ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Метод фирмы "Спэрри рэнд&quot

Фирма "Спэрри Рэнд" предлагает метод эффективного преобразо­вания энергии геотермальных источников в электроэнергию путем генерации сухого перегретого пара и последующей откачки подземным оборудованием на поверхность земли перегретой воды под высоким давлением.

На фиг. 6.16 показана конструкция установки 1 геотермальной энергетической системы, представленной на фиг. 6.17. Эта установка размещается в скважине на большой глубине. Условия на этой глуби­не позволяют подавать на поверхность в большом количестве очень

Горячую воду под высоким давлением. Данная конструкция размеща­ется внутри обычной обсадной трубы скважины 2.

<" о §

I-

E =

Обсадные трубы 2, идущие вниз от устья скважины 3 (фиг. 6.17), концентрически охватывают внутренний трубопровод 4, изготовленный из нержавеющей стали или другого высококачественного стального сплава. По этому трубопроводу подается холодная и относительно чистая вода на забой скважины.

Внутри обсадной трубы 2 расположен второй внутренний трубопро­вод 5, изготовленный из того же материала, что и трубопровод 4, но большего диаметра. Он идет от устья скважины 3 до оборудования энергетической системы, размещенного на дне скважины, и использу­ется для вывода на поверхность отработанного пара из турбины.

Установка для извлечения геотермальной энергии 1 состоит из парогенератора 6, паровой турбины или другого ротационного двига­теля 7, и ротационного насоса горячей воды 8, приводимого в движе­ние ротационным двигателем.

Эти три агрегата подвешены в донной части скважины внутри об­садной трубы 2, причем они частично опираются на внутреннюю стен­ку трубы 2 в районе сварного соединения 9 и поддерживаются концен­трическими трубами 4 и 5. Можно использовать дополнительные сред­ства для поддержания или обеспечения соосности.

Вниз по трубе 4 от наземной установки к сужению Ю (фиг. 6.16) закачивается чистая холодная вода В верхней части сужения 10 имеется одно или несколько отверстий 11, подводящих воду через патрубки 12 к обычному регулятору давления и редукто­Ру 13.

Размеры отверстий 11, характеристики регулятора давления и редукто­ра 13, а также действующее в трубе 4 давление чистой воды подобраны та­ким образом, чтобы вода протекла через трубу 14 в парогенератор без обратного тока пара. Из регулятора давления и редуктора 13, Расположенных между трубами 4 и 5, вода через трубу 14 попадает в длинный теплообменник 15 из стального сплава, имеющий вид зме­евика, размещенного между трубами 2 и 5.

Горячая вода, поднимающаяся вверх между трубами 2 и 5, превра - . щает воду в змеевике 15 в высокотемпературный сухой пар. На вхо­де в регулятор давления и редуктор 13 чистая холодная вода находит­ся под большим гидростатическим давлением. Это давление значитель­но понижается редуктором 13, так что вода из скважины может пере­гревать и испарять чистую воду. Полученный пар поступает в тру­бу 16, которая отходит вниз от последнего витка 17 змеевика 15 па­рогенератора 6 и проходит вблизи внутренней стенки трубы 2. В ок­рестности витка 17 и трубы 16 труба 5 увеличивается в диаметре и образует секцию, соизмеримую с размерами паровой турбины 19.

Паровая турбина 19 заключена внутри кожуха 20 из стального сплава в форме усеченного конуса между двумя торцевыми круглы­ми стальными перегородками 21 и 22. Опорные подшипники 23 и 24 С водяной смазкой, установленные в центре перегородок 21 и 22 под­держивают главный вал 25 турбины 19.

Кожух 20 и перегородки 21 и 22 жестко соединены сваркой и яв­ляются несущей конструкцией турбины 19. Паропровод высокого дав­ления 16 подходит к входному отсеку турбины 19 через отверстие 26 В нижней перегородке 22. В верхней перегородке 21 имеется ряд от­верстий 27 и 28 для выхода использованного пара из турбины 19 в пространство между трубами 4 и 5.

Таким образом, относитально чистая вода, поступающая вниз в направлении стрелки 29 по трубе 4, может после превращения в пар уже в виде частично отработанного сухого пара подниматься к устью скважины в направлении стрелки 30 в кольцевом пространстве меж­ду трубами 4 и 5.

Насос 31 расположен внутри цилиндрического корпуса 32, кон­центрично размещенного внутри трубы 2. Верхняя часть корпуса 32 Постепенно расширяется и образует коническую секцию 33. Верх­няя часть приварена в сечении 9 к внутренней поверхности трубы 2. Продолженная вниз коническая часть кожуха 20 имеет форму колоко­ла 34. Секции 33 и 34 имеют в основном одинаковую кривизну, Ьбра - зуя кольцевое пространство для протока жидкости.

Насос 31 поддерживается в корпусе 32 стальной торцовой крыш­кой 35, приваренной к корпусу 32 по кольцевой поверхности 46, В центре крышки 35 установлен упорный подшипник 36 для поддержа­ния конца 37 вала 25. Подшипники с водяной смазкой 24 и 36 могут одновременно поддерживать вал 25 и рабочее колесо водяного насо­са 31.

В крышке 35 имеется кольцевой ряд отверстий 38, через кото­рые горячая вода поступает в насос 31. Здесь вода ускоряется рабо­чим колесом насоса и выходит в кольцевое пространство, образо­ванное концентрическими секциями 33 и 34, по которому она нагне­тается вверх к устью скважины в направлении стрелки 39.

Размеры отверстия 11, характеристики регулятора давления 13 И давление холодной воды в верхней части скважины подбираются та­ким образом, чтобы обеспечить подачу воды для смазки подшипни­ков 23, 24 »36 через сужение 10 вниз по трубе 4. В этих подшипни­ках вода проходит между поверхностями трения, предотвращая их соприкосновение и выполняя роль смазки. Из подшипников вода вы­ходит через отверстия 40 и 42.

Выходящая из отверстия 40 вода находится под достаточным дав­лением и может попасть в выходящий из турбины 19 пар, но посколь­ку объем ее мал, то влияние ее незначительно. Вода из отверстия 41 Просто вытекает в поток горячей воды, поднимающийся в направле­нии стрелки 39. Вода из отверстия 42 попадает в горячую воду, про­качиваемую насосом 31.

В каждом случае давление чистой воды, используемой в качест­ве смазки, таково, что нежелательные обратные токи предотвращают­ся. Например, давления чистой воды 42 достаточно для того, чтобы загрязненная вода из скважины не проникала в подшипник 36. Так как при работе турбины 19 и насоса 31 возможны вертикальные сме­щения общего вала 25, подшипники 23 и 36 должны обеспечивать со­осность и воспринимать осевое давление. Можно сконструировать та­кие подшипники, в которых гидростатическое осевое давление в за­зоре с жидкостью в основном будет уравновешено.

Назначение оборудования глубокой скважины (фиг. 6.16) - обес­печить производство электроэнергии на наземной установке, со­стоящей из паровой турбины 60 и генератора переменного тока 61 (фиг. 7.17), которые желательно установить на уровне земли. Горя­чая вода, выведенная на поверхность по трубе 5 и ее продолжению (труба 63), подается через нормально открытый клапан 64 к элемен­ту 66 обычного бойлерного теплообменника 65. Теплообменник 65, Выполненный в виде обычного закрытого бака, обеспечивает теплооб - . мен между несколькими элементами 66, 70 - 72, заключенными внут­ри него. Элементы могут иметь форму прямых труб или змеевиков. Теплообмен происходит путем теплопроводности через металличес­кие стенки и промежуточную жидкость.

Основным источником энергии, подводимой к теплообменнику 65, Является горячая вода, поступающая по трубе 63. Имеющая более низкую температуру, горячая вода на выходе из теплообменника по­ступает через трубу 67 и нормально открытый клапан 68 в испари­тель 69. Клапан 68 может быть дроссельным и обеспечивать пони­жение давления протекающей через него жидкости с тем, чтобы жид­кость легко испарялась при низких температурах, поступая в испа­ритель 69.

Испаритель обычного типа 69 соединен с обычным вакуумным насосом 70, который значительно понижает давление в испарителе, вызывая вскипание воды. Пар выпускается через выхлопной патру­бок 71. Вакуумный насос 70 служит для откачки наиболее летучих газов через патрубок 72, чтобы они не попали в конденсатор 73,

Поскольку некоторые из этих газов являются коррозионно-активными. Ценные газы, такие, как гелий и другие благородные газы, можно при желании использовать.

Испаритель 69 выполняет две функции. В нем производится чис­тый пар, который конденсируется в обычном конденсаторе 73 и за­тем в виде воды поступает в тройник 74, поддерживая расход чистой воды, закачиваемой в скважину. Другая, основная, часть воды, пер­воначально поступающая по трубе 5, возвращается через трубу 75 и насос 76 в скважину, закрепленную обсадной трубой 77. Таким обра­зом, основная часть растворенных минеральных солей, извлеченных на поверхность в виде горячего водного раствора по трубе 5, возвра­щается насосом 76 в землю. Скважина, обсаженная трубой 77, может находиться на некотором расстоянии от скважины с тепловой систе­мой 1 и обслуживать несколько таких систем. Жидкость может зака­чиваться на глубину, отличную от глубины эксплуатационной скважины.

Вторым источником энергии, подводимой к теплообменнику 65, Является пар, выведенный из подземной турбины по трубе 5. Этот пар проходит через нормально открытый клапан 78 в элемент 70 теп­лообменника 65. Элемент 70 расположен в самой холодной части теп­лообменника (вблизи входа холодной чистой воды в элемент 71).

Таким образом, отработанный пар из трубы 5 в основном конден­сируется в теплообменном элементе 70 и конденсат подается через трубу 79 и нормально открытый клапан 80 в тройник 74, откуда на­правляется в трубу 4. При закрытом клапане 81 в линии 82 вода из тройника 74 подается обычным питательным насосом 83 через нор­мально открытый клапан 84 и трубу 85 в трубу 4. Вблизи тройника 74 Можно установить резервный бак, чтобы в случае перебоев в подаче чистой воды в трубу 4 компенсировать ее недостачу. Такую воду мож­но также подавать от любого доступного источника через патрубок 91 И клапан 81. Конденсатор 73 может охлаждаться водой, которая по­дается из градирни (не показана) к элементу 86 конденсатора 73. Элемент 87 можно охлаждать потоком воздуха.

К элементу 71 теплообменника 65 обыкновенным питательным насосом 88 через трубу 89 подается жидкость. Направление ее пото­ка противоположно направлению потока тепла в элементах 66, 70 и 72. Жидкость испаряется и образует высокотемпературный пар, кото­рый через трубу 90 подводится к входной ступени турбины 60.

Отработанный пар поступает по трубе 91 в бойлерный теплообмен­ник 65, где часть его оставшейся тепловой энергии отбирается около входного участка элемента 71. Затем пар подается в обычный

Конденсатор 93, содержащий теплообменные элементы 92 и 94, а кон­денсат подводится по трубе 96 к питательному насосу 88.

Конденсатор 93 можно охлаждать потоком воды из градирни (не показана) через теплообменный элемент 94 или воздухом. Для произ­водства высокотемпературного пара в теплообменнике 65 можно ис­пользовать жидкость вроде воды или какие-либо органические жид­кости, которые являются более подходящими для цикла Ренкина.