Испаритель для получения пара с помощью магмы вулкана и способ его работы
EVAPORATOR FOR PRODUCING STEAM USING VOLCANIC MAGMA AND METHOD OF OPERATION THEREOF

Группа изобретений относится к способу получения пара с помощью магмы вулкана, а также к испарителю, использованному в способе.
Одним из самых перспективных направлений получения дешевой электроэнергии является ее получение с использованием геотермального тепла – тепла, получаемого из недр земли от нагретых подземных пород, которые обычно располагаются на глубине 3-5 км. Традиционные подземные источники тепла для геотермальных электростанций это: гейзеры, подземные озера горячей воды, глубокие скважины к подземным нагретым породам.
К недостаткам геотермальных электростанций можно отнести: высокую стоимость обустройства и поддержания работы электростанции, связанную с бурением и обустройством скважин, а также неопределенный срок жизни найденных «месторождений» тепла.
Было предложено генерировать пар непосредственно от магмы, минуя посредника – твердые породы земли. Так, получается пар с существенно более высокой температурой и по значительно меньшей стоимости. Достигается это за счет использования открытых магматических озер в кратерах вулканов, а также возможно бурение наклонных скважин для доступа к магме в кратере вулкана. Предполагается, что температура использования испарителя будет колебаться (в зависимости от вулкана) в диапазоне от 800°С до 1400°С, что существенно выше традиционных теплообменников паровых котлов.
В уровне техники известен источник информации, выбранный в качестве прототипа (JP S5623572 A, опубл. 05.03.1981) и раскрывающий испаритель для получения пара с помощью магмы вулкана, содержащий корпус с внутренними пластинами, канал подачи воды и канал отвода пара, а также способ получения пара с помощью магмы вулкана, характеризующийся тем, что подают воду в по меньшей мере один испаритель, размещенный непосредственно в магме вулкана через пробуренную горизонтальную скважину, и отводят полученный пар.
3
Данное решение имеет следующие недостатки. Работа возможна только на дистиллированной питательной воде, которая характеризуется полным отсутствием растворенных солей, поскольку высокая температура в недрах кратера (800-1200°С) приведет к быстрому оседанию расплавов, растворенных в воде, и полной остановке работы испарителя. Высокая температура приведет к разогреву трубы подачи воды до температур оседания осадка на ее стенах, что также остановит работу системы. Движение магмы вулкана и высокая температура согнут испаритель физически, т.к. плотность магмы (2,2–2,8 тонны/м) создает большие нагрузки, а высокая температура размягчает металл и снижает его упругость.
Задачей изобретения является разработка простого как по конструкции, так и в эксплуатации решения, позволяющего получать пар непосредственно в кратере вулкана.
Технический результат заключается в повышении надежности и обеспечение стабильности парогенерации с помощью магмы вулкана.
Указанный результат достигается в испарителе для получения пара с помощью магмы вулкана, содержащем корпус, канал подачи воды и канал отвода пара, в котором корпус выполнен с возможностью размещения под наклоном к горизонту и содержит воронку для отвода осадка, снабженную системой датчиков уровня наполнения, при этом нижняя часть корпуса, воронка и часть канала подачи воды перед входом в корпус выполнены с возможностью электрического подогрева.
В одном из вариантов реализации система датчиков уровня наполнения представляет собой расположенные вертикально друг напротив друга датчики измерения сопротивления между контактами, соответствующими одинаковому уровню.
В другом варианте реализации внутри корпуса выполнены перфорированные пластины.
В третьем варианте нижняя часть корпуса и воронка могут иметь керамическое покрытие.
Также нижняя часть корпуса, выполненная с возможностью электрического подогрева, может представлять 5-10% от всей поверхности корпуса.
Технический результат достигается и в способе получения пара с помощью магмы вулкана, включающем подачу воды в по меньшей мере один указанный испаритель, корпус которого размещен под наклоном к горизонту в кратере действующего вулкана непосредственно над магмой, контроль процесса удаления осадка, подогрев нижней части испарителя и/или воронки в случае отсутствия или замедления процесса удаления осадка, подогрев подаваемой воды непосредственно перед входом в испаритель в случае замедления скорости ее подачи и отвод полученного пара.
В одном из вариантов реализации отсутствие или замедление процесса удаления осадка определяют с помощью системы датчиков уровня наполнения воронки.
В другом варианте реализации подают питательную воду.
Размещение корпуса испарителя под наклоном к горизонту позволяет оседающему расплаву осадка стекать к нижней точке корпуса, а наличие воронки, которая, как будет очевидно специалисту в данной области техники, выполняется на такой точке и позволяет удалять осадок в кратер вулкана. Обогрев воронки и/или нижней части корпуса включается для поддержания жидкой формы осадка в случае замедления или прекращения оттока расплава и роста давления газа внутри испарителя. Обогрев канала подачи воды, выполненный перед входом в корпус, служит также для расплавления осадка, образуемого в результате практически мгновенного закипания и испарения воды на входе в испаритель из-за высокой температуры. Включение/отключение обогрева может осуществляться в автоматическом режиме.
Стоит отметить, что образование осадка не исключает стандартная водоподготовка, аналогичная проводимой на ТЭЦ, и подача питательной воды, однако процесс следует осуществлять для минимизации коррозии, накипи, осадков и другого отрицательного влияния на оборудование.
Так изобретение позволяет повысить надежность и обеспечить стабильность парогенерации с помощью магмы вулкана. Испаритель не требует частого обслуживания, т.к. значительно снижена возможность нароста отложений.
Предлагаемое решение поясняется на фиг.1-3.
На фиг.1 представлено схематичное изображение испарителя.
На фиг.2 показан пример размещения испарителя в кратере вулкана.
На фиг.3а-3б показан пример выполнения испарителя.
Испаритель для получения пара с помощью магмы вулкана состоит из корпуса 1, канала подачи воды 2, канала отвода пара 3, воронки 4 для отвода осадка, размещаемой на нижней точке корпуса 1. Испаритель, опоры и все его элементы изготавливаются из тугоплавких материалов. Корпус 1 обычно представляет собой замкнутую полую емкость, выдерживающую без деформации значительные температурные нагрузки. Воронка, представляет собой конус с уменьшающимся диаметром сверху вниз. Нижняя часть корпуса 1 и воронка 4 выполнены с возможностью электрического подогрева, реализуемого в преимущественном варианте с помощью размещения обмотки токопроводящей проволоки под керамическим покрытием. Согласно проведенным расчетам, достаточно иметь возможность обогревать нижнюю часть, равную около 5-10% от всей поверхности корпуса для надежного отвода осадка к воронке 4 в случае его затвердевания.
Воронку 4 следует снабжать системой датчиков уровня наполнения, которые представляет собой расположенные вертикально друг напротив друга датчики измерения сопротивления между контактами, соответствующими одинаковому уровню – датчики тока. Для такого сопротивления можно использовать омметр. Расплав солей хорошо проводит ток, что позволяет точно измерять их уровень. Разрыв цепи происходит выше уровня солей, если ток есть – соли перекрыли этот уровень, и в зависимости от вязкости расплава изменяется величина сопротивления – чем выше вязкость, тем выше сопротивление. Это позволяет определить момент включения подогрева воронки 4.
Перфорированные пластины 5 выполняются внутри корпуса 1. Они предназначены для осаждения накипи – нерастворимых и тугоплавких солей, которые всегда будут в воде. Пластины 5 перфорированы для лучшего теплообмена. Расплавленные соли будут стекать к воронке 4 и удаляться.
Канал подачи воды 2 имеет электрический подогреватель, устанавливаемый преимущественно перед входом в испаритель и включаемый в случае возрастания давления воды, измеряемого до непосредственного канала подачи 2, и снижения скорости ее подачи из-за оседания осадка, возникающего в результате кипения воды на стыке с высокотемпературной средой испарителя. И после нагрева выходного конца трубы автоматически снимается нарост остывших солей, который под давлением воды соскакивает в испаритель, после чего скорость движения воды восстанавливается.
Размеры и количество испарителей, диаметры входной и выходной труб, размеры воронки стока расплава рассчитываются исходя из требуемого параметра – температура и давления пара на выходе с учетом температуры пространства над магмой (строение кальдеры, роза ветров, временные температурные перепады), дальности передачи пара и воды, температуры поступающей воды и т.д.
Обычно испаритель располагают на краю магматического озера вертикально, с таким расчетом, чтобы проекция испарителя на поверхность магмы была минимальна, поскольку это существенно снижает влияния «бомб». «Бомба» возникает в результате подъема из недр магмы больших газовых пузырей, которые, лопаясь при выходе в атмосферу, выбрасывают куски магмы с большой кинетической силой.
При высокой активности магмы и в противодействие быстрому оседанию брызг на испаритель, последний может быть оснащен дополнительными нагревателями, например, керамическими, которые позволяют разогревать остывающую магму на испарителе и обеспечивать ее стекание.
Управление, осмотр и обслуживание испарителя может осуществляться дистанционно. Следует предусмотреть систему подъема и замены испарителя, реализуемую через систему поворотных балок и направляющих опор, которые выносят испаритель в безопасную зону его профилактического осмотра или замены. От брызг и бомб отдельные узлы балок можно также закрывать одноразовыми удаляемыми крышками, устанавливаемые под углом к поверхности магмы.
Способ получения пара с помощью магмы вулкана реализуется путем подачи воды в по меньшей мере один указанный испаритель, корпус которого размещен под наклоном к горизонту, например, на опорах на твердой поверхности в кратере действующего вулкана непосредственно над магмой. Температура использования испарителя будет колебаться в зависимости от вулкана в диапазоне от 800°С до 1400°С.
3
Наклон корпуса испарителя осуществляется для того, чтобы расплав осадка плотностью около 1,7 т/м, образовывающийся при испарении воды, стекал вниз к воронке 4, из которой он будет слит на поверхность кратера. Из узкого выходного отверстия воронки 4 расплав свободно стекает наружу под действием двух сил: тяжести расплава и давления газа в испарителе.
Нагрев нижней части корпуса 1 и/или воронки 4 включается при плохом стоке осадка. Система датчиков позволяет контролировать его уровень и давление в воронке 4, что позволяет управлять сливом осадка в автоматическом режиме. Как было упомянуты выше, при необходимости нагревают и часть канала подачи воды 2 перед входом в испаритель.
Размещение нескольких испарителей, позволит увеличить количество производимого пара в единицу времени.
Возможно использование питательной воды, аналогичной той, что используют в парогенераторах ТЭЦ.
В конце отводят получаемый пар. Давление выходящих из испарителя газов регулируются объемом подаваемой в испаритель воды. Поскольку в испарителе повышенное давление (по сравнению с внешним), то регулировка выбросов накопленных солей осуществляется автоматически и путем подогрева воронки для обеспечения более быстрого сброса осадка. Для минимизации потребности воды и повышения ее качества, вода может циркулировать в замкнутом режиме по всей системе в случае установки паровой турбины для выработки электроэнергии.
Предлагаемое решение работает следующим образом.
Можно отметить два режима работы испарителя.
«Стандартный режим» осуществляется автоматически при очень простой системе внешнего управления. В момент включения системы и подачи воды в испаритель начинается процесс работы всей системы. Вода, поступившая в испаритель, превращается в пар и на дне накапливается расплав солей, который свободно стекает по воронке наружу. В начальный момент через воронку будет выходить и перегретый пар, пока испаритель не войдет в режим равновесия – скорость образование расплава солей должна быть равна скорости истечения расплава наружу.
Объем образования солей зависит от объема поступающей воды, что легко регулируется управляющей системой.
При падении давления пара понятно, что он вырывается наружу через воронку – скорость поступления расплава ниже скорости его истечения. Поэтому увеличивают поток воды, поступающей в испаритель, что автоматически увеличит объем образовывающихся солей.
При повышении объема накипи из тугоплавких солей, в том числе на пластинах, увеличивается вес испарителя, который легко контролируется, например, путем измерения напряжения изгиба опорной балки, и при превышении заданного веса (уровня напряжения) проводят профилактические работы по очистке испарителя.
«Адаптивный режим» осуществляется автоматически в условиях резких изменений внешних температурных условий: высокогорье (множество вулканов с озерами на высоте более 2 км, например, Вануату), снегопады и ветер (временно понижающие температуру над магмой на 100–200°С), что повлияет на работу испарителя – снизит температуру расплава осадка, что увеличит его вязкость и затруднит сток. Испаритель с «адаптивным режимом» имеет большие адаптивные возможности под изменяющиеся условия окружающей среды. Это обеспечивается за счет возможности подогрева воронки и нижней части испарителя, достаточно 5-10% от всей площади поверхности. По периметру воронки и в нижней части корпуса могут быть намотаны нагревающие провода, а воронка и нижняя часть испарителя могут иметь керамическое покрытие. Можно подавать ток отдельно на воронку и отдельно на нижнюю часть корпуса для нагрева стенок.
Давлением выходящего пара можно управлять аналогично «стандартному режиму» - путем увеличения потока воды, поддерживая равновесное состояние уровня расплава в воронке.
Так, в случае резкого падения температуры внешней среды в испарителе также снижается температура и, как следствие, снижается температура расплава солей, что увеличивает вязкость расплава и снижает его текучесть. Сток расплава из воронки снижается и система датчиков показывает увеличение уровня осадка в воронке, демонстрируя выход из равновесного состояния. Это является сигналом управляющей системе для включения обогрева воронки, что увеличит текучесть расплава и возрастет его сток. При прекращении внешнего воздействия все процедуры будут выполнены в обратной последовательности. Повысится температура расплава в испарителе, снизится его вязкость, возрастет сток расплава через воронку, снизится уровень расплава в воронке, и управляющая система отключит обогрев. Система вернется в равновесное состояние.
Испаритель «адаптивного режима» позволяет эффективно работать в существенно большем диапазоне температур внешней среды – высокогорье, холод, ветер, снегопад, понижение уровня магмы и температуры обогрева испарителя.
Оба варианта систем могут работать в полностью автоматическом режиме, легко монтируется, демонтируется и ремонтируется. В них нет движущихся частей и механизмов, они также могут работать с любой водой, в том числе и с морской, концентрация соли в которой составляет 3,5% (35 грамм на литр).
Также для обеспечения контроля уровня магмы с противоположной стороны кратера можно оборудовать канал для аварийного слива, отводящий избыточную магму на склон вулкана.
Таким образом, использование изобретения позволяет повысить надежность и обеспечить стабильность процесса генерации пара с помощью магмы вулкана.