Геотермальная электростанция Российский патент 2022 года по МПК F03G4/00 F03G7/04 

Изобретение относится к области применения возобновляемых геотермальных источников теплоты для выработки электрической энергии. Оно может быть использовано для электроснабжения и теплоснабжения отдаленных районов электрической и тепловой энергией.

Известна геотермальная электростанция, имеющая пароводяной и бинарный циклы и содержащая в их составе скважину добычи, скважину нагнетания, насос нагнетания, насос циркуляции, турбину пароводяного цикла, турбину бинарного цикла, электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов, пароперегреватель, охладитель хладагента, ресивер, сепаратор, испаритель (описание патента RU 44761 U1 геотермальная электростанция).

Недостатки известной геотермальной электростанции:

1. Потери теплоты с сепаратом, сбрасываемым в скважину нагнетания.

2. Потери теплоты при воздушном охлаждении хладагента в бинарном цикле.

Техническая проблема заключается в устранении недостатков известной геотермальной электростанции и достижении положительного технического результата по утилизации и полезному использованию теплоты сепарата, который сбрасывается в скважину нагнетания и теплоты при воздушном охлаждении хладагента.

Технический результат достигается тем, что геотермальная электростанция, имеющая пароводяной и бинарный циклы и содержащая в их составе скважину добычи, скважину нагнетания, насос нагнетания, насос циркуляции, турбину пароводяного цикла, турбину бинарного цикла, электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов, пароперегреватель, охладитель хладагента, ресивер, сепаратор, испаритель, согласно изобретению, снабжена компрессором, установленным после охладителя перед конденсатором, выполненным с возможностью передачи теплоты сетевому теплоносителю, сетевым насосом, обеспечивающим циркуляцию сетевого теплоносителя для передачи теплоты от хладагента и сепарата в блок потребителей теплоты, теплоутилизатором, обеспечивающим передачу теплоты от сепарата сетевому теплоносителю для применения в блоке потребителей теплоты, блоком дегазации для удаления неконденсируемых газов из сконденсировавшегося в испарителе водяного пара и охлажденного в теплоутилизаторе сепарата, шламоотделителем, установленным перед сепаратором, обеспечивающим выделение взвесей из геотермального флюида и устраняющим потери теплоты с сепарата, сбрасываемого в скважину нагнетания, и при охлаждении хладагента в бинарном цикле, дросселем, установленным после конденсатора, использующий теплоту нагрева хладогента теплонасосного цикла за счет охлаждения хладагента бинарного цикла, и регулирующими задвижками, расположенными после блока потребителей теплоты и теплоутилизатора, при этом насос нагнетания выполнен с возможностью закачивания охлажденного сепарата и сконцентрированного водяного пара в скважину нагнетания.

На чертеже приведена схема заявляемой геотермальной электростанции, на которой элементы и узлы обозначены следующими позициями:

1 - скважина добычи;

2 - скважина нагнетания;

3 - насос нагнетания;

4 - насос циркуляции;

5 - турбина пароводяного цикла;

6 - турбина бинарного цикла;

7 - электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов;

8 - пароперегреватель;

9 - охладитель хладагента;

10 - ресивер;

11 - геотермальный теплоноситель;

12 - водяной пар;

13 - сепаратор;

14 - сепарат;

15 - испаритель;

16 - щламоотделитель;

17 - шлам;

18 - хладагент теплонасосного цикла;

19 - геотермальный флюид;

20 - блок потребителей теплоты;

21 - блок дегазации;

22 - сетевой насос;

23 - хладагент бинарного цикла;

24 - водяной пар после турбины;

25 - компрессор;

26 - конденсатор;

27 - сетевой теплоноситель;

28 - дроссель;

29 - регулирующие задвижки;

30 - теплоутилизатор.

В составе заявляемого изобретения имеются четыре технологически взаимосвязанных функциональных контура.

Первый контур пароводяного цикла, включающий сепаратор 13, паровую турбину 5 с электрогенератором 7, испаритель 15, использует теплоту водяного пара 12 и далее остаточную теплоту водяного пара 24 после турбины.

Второй контур бинарного цикла, включающий турбину 6 с электрогенератором 7, охладитель хладагента 9, ресивер 10, насос циркуляции 4, испаритель 15, пароперегреватель 8, использующий теплоту нагрева хладагента 23 в пароперегревателе 8 и в испарителе 15 за счет охлаждения сепарата 14 и водяного пара 24 после турбины 5.

Третий контур теплонасосного цикла, включающий охладитель хладагента 9, компрессор 25, конденсатор 26, дроссель 28, полезно использующий теплоту нагрева хладагента 18 за счет охлаждения хладагента 23, является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата по устранению потери теплоты при воздушном охлаждении хладагента в бинарном цикле.

Четвертый контур теплосетевого цикла, включающий конденсатор 26, сетевой насос 22, блок потребителей теплоты 20, регулирующие задвижки 29, теплоутилизатор 30, полезно использующий теплоту нагрева сетевого теплоносителя 27, в качестве которого предпочтительна перегретая вода, за счет охлаждения сепарата в теплоутилизаторе 30 и хладагента 18 в конденсаторе 26, является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата по устранению потери теплоты с сепаратом 14, сбрасываемым в скважину нагнетания 2, и устранению потери от воздушного охлаждения хладагента 23.

Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.

Скважина добычи 1 служит для подъема высоко нагретой пароводяной смеси, которая также называется геотермальным флюидом 19, из глубоких земных слоев для полезного использования теплоты флюида.

Скважина нагнетания 2 предназначена для сбора и закачивания с помощью насоса нагнетания 3 охлажденного сепарата 14 и сконденсировавшегося водяного пара 24 в глубокие земные слои для последующего нагрева.

Насос циркуляции 4 служит для обеспечения движения хладагента 23 бинарного цикла.

Турбина пароводяного цикла 5 предназначена превращения потенциальной энергии перегретого водяного пара в механическую энергию с передачей вращательного движения вала на электрогенератор 7 для получения электроэнергии.

Турбина бинарного цикла 6, соединенная с электрогенератором 7, используется для получения электроэнергии от расширения нагретого хладагента бинарного цикла 23.

С помощью пароперегревателя 8 происходит передача теплоты от сепарата 14 к хладагенту бинарного цикла 23.

Охладитель 9 служит для передачи теплоты от хладагента 23 бинарного цикла к хладагенту 18 теплонасосного цикла.

Ресивер 10 предназначен для промежуточного хранения сконденсировавшегося в охладителе 9 жидкого хладагента 23 бинарного цикла.

Геотермальный теплоноситель 11, представляющий собой водяную парожидкостную среду, от которой в шламоотделителе 16 отделен шлам 17, служит для получения из него перегретого водяного пара 12.

Перегретый водяной пар 12 является рабочим телом для расширения в турбине 5.

Сепаратор 13 служит для отделения водяного пара 12 от жидкого водяного сепарата 14.

Испаритель 15 предназначен для превращения жидкого хладагента 23 в перегретый пар за счет подвода теплоты от водяного пара 24, который отработал в турбине 5.

Шламоотделитель 16 служит для выделения песчаных, глинистых и других взвесей из геотермального флюида 19 и перевода их шлам 17, который направляется в отвалы (на фиг. 1 отвалы не показаны). Наличие шламоотделителя 16 является отличительным признаком заявляемой геотермальной электростанции, позволяющим достигнуть положительного технического результата по устранению потерь теплоты с сепаратом 14, сбрасываемым в скважину нагнетания и потерь теплоты при охлаждении хладагента 23 в бинарном цикле.

В известной геотермальной электростанции шламоотделитель отсутствует и загрязняющие коллоидно-твердые взвеси геотермального флюида 19 осаждаются на теплопередающих поверхностях сепаратора 13 и пароперегревателя 8, уменьшая при этом коэффициент теплопередачи и повышая температуру сепарата 14 непосредственно при сбросе в скважину нагнетания 2, что является потерей теплоты, которая в заявляемом изобретении полезно используется.

По сравнению с известной геотермальной электростанцией с двумя контурами: пароводяным и бинарным, дополнительное применение шламоотделителя 16, являющегося в заявляемом изобретении отличительным техническим признаком, позволяет обеспечить функционирование еще двух дополнительных контуров: теплонасосного и теплосетевого, которые в совокупности дают возможность достижения положительного технического результата по увеличению полезного использования теплоты геотермального флюида 19, так как коллоидно-твердые взвеси из геотермального флюида удаляются в шлам 17, сепарат 14 становится очищенным, загрязнения поверхностей нагрева не происходит, что дает возможность применить теплоутилизатор 30 для глубокого охлаждения сепарата 14.

Хладагент 18 теплонасосного цикла служит для передачи теплоты от паров хладагента 23 после турбины 6 нагреваемому в конденсаторе 26 сетевому теплоносителю 27.

Наличие хладагента 18 является отличительны признаком заявляемого изобретения, позволяющим достигнуть положительного технического результата по устранению потерь теплоты при охлаждении хладагента в бинарном цикле, которое в известной геотермальной электростанции, производится за счет атмосферного воздуха и тепло бесполезно рассеивается в атмосфере.

Блок потребителей теплоты 20 предназначен для передачи теплоты, полезно воспринятой сетевым теплоносителем 27 в конденсаторе 26 и в теплоутилизаторе 30, промышленным и хозяйственно-бытовым потребителям для технологических, отопительных целей, горячего водоснабжения и является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим достигнуть положительного технического результата по увеличению полезного использования теплоты геотермального флюида 19.

Блок дегазации 21 служит для удаления неконденсируемых газов из сконденсировавшегося в испарителе 15 водяного пара и охлажденного в теплоутилизаторе 30 сепарата, Дегазация позволяет получить однофазную жидкую среду, в которой не возникают кавитационные режимы течения на входе в насос нагнетания 3 и вследствие этого улучшается теплообмен в испарителе 15, пароперегревателе 8 и теплоутилизаторе 30, происходит более интенсивный теплоотвод от сепарата 14 в теплоутилизаторе 30 с передачей утилизируемой теплоты для полезного использования потребителям в блоке 20.

Наличие блока дегазации 21 в заявляемом изобретении является отличительным признаком, позволяющим достигнуть положительного технического результата по увеличению полезного использования теплоты геотермального флюида 19.

Сетевой насос 22 обеспечивает циркуляцию сетевого теплоносителя 27 для передачи теплоты от хладагента 18 и сепарата 14 в блок потребителей теплоты 20. Наличие сетевого насоса 22 является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата.

Компрессор 25 служит для сжатия паров хладагента 18 после охладителя 9 и нагнетания их в нагретом виде в конденсатор 26, который предназначен для передачи теплоты сетевому теплоносителю 27.

В конденсаторе 26 происходит конденсация паров хладагента 18, который в жидком виде поступает в дроссель 28, служащий для дозированной подачи жидкого хладагента 18 в охладитель 9.

Регулирующие задвижки 29 предназначены для настройки и выбора оптимальных режимов теплонасосного контура и теплосетевого контура для утилизации теплоты от хладагента бинарного цикла и сепарата пароводяного цикла.

Теплоутилизатор 30 служит для передачи теплоты от сепарата 14 сетевому теплоносителю 27 для полезного применения в блоке 20.

Наличие компрессора 25, конденсатора 26, дросселя 28, задвижек 29 и теплоутилизатора 30 является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим получение положительного технического результата.

Заявляемая геотермальная электростанция работает следующим образом.

Геотермальный высокотемпературный флюид 19, поступающий под давлением из скважины добычи 1, очищается в шламоотделителе 16 от шлама 17 и в виде геотермального теплоносителя 11 подается в сепаратор 13, в котором происходит его разделение на водяной пар 12 в количестве около 26% (по массе) и сепарат 14 в количестве 74%.

Процесс очистки флюида 19 в шламоотделителе 16 от шлама 17 является отличительным технологическим признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим достижение положительного технического результата по повышению полезного использованию теплоты флюида 19.

Сепарат 14 подается в пароперегреватель 8 для перегрева паров хладагента контура бинарного цикла, а затем в теплоутилизатор 30 для нагрева сетевого теплоносителя 27, после которого в блоке дегазации 21 происходит удаление неконденсируемых газов и последующее сбрасывание холодного сепарата насосом 3 в скважину нагнетания 2.

Из сепаратора водяной пар 12 поступает на турбину 5, в которой происходит его расширение со снижением энтальпии, а получаемая при этом механическая энергия вращения вала передается на электрогенератор 7 для выработки электроэнергии.

После турбины 5 водяной пар 12 поступает в испаритель 15, в котором конденсируется и отдает тепло на испарение низкокипящего рабочего агента - изобутана (СН₃)₃СН циркулирующего во втором бинарном контуре.

Конденсат водяного пара из испарителя 15 подается в дегазатор 21 и после него в смеси с сепаратом транспортируется насосом 3 в скважину 2.

Пары хладагента, образующиеся в испарителе 15 направляются пароперегреватель 8 и после их перегрева поступают в турбину 6, где происходит их расширение с получением механической энергии вращения вала и передачей этой энергии на электрогенератор 7 для выработки электроэнергии.

После турбины 6 пары хладагента конденсируются в охладителе 9 со сбором конденсата в ресивере 10 и затем насосом 4 конденсат подается в испаритель 15, в котором происходит нагрев хладагента с образованием паров, подаваемых в пароперегреватель 8.

В охладителе 9 теплота хладагента бинарного цикла передается жидкому хладагенту теплонасосного цикла 18, пары которого компрессором 25 нагнетаются в конденсатор 26 для нагрева сетевого теплоносителя 27 и последующего транспортирования его насосом 22 в блок потребителей 20 для полезного использования теплоты.

Охлажденный сетевой теплоноситель из блока 20 поступает в теплоутилизатор 30 для первичного подогрева за счет отбора теплоты от сепарата 14, выходящего из пароперегревателя 8. Первично подогретый сетевой теплоноситель из теплоутилизатора 30 направляется в конденсатор 26 для окончательного нагрева.

Изобретение относится к геотермальной электростанции. Электростанция включает скважину нагнетания 2 и снабжена компрессором 25, установленным после охладителя 9 перед конденсатором 26, выполненным с возможностью передачи теплоты сетевому теплоносителю 27, сетевым насосом 22, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя 27 для передачи теплоты от хладагента и сепарата 14 в блок потребителей теплоты 20, теплоутилизатором 30, обеспечивающим передачу теплоты от сепарата 14 теплоносителю 27 для применения в блоке 20, блоком дегазации 21 для удаления неконденсируемых газов из сконденсировавшегося в испарителе 15 водяного пара и охлажденного в теплоутилизаторе 30, шламоотделителем 16, установленным перед сепаратором 13, обеспечивающим выделение взвесей из геотермального флюида и устраняющим потери теплоты с сепарата 14, сбрасываемого в скважину 2, и при охлаждении хладагента 23 в бинарном цикле, дросселем 28, установленным после конденсатора 26, использующим теплоту нагрева хладагента теплонасосного цикла 18 за счет охлаждения хладагента 23, и регулирующими задвижками 29. Насос 2 выполнен с возможностью закачивания охлажденного сепарата 14 и сконцентрированного водяного пара в скважину 2. Изобретение направлено на обеспечение полезного использования теплоты сепарата и теплоты при воздушном охлаждении хладагента. 1 ил.

Геотермальная электростанция, имеющая пароводяной и бинарный циклы и содержащая в их составе скважину добычи, скважину нагнетания, насос нагнетания, насос циркуляции, турбину пароводяного цикла, турбину бинарного цикла, электрогенераторы пароводяного и бинарного циклов, пароперегреватель, охладитель хладагента, ресивер, сепаратор, испаритель, отличающаяся тем, что она снабжена компрессором, установленным после охладителя перед конденсатором, выполненным с возможностью передачи теплоты сетевому теплоносителю, сетевым насосом, обеспечивающим циркуляцию сетевого теплоносителя для передачи теплоты от хладагента и сепарата в блок потребителей теплоты, теплоутилизатором, обеспечивающим передачу теплоты от сепарата сетевому теплоносителю для применения в блоке потребителей теплоты, блоком дегазации для удаления неконденсируемых газов из сконденсировавшегося в испарителе водяного пара и охлажденного в теплоутилизаторе сепарата, шламоотделителем, установленным перед сепаратором, обеспечивающим выделение взвесей из геотермального флюида и устраняющим потери теплоты с сепарата, сбрасываемого в скважину нагнетания, и при охлаждении хладагента в бинарном цикле, дросселем, установленным после конденсатора, использующим теплоту нагрева хладагента теплонасосного цикла за счет охлаждения хладагента бинарного цикла, и регулирующими задвижками, расположенными после блока потребителей теплоты и теплоутилизатора, при этом насос нагнетания выполнен с возможностью закачивания охлажденного сепарата и сконцентрированного водяного пара в скважину нагнетания.