Модификации технологических схем комплексной переработки геотермальных флюидов

УДК 547

МОДИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ФЛЮИДОВ

А.Р. Ляндзберг, А.С.Латкин

Представлены существующие технологические схемы комплексной переработки геотермальных флюидов. Предложены технические решения по их модернизации как общего порядка, так и принципиальные. Рассмотрено функционирование модернизированной схемы с использованием вихревого конденсатора-сепаратора.

The existing technological schemes of geothermal fluids complex process are presented there.

The technical general and principle decisions of their improvement are offered. The functioning of the improve scheme with vortex condensation separator is shown.

Традиционная промышленная разработка геотермальных месторождений ведется с целью добычи природного теплоносителя, пригодного для выработки тепловой и электрической энергии. Извлечение тепловых ресурсов геотермальных флюидов тесно связано с утилизацией минеральных, которая в настоящее время является технически и экономически необходимой [1, 2, 4]. Однако традиционные химические и сорбционные методы извлечения химических соединений из парогазовых смесей с давлением до 40 атм и температурой более 300°С (нормальные характеристики высокотемпературных флюидов) без полного предварительного охлаждения нереализуемы даже в лабораторных условиях [1]. С учетом высокой минерализации флюидов (иногда более 30 г/л) и их высокого удельного расхода химические и сорбционные методы извлечения становятся неприменимыми. Практически единственным методом, позволяющим выделить содержащиеся во флюиде химические компоненты, является конденсация парового потока. При полной конденсации концентрация химических соединений в полученном растворе останется неизменной по сравнению с исходным потоком, т. е. потребуется его дальнейшее обогащение. Поэтому на основании анализа существующих методов обработки высокотемпературных парогазовых потоков в качестве оптимального метода переработки высокотемпературных геотермальных флюидов А.С.Латкиным [4] была предложена частичная конденсация, при реализации которой достигается комплексный эффект:

- получается конденсат химических соединений высокой концентрации, пригодный для дальнейшей утилизации;

- сохраняется высокое теплосодержание остаточного пара, что позволяет эффективно использовать его для получения электроэнергии;

- остаточный пар очищается от примесей, следовательно, вызывает существенно меньшую коррозию теплотехнического оборудования;

- сбрасываемый из системы отработанный конденсат, очищенный от примесей, вызывает заметно меньшие загрязнения окружающей среды или коррозию систем утилизации.

А.С.Латкиным предложены технологические схемы комплексной утилизации ресурсов геотермального флюида [4], представленные на рис. 1. Принцип работы схем следующий: геотермальный флюид из системы скважин (1) по трубопроводу (2) поступает в первичный теплообменник (3), где охлаждается до температуры, соответствующей началу туманообразования при данном давлении. Капли тумана обладают высокой сорбционной активностью по отношению к пару и хорошо развитой поверхности, поэтому в них происходит накапливание химических соединений. Затем парогазовый поток проходит реактор формирования состава (4) и поступает в сепаратор (5), где разделяется на жидкий концентрат, выводящийся по линии (12), и очищенную парогазовую смесь. Далее процесс различается для разных технологических схем:

- при использовании промежуточного теплоносителя (легкокипящей жидкости типа аммиака, фреона, пропана) очищенная смесь поступает в теплообменник (8), где нагревает теплоноситель, а сама окончательно конденсируется и выводится из системы по линии (13). Промежуточный теплоноситель циркулирует в схеме по замкнутому циклу: последовательно выкипает

и перегревается в теплообменниках (8) и (3), далее отдает энергию турбине (6) с электрогенератором (7), конденсируется в конденсаторе (10) и насосом (9) вновь подается в систему;

- при использовании охлаждающей воды очищенная смесь поступает в теплообменник

уже в качестве охлаждающего агента, перегревается и подается на турбину (6) для получения электроэнергии. Далее она конденсируется в конденсаторе (10) и подается насосом (9) в систему, где разделяется на два потока: часть по замкнутому циклу проходит теплообменник (8), кипит, подмешивается в пар из сепаратора и снова подается в турбину, а часть выводится из системы через регулировочные клапаны (14), вливаясь в линию (13).

Полученный в сепараторе (5) конденсат в виде раствора кислот и солей направляется на переработку. Наличие реактора (4) необходимо, если в геотермальном паре находятся соединения, плохо растворяющиеся в жидкости. Тогда физико-химическими методами они переводятся в растворимую форму или дисперсную взвесь и далее улавливаются в сепараторе (5) в составе конденсата.

Рис. 1. Технологические схемы комплексной переработки геотермальных флюидов [4]

(а - с промежуточным теплоносителем; б - с охлаждающей водой): 1 - скважина; 2 - трубопровод;

3 - первичный теплообменник; 4 - реактор формирования состава; 5 - сепаратор; 6 - турбина;

7 - электрогенератор; 8 - теплообменник; 9 - насос; 10 - конденсатор; 11 - вывод отработанного пара в конденсатор; 12 - вывод конденсата; 13 - горячая вода на утилизацию;

14 - регулировочные клапаны

Рассмотрим возможности модернизации технологических схем, представленных на рис. 1.

1. Определим тип вещества, пригодного для использования в качестве промежуточного теплоносителя, на схеме (рис. 1а). Основные требования к нему: высокая нормальная температура кипения (чтобы диапазон рабочих давлений лежал в пределах десятков атмосфер), высокая критическая температура (более 300°С, исходя из температурных особенностей геотермального флюида как обрабатываемой среды), низкая коррозионная активность, малая критичность к утечкам, дешевизна и неядовитость. Если под некритичностью к утечкам понимать не малую текучесть (эквивалентную высокой вязкости), поскольку при этом резко вырастет расход энергии на привод насосов, а распространенность в природе, то два последних требования смыкаются. Данным требованиям отвечает такое широко распространенное, дешевое и химически безопасное вещество, как вода. Но в этом случае схема на рис. 1а обращается в схему на рис. 1б, которая, будучи одновременно технически более простой, таким образом является оптимальной из предложенных схем для проведения процесса комплексной утилизации геотермального флюида.

2. В схеме с охлаждающей водой (рис. 1б) рассмотрим движение потока по линии насос (9) -теплообменник (8) - смешение - теплообменник (3). При этом он дважды последовательно нагревается от поступающего из скважины потока парожидкостной смеси (ПЖС), который, в свою очередь, дважды последовательно охлаждается. Поэтому имеет смысл объединить теплообменники (3) и (8) в один аппарат. Тогда поток из насоса (9) будет сразу поступать на смешение с потоком из сепаратора (5) и полученная смесь будет направляться в теплообменник (3). С термодинамической точки зрения обе схемы реализуют теплопередачу между потоками вещества в контуре, выделенном на рис. 1 б тонкой линией, и совершенно эквивалентны при равенстве параметров (энтальпий и расходов) поступающих и выходящих из замкнутого контура потоков. Для технической же реализации оптимальна более простая в монтаже и эксплуатации схема с одним теплообменником.

3. В любой из схем необходим дросселирующий вентиль для понижения возможных критических значений давления в устье скважины, угрожающих целостности оборудования. Он должен быть установлен во всех аппаратах системы и может представлять собой, например, барорегулирующий вентиль (БРВ) с регулировкой «после себя», поддерживающий в магистрали после себя заданное постоянное давление. При этом неизбежны потери в силу проявления дроссель-эффекта, поскольку температура инверсии воды (температура, выше которой газ в процессе дросселирования нагревается, ниже - охлаждается) определяется так:

ТиНв = 6,75Ткр = 6,75-374,12 = 2525,31°С,

т. е. при дросселировании реального потока геотермального флюида его температура неизбежно снизится. Поэтому дроссель должен быть настроен так, чтобы снимать только опасные пиковые значения давления и не влиять (т. е. полностью открываться) на работу установки в нормальном режиме.

Также необходима установка предохранительного клапана после БРВ для предотвращения прорыва в систему флюида с аварийно высокими значениями давления на случай отказа или поломки дросселя.

4. Следующая особенность эксплуатации схемы (рис. 1б) связана с характеристиками турбины. Для турбин на водяном паре наиболее простым и дешевым способом существенно повысить КПД является понижение давления в конденсаторе. Уже при охлаждении водой с температурой 20-30°С температура конденсации равна 30-40°С и давление конденсации составляет 0,04-0,07 атм; при этом получается заметное дополнительное количество электроэнергии. Это выгоднее, чем конденсировать пар при атмосферном давлении (и следовательно, при температуре около 100°С) и получать на выходе из конденсатора кипящую воду для теплоснабжения. Поэтому конденсация при температуре 30-40°С является основным рабочим режимом при эксплуатации турбин на водяном паре. Если он будет реализован и в схеме (рис. 1б), что не представляет технологических трудностей, то выходящая из конденсатора вода (имеется в виду сконденсированный турбинный пар, а не поток охлаждающей воды) будет иметь температуру менее 40°С и давление менее

0,07 атм. Часть ее, уходящую по линии (13), нет необходимости нагнетать до давления пара, идущего в турбину. Поэтому на выходе из конденсатора (10) предлагается поставить два насоса: один нагнетает воду до давления 1,5-2 атм (давление в сетях водоснабжения), после которого часть воды уходит на утилизацию; второй дожимает оставшийся поток до давления пара. Кроме того, воду перед подачей в насос необходимо переохлаждать от точки насыщения, поскольку нагнетание происходит адиабатно и насыщенная жидкость в насосе закипала бы. Поэтому необходим дополнительный теплообменник перед насосом верхней ступени (переохлаждение воды перед насосом первой ступени может происходить и в конденсаторе). При этом усложняется монтаж и эксплуатация схемы, однако появляется заметный энергетический выигрыш за счет двухступенчатого нагнетания, позволяющего не тратить энергию на перекачку уходящего из системы потока (13).

Модифицированная с учетом вышеизложенных дополнений схема обработки геотермального теплоносителя и цикл ее работы в і-р диаграмме представлены на рис. 2б. Принцип работы схемы: геотермальный флюид из скважины (состояние 0) дросселируется в БРВ (процесс 0-1) и охлаждается в теплообменнике ТО (процесс 1-2), частично конденсируясь и одновременно насыщая капли конденсата химическими соединениями. Затем парогазовый поток проходит реактор формирования состава (Р) и поступает в циклонный сепаратор (С), где разделяется на жидкий концентрат, выводящийся по линии Л1, и насыщенный пар в состоянии 3 (процесс 2-3). Далее к потоку подмешивается часть оборотной воды, вследствие чего его влажность падает до состояния точки 4 (процесс 3-4), и пароводяная смесь поступает в теплообменник ТО уже в качестве охлаждающего агента. Там она перегревается (процесс 4-5) и подается на турбину (Т) для получения электроэнергии. В турбине пар детандируется (расширяется) по близкой к адиабате линии 5-6, после чего конденсируется, переохлаждается в конденсаторе КД (процесс 6-7) и нагнетается насосом первой ступени (Н1) до давления в 1,5-2 атм (процесс 7-8). Часть потока выводится из системы по линии Л2, а часть дополнительно охлаждается в охладителе О (процесс 8-9), нагнетается насосом второй ступени (процесс 9-10) и поступает на смешение с основным потоком (процесс 10-4).

Рис. 2. Модифицированная схема комплексной переработки геотермальных флюидов (а) и цикл их обработки в \-р диаграмме (б) (цифрами отмечены характерные точки состояния): а - СК - скважина; БРВ - барорегулирующий вентиль «после себя»; ПК - предохранительный клапан; ТО - теплообменник; Р - реактор формирования состава; С - сепаратор; Т - турбина;

ЭГ - электрогенератор; КД - конденсатор пара; Н9 - насос первой ступени; О - охладитель воды;

Н2 - насос второй ступени; Л1 - линия вывода конденсата; Л2 - горячая вода на утилизацию;

б - описание процесса см. в тексте

Теперь рассмотрим возможности принципиального улучшения технологической схемы, представленной на рис. 2, в частности технологические особенности процесса конденсации. В работе [4] проведен анализ влияния конструктивно-режимных факторов на эффективность конденсации, выполненный по обобщенным литературным данным. Согласно ему основные факторы, влияющие на эффективность тепло- и массопередачи при конденсации, это:

- наличие в парогазовой смеси дополнительных неконденсирующихся компонентов, что снижает кинетические коэффициенты массопередачи;

- наличие полупроницаемой граничной поверхности, что повышает теплоотдачу и соответственно улучшает конденсацию;

- наличие завихрителя потока, также повышающего теплоотдачу.

Заметим, что в последнем случае эффект увеличения теплоотдачи возникает благодаря двум причинам: закрутке потока и функционированию завихрителя как дополнительной теплообменной поверхности. Последний фактор аналогичен методу улучшения конденсации за счет увеличения удельной поверхности, традиционно реализуемому путем оребрения. Кроме названных, эффективность конденсации может увеличивать вибрация теплообменника, улучшающая сток конденсата и в некоторых случаях даже инициирующая возникновение капельного режима по сравнению с пленочной конденсацией на той же поверхности при ее неподвижности.

В качестве аппарата, комплексно реализующего все названные преимущества, А. С. Латкиным [4] предложен вихревой аппарат со взаимодействующими закрученными потоками (ВЗП), а А.Р. Ляндзбергом [5] экспериментально подтверждена его высокая эффективность при ведении процесса конденсации пара, в том числе частичной. Поэтому в качестве принципиального усовершенствования схем (рис. 1 и 2) нами предлагается заменить теплообменник и сепаратор одним вихревым конденсационным аппаратом ВЗП, где будет одновременно происходить сбив перегрева, частичная конденсация, абсорбционное обогащение капель конденсата химическими веществами из потока пара, их сепарация и теплообмен поступающего потока с той своей частью, которая после сепарации идет на турбину. По сравнению с зарубежным аналогом [6], где отдельно реализуются процессы отделения неконденсирующихся газов и рециркуляции тепла от геотермального флюида к вторичному контуру оборотной воды, данная схема позволяет существенно уменьшить число необходимых аппаратов и трубопроводов, соответственно упростив и удешевив оборудование геотермальной станции.

Далее рассмотрим технологическую методику охлаждения конденсатора КД (рис. 2а). Традиционным для тепловых машин является отвод теплоты в окружающую среду. Однако охлаждение конденсатора КД с помощью окружающего воздуха не может быть реализовано из-за

годовой неравномерности его температур [3], что привело бы к нестабильности работы турбины (или потребовало бы создания сложных схем автоматического контроля-управления процессом охлаждения, что экономически невыгодно). Предполагается, что в условиях Камчатки внешней охлаждающей средой, имеющей температуру до 20°С, могла бы быть вода близтекущих рек и ручьев, т. к. большинство горных рек полуострова имеют среднегодовую температуру ниже 10°С. Даже для Авачи, одной из крупнейших рек полуострова, наибольшая среднемесячная температура составляет только 12°С в июле-августе [3]. Однако при проточном охлаждении нет гарантии, что расхода воды в окружающих геотермальное месторождение реках (ручьях) хватит для отвода всего необходимого тепла, поскольку допустимое тепловое загрязнение природных вод строго лимитировано. Метод сильного нагрева воды с последующей утилизацией также не годится, поскольку, как уже указывалось выше, после конденсатора охлаждающая вода не должна нагреваться более 40°С, а в этом случае конденсаторная вода представляет собой источник малоценного низкопотенциального тепла, годный для использования только в качестве горячего водоснабжения. Использование оборотной системы водяного охлаждения малоэффективно из-за высокой влажности воздуха, причем опыт эксплуатации охлаждающей градирни на Мутновской ГеоЭС показал, что она при этом еще и подвержена годовому перепаду температур (хотя в меньшей степени, чем система воздушного охлаждения) и сильному обмерзанию в зимний период.

В качестве решения данной проблемы предлагается охлаждать конденсатор пара не водой, а холодильной машиной (ХМ), работающей по циклу теплового насоса. Ее компрессор может отбирать мощность прямо с вала турбины. При этом холодильной машиной будет вырабатываться высокопотенциальное тепло, которым можно, например, обогревать циркулирующую в замкнутом цикле воду для системы отопления: в отдельных (прибрежных) районах Камчатской области среднемесячная температура даже в июне может находиться на уровне ниже 10°С, а максимальная

- в августе - не поднимается выше 17°С [3], поэтому отопление необходимо 10-12 месяцев в году. В центральных же районах области, где среднелетние температуры выше, тепло в этот период может использоваться, например, на рыбозаводах при разведении молоди лосося.

Далее заметим, что выходящая из сепаратора по линии Л1 жидкость (конденсат, являющийся одновременно концентратом химических соединений) имеет давление, равное рабочему давлению турбины, т. е. до нескольких десятков атмосфер. Утилизовать же ее можно при давлении от атмосферного до 2-3 атм (при подаче в трубопровод для перекачки). Поэтому необходимо понижать давление жидкости, что технически просто может быть реализовано с помощью дросселирования через вентиль. Однако жидкость на выходе из сепаратора имеет температуру насыщения, т. е. немедленное дросселирование приведет к ее вскипанию. Таким образом, необходимо охлаждение выходящего из сепаратора концентрата до значений температур, позволяющих избежать вскипания при дальнейшем дросселировании. Однако «естественное» охлаждение жидкости-концентрата означает потерю его тепла. Поэтому с целью утилизации тепла предлагается охлаждать концентрат уже включенной нами в схему холодильной машиной.

Схема обработки геотермального теплоносителя, измененная и дополненная с учетом вышеизложенных соображений, и цикл ее работы в ьр диаграмме представлены на рис. 3. Принцип работы схемы аналогичен работе схемы на рис. 2а, однако процессы охлаждения потока пара, частичной конденсации, обогащения капель конденсата химическими веществами, их сепарации и теплообмена остаточного пара с оборотным потоком происходят в одном аппарате -ВКС, что отражается на диаграмме состояния вещества как процесс 1-2 (для основного потока пара), 3-4 (для оборотного) и 1-2 (для сепарируемого конденсата).

Рис. З. Схема утилизации геотермальных флюидов с использованием вихревого конденсатора-сепаратора (a) и цикл их обработки в i-p диаграмме (b) (цифрами отмечены характерные точки состояния вещества): а: СК- скважина; БРВ - барорегулирующий вентиль "после себя";

ПК - предохранительный клапан; ВКС - вихревой конденсатор-сепаратор; Т - турбина;

ЭГ- электрогенератор; КД/И - конденсатор пара, он же испаритель холодильной машины;

Н1 - насос первой ступени; ОВ - охладитель воды, он же перегреватель пара холодильной машины;

Н2 - насос второй ступени; ОК - охладитель конденсата, он же второй перегреватель пара холодильной машины; КМ - компрессор холодильной машины; КД - конденсатор холодильной машины; РВ - регулирующий вентиль холодильной машины; Л1 - линия вывода обогащенного конденсата; Л2 - горячая вода на утилизацию; ЛЗ - часть оборотной системы отопления;

б - описание процесса см. в тексте

Особенность работы схемы состоит в том, что обработка потока геотермального флюида происходит в качестве единого комплексного процесса в вихревом конденсаторе-сепараторе, поэтому нет возможности использовать реактор формирования состава, т. е. подобной обработке не могут подвергаться флюиды, содержащие плохо растворяющиеся в жидкости соединения. Однако большинство ценных компонентов геотермальных флюидов - это хорошо растворимые в воде ионы [1]. Таким образом, нами предложена новая технологическая схема комплексной переработки геотермальных флюидов, позволяющая комплексно использовать их энергетические и химические ресурсы.

Литература

1. Основы комплексного использования ресурсов высокотемпературных геотермальных теплоносителей / Т.П. Белова, А.С. Латкин, Ю.П. Трухин. - Владивосток: Дальнаука, 2002. - 244 с.

2. Дядькин Ю.Д. Извлечение и использование тепла Земли: Докл. на научном симпозиуме «Неделя горняка - 2001», Москва, 29 января - 2 февраля 2001 г. // Горн. инф.-анал. бюл. - МГУ, 2001. - № 9. - С. 228-241.

3. Кондратюк В.И. Климат Камчатки. - М.: Гидрометеоиздат, 1974. - 274 с.

4. Латкин А.С. Научные и технологические основы повышения эффективности переработки дисперсного минерального сырья на базе вихревых аппаратов. Дис. ... д-ра техн. наук. -Хабаровск, 1994. - З87 с.

5. Ляндзберг А.Р. Разработка рациональной технологии комплексного извлечения полезных компонентов при переработке высокотемпературных геотермальных флюидов. Дис. ... канд. техн. наук. - Чита: ЧитГТУ, 2002. - 178 с.

6. Bonham E.A. Geothermal plant noncondensable gas removal and heat recovery system and method. - Magna Power Co. - N. 2171б2.: Пат. 49З0З1б США, МКИ-5 F03 б7/00.

15б