Модульный энергоблок геотермальной ТЭЦ
GEOTHERMAL POWER PLANT MODULAR POWER UNIT

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии, а также в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и других объектов за счет - в основном - теплового ресурса термальных источников.
Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде энергетических термальных вод с температурой 60-200°С в платформенных и предгорных районах. Запасы высокопотенциальных источников, доступные для экономически выгодного использования, оцениваются в 1000 МВт. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5 МВт.
Современные ГеоТЭС на парогидротермальных месторождениях комплектуются, конденсационными энергоблоками единичной мощности 20-100 МВт, давление на входе в турбину изменяется в пределах 5-8 бар.
В мировой геотермальной энергетике применяются технологические схемы с ГеоЭС прямого, бинарного и комбинированного циклов в зависимости от фазового состояния и температуры геотермального теплоносителя. Основной прирост в суммарной установленной мощности ГеоЭС в мире в последние годы осуществляется за счет развития бинарных геотермальных энерготехнологий. Удельная стоимость установленной мощности геотермальных энергоблоков существенно зависит от температуры геотермального теплоносителя и с ее увеличением резко снижается. (Статья "Геотермальная энергетика: технологии и оборудование", УДК 620.9-62-93, автор Г.В. Томаров, компания ООО Теотерм-М").
Однако, хотя в настоящее время в России разработаны оригинальные технологии и полный комплект оборудования, позволяющие строить ГеоТЭС на пароводяных месторождениях с высокими технико-экономическими показателями и надежностью, использование паротурбинных установок ограничивает возможности освоения этих ресурсов как температурным показателем - не ниже 100°С, так и сложностью (см., например, патент RU 7448 U1 МПК F01K 27/00, 1995 г.), высокой затратностью сооружения и обслуживания таких установок. Одно только наличие в геотермальном паре экологически и технически вредных солей и газов создает проблемы в подготовке пара необходимой кондиции для подачи его в турбину.
Но при всех возможностях использования паротурбинных установок термальные источники с температурой воды ниже 90°С остаются в энергетике бесперспективными, поскольку даже модульные энергоустановки на смесевом водоаммиачном рабочем теле могут эффективно работать в интервале температур энергетических термальных вод и пароводяной смеси от 90 до 220°С.
В последние годы разработан тепломеханический преобразователь (патент RU №2728009, МПК F03G 7/06 (2006/01), СПК F03G 7/06 (2020/02), 2020 г.). который может быть принят за прототип заявляемого устройства.
Изобретение относится к нетрадиционным преобразователям тепловой энергии в механическую работу. Оно может быть применено в приводах электрических агрегатов, насосно-компрессорного и другого оборудования промышленного, сельскохозяйственного и иного назначения с преимущественным использованием возобновляемых природных энергоресурсов, а также энергии теплосодержащих выбросов в окружающую среду.
Тепломеханический преобразователь оснащен единым теплочувствительным элементом (ТЧЭ), являющимся заодно приводным валом, выполненным в виде тонкостенной трубы из непластичного материала с высоким коэффициентом теплового расширения, контактирующей при своем рабочем изгибе с упорным роликом. При этом ТЧЭ расположен в общей оболочке с зонами нагрева и охлаждения с рекуперацией тепловой энергии.
При всех своих положительных свойствах этот преобразователь не рассчитан на использование тепловой энергии низкопотенциальных энергоносителей. И задачей при разработке заявляемого энергоблока было обеспечение возможности его применения на термальных источниках с температурой от 60°С при предельно упрощенной его конструкции.
И такая задача решена созданием конструкции модульного энергоблока с расположенным в зонах нагрева и охлаждения теплочувствительным элементом в виде тонкостенной трубы, являющейся заодно приводным валом, при этом - согласно изобретению - контур рабочих теплоносителей оснащен компрессорным агрегатом с рекуперацией теплоты охлаждаемого сегмента ТЧЭ для дополнительного нагрева рабочего водного потока и других нужд.
Описание заявляемого энергоблока поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан его общий вид (с продольном разрезом желобов), на фиг. 2 - поперечное сечение по А-А.
В основе конструкции энергоблока использован тепломеханический преобразователь, (см. фиг. 1), в котором тонкостенная труба 1, являющаяся одновременно и приводным валом с подшипниковыми узлами 2 по торцам, а также с мультипликатором 3 и электрогенератором 4. В средней части труба 1 усилена рабочей втулкой 5, контактирующей при температурном изгибе трубы с упорным роликом 6. Снизу к поверхности трубы 1 (см. фиг. 2) примыкает желоб 7, который соединен с каналом термального потока. Сверху имеется аналогичный желоб 8, образующий канал для охлаждающего воздушного потока.
Компрессорный агрегат, представленный в схематическом виде, состоит из компрессора 9, ресиверов 10, являющихся заодно и теплообменниками, а также дросселя 11.
1
Энергоблок запускается в работу подачей в нижний желоб 7 нагретого потока воды и включением компрессора 9. При этом из-за нагрева сегмента трубы 1 в желобе 7 при охлажденном противолежащем сегмете в желобе 8 труба 1 изгибается и давит втулкой 5 на ролик 6 с силой F. Тангенциальная ее составляющая F поврачивает трубу 1 в указанном стрелкой направлении, При этом в зонах нагрева и охлаждения оказываются новые сегменты, которые, изменяя свой продольный размер, восстанавливают первоначальное направление изгиба и давление на ролик 6 - поворот трубы продолжается, пока сохраняется достаточная разность температур в тепловых зонах. Повышение этой разности обеспечивается подогревом потока воды, подаваемой в желоб 7, в теплообменнике-ресивере 10 за счет резко повышенной при сжатии воздуха его температуры, а также резким ее спадом после теплообменников и - особенно - за дросселем 11 перед поступлением в зону охлаждения, из которой воздух, уже подогретый теплом охлаждаемого сегмента трубы 1, снова поступает в компрессор 9.
Вращение трубы 1, установленной в подшипниках 2, передается через мультипликатор 3 электрогенератору 4.
Простая конструкция модульного энергоблока при его высокой эффективности работы на низкопотенциальных термальных источниках позволит освоить этот вид альтернативной энергетики во многих регионах страны, в основном - ее предгорных территориях.