Эксплуатация электростанции
КАЧЕСТВО ПАРА
Чистота пара, полученного в трещиноватой области, оказывает определяющее влияние на выбор конструкции, стоимость и эксплуатацию геотермальной станции. Количество и тип примесей, содержащихся в паре, могут оказать влияние на конструкцию конденсационной турбины, на коэффициент полезного действия электростанции и даже на требования, связанные с безопасностью.
При ряде допущений относительно химических соединений, образующихся при взрыве, их отложений в полости и их реакций с йодяным паром, были выполнены расчеты радиоактивности пара. Оценены так-, же содержание в паре кремнезема и солей. Исследованы неконденсирующиеся газы и коррозионно-активные элементы в естественном геотермальном паре.
Радиоактивность, вызванная взрывом. Уровень возникающей радиоактивности зависит от мощности заряда и соотношения между реакциями деления и синтеза. В данном разделе оценена радиоактивность для самого мощного заряда, допускаемого правилами наземных испытаний, и для предельных случаев, когда имеет место только реакция деления или только реакция синтеза. В табл. 3.8 приведены радиоактивные изотопы, состоящие из продуктов деления, и искусственные радиоактивные изотопы в почве, которые, по-видимому, будут присутствовать в значительных количествах спустя 180 сут после взрыва 1000-килотонного заряда, и которые могут обладать определенной летучестью в предполагаемых условиях эксплуатации.
Это те изотопы, которые по всей вероятности могут оказаться в газообразном состоянии в паре. В табл. 3.8 также включены данные о периоде полураспада каждого изотопа, активности каждого из них, ожидаемой спустя 180 сут после 1000-килотонного взрыва, и соответствующая каждому изотопу мощность гамма-излучения. Последняя величина необходима для расчета мощности дозы гамма-излучения.
Следует подчеркнуть, что значения искусственной радиоактивности, приведенные в табл. 3.8, соответствуют взрыву заряда без нейтронного экранирования. Расчеты показывают, что каждым 15 см экрана из борной кислоты соответствует десятикратное уменьшение заражения почвы. Уровень искусственной радиоактивности также зависит от состава почвы (результаты расчетов, приведенные в табл. 3.8, получены для гранитной породы, в которой был произведен взрыв устройства "Хардхэт") и особенностей конструкции ядерного заряда. Разумно ожидать, что заряд можно экранировать путем расширения скважины на глубине и использования экранирующей жидкости.
Удаление радиоактивных неконденсирующихся газов. Присутствующие в паре неконденсирующиеся газы будут накапливаться в конден-
Таблица 3.8 Потенциально летучие радиоактивные изотопы [1]
|
'эти значения активности найдены пересчетом по линейной зависимости с использованием значений, полученных для 50-кипотонных атомного и термоядерного устройств, Грином и Лесспером (Лоуренсийская радиоацион - ная лаборатория, частное сообщение).
2) К искусственной активности в почве 290 кКи добавлена активность трития из термоядерного топлива. В предположении, что на 1 кт мощности термоядерного заряда приходится 2 г остаточного трития, эта дополнительная активность составляет 20 ООО кКи.
Саторе.- Неконденсирующиеся газы, которые содержатся в природном паре, удаляются из конденсатора в атмосферу с помощью вытяжных вентиляторов. Согласно Плоушерской геотермальной программе, сбор и захоронение неконденсирующихся газов может быть осуществлен под землей, если только их содержание в породе достаточно мало для осуществления простого захоронения. Например, количество неконденсирующихся газов, содержащихся в геотермальном месторождении
Лардерелло, слишком велико для их захоронения без предварительной обработки и отделения от них радиоактивных газов.
Для отделения криптона, с которым связаны наибольшие трудности, можно было использовать фреоновые установки, в которых криптон можно бщло бы сжижать и хранить или сжижать и возвращать в рабочую полость. При применении термоядерных зарядов количество криптона уменьшается на несколько порядков, но значительно увеличивается количество аргона. Кроме того, при взрыве термоядерных зарядов образуется значительно больше трития, который замещает водород в воде и (или) паре, что значительно затрудняет его удаление. В связи с этим потребуются соответствующие меры, гарантирующие его безопасное удержание.
Ожидаемая радиоактивность пара. Спустя 180 сут после ядерного или термоядерного взрыва в паре могут оказаться летучие продукты деления ffKr, 103Ru. 106Ru, T06Rh. T25Sb. l^Te и ^Cs. Искусственными радиоактивными изотопами являются 3Н, 22Na, 32Р, 35S, 37Аг и 134Cs .
Подчеркнуты важнейшие изотопы, являющиеся источником значительного гамма-излучения. Для заряда мощностью 1000 кт мощность гамма-излучения спустя 180 сут для всех приведенных выше изотопов составляет 3.1016 МэВ/с в случае чисто атомного устройства, и 1,1. Ю15 МэВ/с для термоядерного устройства, имеющего 3-килотонный атомный взрыватель. Хотя термоядерное устройство создает меньший уровень гамма-излучения летучих изотопов, оно вызывает высокую степень бета-активности, связанную с присутствием трития.
Для определения активности гамма-излучения пара используется термодинамическая модель, основанная на фактической летучести различных гамма-излучающих изотопов, поскольку условие абсолютной летучести этих изотопов, по-видимому, является слишком жестким. Чтобы провести термодинамические расчеты применительно к этой задаче, необходимо сделать ряд допущений о процессах и реакциях, происходящих во время образования взрывной полости.
Вскоре после ядерного взрыва практически вся испарившаяся порода и вещества, выделившиеся при взрыве (кроме пара и постоянных газов), сконденсируются. Сконденсируются жаропрочные радиоактивные материалы, а также часть летучих радиоактивных веществ. Последними из испарившихся составляющих породы сконденсируются остаточные количества щелочных металлов и кремнезема. Этот позднее образовавшийся конденсат будет, по-видимому, более насыщен летучими радиоактивными изотопами, чем основной конденсат, и будет физически отделен от него, проникнув, например, в область трубообразной полости еще до конденсации.
Условия более поздней конденсации определяются натрием и калием - основными щелочными металлами, находящимися в породе. В данных условиях можно ожидать, что основными их соединениями в паровой фазе будут NaOH (г) и КОН (г). Конденсированными соединениями, вероятно, являются карбонаты и силикаты; причем для термодинамических расчетов можно принимать, что они будут в виде Na2Si205 , NaAISi308 , K2C03 , K2Si4Og и KAlSi308 . Конденсация щелочного металла в виде карбоната или силиката зависит от парциального давления С02 в газе и ряда кинетических факторов.
Конденсированные NaOH и КОН образовываться не будут из-за высокого давления их паров при данных условиях. Согласно имеющимся термодинамическим данным, давление паров гидроокисей щелочных металлов должно превышать 100 Па. Давление паров летучих частиц гидроокиси кремния при этих условиях также выше 100 Па, поэтому прямые реакции в газовой фазе могут также привести к образованию силиката. Таким образом, возможны либо реакции газа с поверхностью, либо реакции между двумя газами, которые приводят к поздней конденсации силикатов и карбонатов щелочных металлов при температурах лЛЗОО К и ниже. Предположение о том, что паровая фаза содержит NaOH (г) и КОН (г) под давлением 100 Па в объеме 10® м3, означает, что v2. 104 г-атом щелочных металлов сконденсируется при температуре ниже <^1300 К (т. е. при температуре ниже температуры затвердевания породы).
Предполагается, что все потенциально летучие изотопы, приведенные в табл. 3.9, за исключением постоянных газов, связаны с поздней конденсацией силикатов и карбонатов щелочных металлов. Кроме того, предполагается, что эта конденсация происходит в течение секунд или минут. Вследствие такой задержки во времени этого процесса (по сравнению с процессом остекловывания) конденсат, по - видимому, проникает в область трубообразной полости и образует слой на поверхности породы.
Из табл. З. У можно сделать вывод, что если в полости существуют воо - становительные условия и там имеется некоторое количество остаточной двуокиси углерода, летучие изотопы рутения подавляются, а летучие изотопы цезия бурут представлены соединением CsCI. В момент пуска электро-
Таблица 3.9
Относительная летучесть в паре потенциально летучих гамма-излучателей через 180 сут после ядерных взрывов общей мощностью 1 Мт [t]
Изотоп |
Период полураспада |
Мощность гамма-из - пучения1), МэВ/с |
Содержание изотопа через 180 сут, г-атом |
Петучесть в паре при давлении 8 МПа и температуре 350 °С |
85Кг |
10,7 года 0,14.1013 |
0,57 |
Постоянный газ |
|
103Ru |
40 сут |
2040.1013 |
0,35 |
Высокая в окислит, атм. Низкая в восстановит, атм. |
106 Ru 106Rh) |
1,0 год |
337-1013 |
2,8 |
Высокая в окислит, атм. Низкая в восстановит, атм. |
125Sb |
2,7 года |
96 • 1013 |
0,45 |
Вероятно высокая |
127MTe 109 сут |
0,07* 1013 |
0,075 |
Высокая |
|
137Cs |
30 пет |
374-1013 |
15,1 |
Низкая в присутствии С02 Высокая (30%) в отсутствие Со2 |
134Cs2> |
2 года |
78« Ю13 |
0,08 |
Высокая (10%) в присутствии |
Хлорида |
Всего: 2955'10 |
13 |
^Средняя энергия гамма-излучения составляет**- 0,5 МвВ. 2)Цезий-134 — продукт активации в отсутствие нейтронного экранирования.
Станции газ, находящийся в полости, будет содержать максимум гамма - активности 1,4 • 1016 МэВ/с, представленной 100% 126Sb и 10% 137Cs и 134Cs. При приведенной выше максимальной активности можно подсчитать интенсивность гамма-излучения на поверхности трубопровода диаметром 457 мм в предположении, что он является цилиндром бесконечной длины и что радиоактивных отложений на стенках трубопровода не имеется. Это дает мощность Дозы ^25 мр/ч.
Рассчитанная максимальная активность изотопов в паре такова, что было бы нежелательно использовать барометрический конденса-. тор, в котором конденсат пара смешивается с водой в бассейне для охлаждения конденсата. Когда будет достаточно экспериментальных данных о степени радиоактивности пара, будет полезно провести
13 Зак. 14650
Повторную оценку этого метода конденсации, поскольку он обладает рядом технических и экономических преимуществ. Тем временем вариант электростанции, рассмотренный в данной работе, будет вклю - часть конденсатор поверхностного типа.
Необходимо отметить, что точность расчетных данных по летучести изотопов, приведенных в табл. 3.9, дает лишь порядок величин. Основная цель заключается в том, чтобы разумно оценить концентрацию летучих радиоактивных изотопов в паре. По мере накопления экспериментальных результатов выводы могут измениться, t37Cs и 125Sb могут оказаться менее летучими, чем ожидается, или по крайней мере проникать в область трубообразной полости в недостаточном количестве, чтобы происходил дальнейший перенос. Другие процессы, которые рассматриваются здесь как температуростойкие, могут в действительности играть значительную роль. Ясно, что все эти сложные химические взаимодействия следует изучить в лабораторных и в натурных условиях, прежде чем они могут быть точно определены.
Выпадение твердых радиоактивных частиц. Потенциальные проблемы, связанные с отложением окиси кремния в турбине и конденсаторе, могут оказаться весьма серьезными. Отложение солей и окиси кремния (и связанная с этим радиоактивность) на лопатках турбины зависит от примесей, присутствующих в паре, и давления пара. Соли, отложившиеся на лопатках паровой турбины, растворимы в воде и при правильной технологии могут смываться водой. Наиболее важными из них являются NaCl, NaOH, силикаты натрия, Na2C03 , а иногда Na2S04 . Отложениями, не растворимыми в воде, чаще всего являются кремниевая кислота, аморфная окись кремния и различные кристаллические формы окиси кремния. Кроме того, могут образоваться нерастворимые в воде отложения окислов железа и СаС03 .
Максимально допустимая концентрация в паре окиси кремния, при которой отложения окиси кремния пренебрежимо малы, при давлении пара на входе в турбину 8 МПа составляет 5 • 10"®%. Общее количество растворенной твердой фазы (соли и окись кремния) в паре при нормальной работе турбины не должно превышать (5 - 20). 10_6%. Такая чистота пара трудно достижима даже в лучших бойлерных системах
Оценка концентрации окиси кремния в паре для применения на ГеоТЭС может быть получена из работы Хейтманна [7], в которой рассматривались силикате ль, кремниевая кислота или кварц, находящиеся
Температура, °С |
-Ф и г. 3.11. Концентрации окиси кремния в зависимости от температуры и
Давления [і].
1 - граница воды, насыщенной паром; 2 - граница пара, насыщенного водой; 3 - условия на входе в турбину ГёоТЭС при использовании ядерного азрыва; 4 — Большие Гейзеры; 5 — Лардерелло.
В равновесии с паром высокого давления. Результаты для селикагеля представлены на фиг. 3.11 в виде сглаженных кривых.
Силикагель и различные кремниевые кислоты взаимно преобразуются в зависимости от температуры и давления пара. Поэтому на фиг. 3.10 между ними не делается различия. По сравнению с силика - гелем растворимость кварца в воде меньше от 10 раз при 100 °С до 2 раз при 350 °С. Концентрация летучей окиси кремния в паре ниже для кварца, чем для силикагеля, но разница обычно невелика. Максимальное отношение концентраций достигает двух при температуре л/350 °С и давлении пара 3-5 МПа.
Из фиг. 3.10 следует, что концентрация окиси кремния в паре при 623 К и 8 МПа равна 9 мг/л. Следовательно, можно подсчитать, что она составляет 5 - 9 мг/л в условиях подземной полости, поскольку там могут присутствовать либо кварц, либо более активные формы окиси кремния. Очевидно, что содержание окиси кремния при давлении пара, поступающего из этой полости, 8 МПа примерно на два порядка больше допустимого для нормальной работы турбины и что, если подавать пар непосредственно в турбину, на ее лопатках будут накапливаться значительные отложения. Ситуация еще более осложняется присутствием в паре радиоактивности, поскольку 125Sb, 137Cs и 134Cs могут остаться на лопатках турбины вместе с окисью кремния и различными солями.
Месторождения природного пара дают "грязный" пар при более низких температурах и давлениях (фиг. 3.11). Турбинный цикл этих электростанций соответственно имеет более низкий к. п.д., что, однако, компенсируется дешевизной природного пара.
КоррОзия и образоваНиЕ наКипи. В этом разделе кратко рассматриваются некоторые проблемы коррозии и образования накипи под действием воды и пара, которые могут возникнуть в ходе эксплуатации ГеоТЭС на стимулированной ядерным взрывом геотермальной системе. Большая часть информации, касающейся этих проблем, естественно извлекается из опыта эксплуатации обычных геотермальных скважин. Экстраполирование этой информации на случай геотермальной скважины, стимулированной ядерным взрывом, требует. осторожности из-за других параметров пара и других геологических условий, которые можно ожидать в последнем случае.
Сравнение условий в обычных геотермальных скважинах и скважинах, стимулированных ядерным взрывом, показывает, что температура воды в обычной скважине составляет 200 - 300 °С, в то время как в скважине, стимулированной ядерным взрывом, температура породы достигает 350 °С. В обычных скважинах используются трубы диаметром 20 - 25 см, достигающие глубины 0,15 - 0,6 км, а производимый пар находится под давлением 0,3 — 1,2 МПа при температуре 160 - 200 °С в устье скважины. В случае скважины, стимулированной
Ядерным взрывом, предполагается использовать трубы диаметром 1,3 - 1,8 м, достигающие глубины км. Предполагается, что температура и давление в устье скважины будут составлять 350 °С и 8 МПа в момент пуска электростанции и 150 °С и 0,45 МПа к концу работы электростанции.
Чтобы иметь возможность сравнивать явления коррозии и образования накипи в этих двух случаях необходимо оценить количество примесей в породе и теплоносителе обоих типов скважин. Только после этого можно делать какие-то выводы относительно конденсирующихся и неконденсирующихся примесей, которые выносятся потоком пара, и тех химических воздействий, которые эти примеси могут оказать на паротурбинную систему.
Данные химического анализа геотермальных вод Исландии и Новой Зеландии и термальных источников Чили приведены в табл. 3.10, а данные анализа геотермального пара из нескольких источников приведены в табл. 3.11.
Все данные, кроме тех, которые относятся к вулкану Шова-Шинд - зян, заимствованы из различных отчетов, помещенных в трудах [8]. Данные для вулкана Шова-Шиндзян заимствованы из работы [9]. Ряд соединений, входящих в незначительных количествах, в таблицу не включен. Представленные типы пород имеют в основном вулканическое происхождение и должны быть сравнимыми с типами пород, в которых производится ядерный взрыв.
Данные табл. 3.10 о количестве растворенных веществ, которые могут образовывать газообразные продукты, не дают представления о действительных концентрациях этих веществ в подземных водах, поступающих в скважину, ввиду потерь, имеющих место в процессе отделения геотермальных вод от пара. В процессе разделения двух фаз летучие компоненты концентрируются в паровой фазе, тогда как нелетучие компоненты концентрируются в воде. Например, фактическое содержание С02 в подземных водах геотермального поля Уайракей (Новая Зеландия) составляет 200 - 600 мг,/л на глубине, а в подземных водах геотермального поля Уайотапу (Новая Зеландия) 800 — 2500 мг/ л, тогда как в табл. 3.10 даны значительно более низкие значения содержания НСО~ и СО2" .
Из табл. 3.10 и 3.11 видно, что теплоносители содержат значительные количества веществ, вызывающих коррозию и накипь. Аналогичные вещества следует ожидать и в случае использования ядерного взрыва вследствие сходства типов пород. Будут ли коррозия и
Таблица 3.10 Химический анализ геотермальных вод из нескольких источников [1]
|
Максимальная температура источника, °С Тип породы |
Общее содержание твердей
|
295 40-901) |
1) |
230 230 265 Базальто - Б аз ал ь - Игним - Игним - Извер - Извержен - вая лава товая па - бриты и бриты и женная ная поро- Пемзовые пемзовые порода да брекчии брекчии |
88 |
Ва |
Различны в зависимости от метода разделения воды и пара. Значения, полученные путем химического анализа, ниже фактической концентрации в подземной воде.
Образование накипи иметь место в действительности, зависит от конк ретных условий в каждом случае. Как известно, хлориды, NH3, С02 и H2S в некоторых случаях вызывают коррозию металлов. Пар и горячая вода являются коррозионно-активными по отношению ко всем силикатным материалам, таким, как цементированные соединения труб, железобетонные трубы или емкости, керамические отстойники и тому подобное. Следует либо избегать этих материалов, либо применять соответствующие покрытия.
Накипь (или отложения) могут образоваться в трубах, турбинах или. конденсаторах вследствие присутствия в паре летучих примесей, таких, как хлориды, гидроокислы, карбонаты, сульфаты и силикаты щелочных металлов, карбонат кальция и окись кремния.
Неконденсирующиеся примеси в паре, такие, как С02, H2S, Н2, СН4 и т. п., не обязательно вызывают коррозию, однако их необходимо отводить на выходе из турбины, чтобы обеспечить ее эффективную работу.
О коорозионной стойкости обычных сплавов и других материалов в среде геотермального флюида известно мало. Наиболее коррозион - но-стойкими являются сплавы на основе титана, аустенитные нержавеющие и хромированные стали. Эпоксидные смолы являются коррозионно-стойкими до температур 100 °С. Были проведены эксперименты^ продолжительностью до 150 сут по воздействию на образцы сплавов воды при температурах 50 - 240 °С и пара при температурах 100 200 °С.
Хотя был обнаружен широкий спектр различных механизме» коррозии, по-видимому, наиболее серьезную опасность для сплавов представляет коррозия под напряжением. Известно, что такая коррозия может быть вызвана незначительными количествами либо хлоридов, либо сульфидов и может привести к образованию трещин в различных сплавах, которые используются в конструкциях турбин. Концентрации хлоридов 5 • Ю-4% и температуры 50°С уже достаточно, чтобы вызвать эту коррозию.
Присутствие кислорода убыстряет процесс коррозии под напряжением. Для образования трещин не существует нижнего предела напряжения. Трещинообразование под действием сульфидов может происходить в присутствии H2S при температурах до 190 °С. Присутствие H2S приводит также к явлению, известному как водородное внедрение, которое может привести к охрупчиванию, образованию раковин и трещин в нержавеющих сталях.
Из других механизмов коррозии следует упомянуть химическую коррозию и механическую эрозию. Химическая коррозия может протекать в присутствии NH3, H2S, С02 и хлоридов в геотермальном паре. В отдельных случаях, как это было в начале работы электростанции "Большие Гейзеры", в качестве коррозионно-активного агента также может присутствовать ртуть. Как правило, при наличии воздуха коррозионная активность этих химических веществ повышается. Химическую коррозию можно свести к минимуму или избежать ее в большинстве обычных геотермальных электростанций путем соответствующего выбора сплавов и і предотвращения доступа воздуха. Однако химическая коррозия может представлять собой серьезную проблему в случае более высоких температур и давлений, которые будут иметь место при использовании ядерных взрывов.
С проблемой механической эрозии сталкиваются в том случае, когда высокоскоростная струя влажного пара ударяет в лопатки турбины. Такое соударение может привести к комбинированному корро - зионно-эрозионному процессу, который может вызвать серьезное повреждение лопаток турбины; Весьма эффективно противостоят эрозии нержавеющие стали с содержанием хрома 13%.
Из опыта, полученного при эксплуатации геотермальных станций на природном теплоносителе, следует, что, по всей вероятности, с подобными проблемами придется столкнуться в случае использования ядерного взрыва. Эти проблемы можно исследовать путем проведения экспериментов по воздействию геотермального пара и воды на образцы сплавов в тех же условиях, что и при использовании ядерных взрывов. Важно, чтобы в таких экспериментах пар и вода по составу принадлежали бы вполне определенной геотермальной формации. Лучше всего было бы исследовать пар, взятый непосредственно из скважины в месте, где был заложен ядерный заряд, или при отсутствии действующей скважины можно получить представление о примесях, ожидаемых в паре, из анализов образцов кернов, взятых из формации. По всей видимости, как и в случае использования обычных геотермальных скважин, только с помощью таких опытов можно найти приемлемые сплавы и другие конструкционные материалы.
Очистка пара. Если геотермальный пар будет использован непосредственно в турбине, работающей при высоких давлениях, то, по всей вероятности, потребуется его очистка, чтобы избежать неэффективной работы турбины и высокого уровня радиации. Для удаления кремнезема могут оказаться эффективными раздробленные известняк
Или доломит, действующие как скребок. Промывка пара едким натром NaOH также может быть эффективной, но на эту операцию требуется время, и, кроме того, придется следить за тем, чтобы не повредить турбину.
Другим решением проблемы является введение теплообменника, в котором пар, поступающий из трещиноватой области, будет конденсироваться, а вода будет испаряться. Хотя это дополнительное оборудование уменьшит термический к. п.д. процесса, оно обеспечит концентрирование накипи и радиоактивных продуктов. Экономическая выгода такого подхода заключается в возможности использования в остальной части электростанции стандартного оборудования. Если на - кипеобразование в теплообменнике окажется чрезмерно сильным, можно использовать два теплообменника, а также химический или механический способы удаления накипи.
Если пар очищают, то все загрязняющие его компоненты задерживаются в системах очистки. Удаление загрязняющих веществ и радиоактивности из системы очистки можно осуществлять закачкой в трещиноватую область, если в системе очистки используется жидкость. Необходимость очистки пара, методы удаления загрязняющих компонентов, извлеченных из него, и стоимость этого процесса подлежат дальнейшему изучению.