, С2, Бюл. №32, опубл. 20.11.2003 г. (не действует).

5. RU 2435050, С2, Бюл. №26, опубл. 27.11.2011 г. (Дата прекращения действия патента: 14.03.2013 г.).

6. RU 2690468, С1, Бюл. №16, опубл. 03.06.2019 г.

Изобретение относится к системам энергообеспечения, использующим возобновляемые источники энергии. Геотермально-углекислотный энергокомплекс содержит турбину с электрогенератором, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор с отводом тепла, охлаждающий теплообменник, аккумулятор рабочего тела. Углекислый газ из добычной скважины месторождения углекислых минеральных вод сжимают в компрессоре с отводом тепла, выполненном в виде безмасляного углекислотного компрессора, а затем охлаждают в теплообменнике-охладителе. Часть углекислого газа конденсируют в охлаждающем теплообменнике посредством холодильной машины, а часть смешивают с углекислым газом от турбины с электрогенератором и подают к приемнику рабочего тела, выполненному в виде нагнетательной геотермальной скважины, где нагревают в подземном геотермальном коллекторе и из добычной геотермальной скважины подают в турбину для получения электроэнергии и обеспечения ею безмасляного углекислотного компрессора, компрессора холодильной машины, электродвигателей водяных насосов и потребителей. Техническим результатом является увеличение экономической эффективности работы геотермально-углекислотного энергокомплекса. 4 пр., 1 ил.

Геотермально-углекислотный энергокомплекс, содержащий турбину с электрогенератором, приемник рабочего тела, подключенный к выходу турбины, компрессор с отводом тепла, охлаждающий теплообменник, аккумулятор рабочего тела, отличающийся тем, что углекислый газ из добычной скважины месторождения углекислых минеральных вод сжимают в компрессоре с отводом тепла, выполненном в виде безмасляного углекислотного компрессора, от давления 0,17 - 0,2 МПа и температуры 10÷14°С до давления 0,4 МПа и температуры 70°С в первой ступени сжатия, до давления 1,75 МПа, температуры 120-128°С во второй ступени сжатия, при охлаждении между ступенями сжатия до температуры 15-25°С, а затем охлаждают в теплообменнике-охладителе, часть углекислого газа конденсируют в охлаждающем теплообменнике посредством холодильной машины, а часть смешивают с углекислым газом от турбины с электрогенератором и подают к приемнику рабочего тела, выполненному в виде нагнетательной геотермальной скважины, под давлением 1,75 МПа и температуре 40°С, где нагревают в подземном геотермальном коллекторе до температуры 250°С и из добычной геотермальной скважины подают в турбину для получения электроэнергии и обеспечения ею безмасляного углекислотного компрессора, компрессора холодильной машины, электродвигателей водяных насосов и потребителей.