ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

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-

'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]

^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

-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

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.