ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ТУРБОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергомашиностроения и может быть использована для выработки электроэнергии на базе пароводяных геотермальных ресурсов.
Известны геотермальные турбоустановки, содержащие в составе оборудования специальные устройства, предназначенные для получения после сепаратора-расширителя (на входе в турбину) пара высокой степени сухости, с тем, чтобы защитить компоненты турбины от повреждений и разрушений (см., например, патент США № 4 905 473 по кл. F01K 27/00 за 1990 год и патент Японии № 58-006283 по кл. F01K 21/00 за 1983 год).
К недостаткам известных геотермальных турбоустановок следует отнести повышенные затраты на ремонтно-восстановительные мероприятия, связанные с образованием солеотложений и повреждаемостью от каплеударной эрозии лопаточных аппаратов сопловых и рабочих решеток турбинных последних ступеней.
Известны также гибридные электростанции, в которых повышение эффективности производства электроэнергии осуществляется за счет перегрева геотермального теплоносителя на входе в турбину с использованием тепла сжигания биомассы, природного газа или тепла солнечной радиации (см., например, патент Италии № 2004/111448 по кл. F03G 7/04 за 2004 год, патенты США № 5 442 906 по кл. F06C 6/00 за 1995 год и № 2010/0071366 по кл. F03G 6/00 за 2010 год).
К недостаткам известных гибридных электростанций относятся повышенные затраты, связанные с необходимостью перегрева всего расхода геотермального пара, поступающего в турбину.
Известны также геотермальные турбоустановки, в составе оборудования которых содержится сепаратор, турбины высокого и низкого давления, конденсатор и расширитель геотермального сепарата низкого давления (см., например, патент Японии № 4 366 675 по кл. F28B 7/00 за 1983 год).
К недостаткам известных геотермальных турбоустановок следует отнести повышенные затраты на проектирование и изготовление двух турбин, а также на ремонтно-восстановительные мероприятия, связанные с повреждаемостью от каплеударной эрозии и солеотложений лопаточных аппаратов сопловых и рабочих решеток последних ступеней турбин.
Наиболее близкой к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является схема турбоустановки с подогревом пара (см., например, патент Германии № 2012/041649 по кл. F01K 7/16 за 2012 год).
К недостаткам описанной установки следует отнести повышенные затраты на проектирование и изготовление двух турбин, а также повышенные затраты, связанные с необходимостью подогрева всего расхода геотермального пара, поступающего в турбину низкого давления.
Задачей полезной модели является устранение перечисленных недостатков и повышение энергетического потенциала геотермального теплоносителя (отсепарированного водяного пара), с целью снижения повреждаемости и увеличения эффективности работы геотермальной турбоустановки.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в отличие от известной геотермальной электростанции, содержащей сепаратор,турбину и конденсатор, по предложенной полезной модели геотермальная турбоустановка содержит расширитель геотермального сепарата низкого давления, соединенный по пару трубопроводом с теплообменником для предварительного подогрева пара после расширителя перед его подачей в промежуточный ввод турбины.
Описанное выполнение геотермальной турбоустановки позволяет за счет уменьшения влажности пара в проточной части повысить относительный внутренний КПД турбины и увеличить КПД геотермальной турбоустановки в целом, а также способствовать предупреждению каплеударной эрозии лопаточных аппаратов сопловой и рабочей решеток последних ступеней паровой турбины.
Геотермальная турбоустановка работает следующим образом.
т
Геотермальная среда (пароводяная смесь) из продуктивной скважины 1 (фиг. 1) поступает в сепаратор 2, где разделяется на геотермальный пар и сепарат. Пар направляется в турбину 3, где расширяется, совершает механическую работу, после чего поступает в конденсатор 4, где превращается в жидкость и закачивается в скважину реинжекции 5. Сепарат направляется в расширитель 6, в котором при давлении ниже, чем в сепараторе, происходит вскипание жидкости и превращение среды в пароводяную смесь. Оставшийся после вскипания в расширителе 6 сепарат закачивают в скважину реинжекции 5, а полученный пар низкого давления направляется в теплообменный аппарат, - подогреватель 7, где к нему подводится тепло Q 8, а затем направляется в турбину 3 где расширяется и совершает механическую работу. Место промежуточного ввода пара после подогревателя 7 в турбину 3 выбирается таким образом, чтобы давление в камере соответствовало давлению в расширителе.
Схематично предлагаемая геотермальная турбоустановка представлена на чертеже фиг. 1.
0
к
1
к
На фиг. 2 показано изменение параметров пара в h-s диаграмме при его расширении в геотермальной турбине 3 от давления P на входе до давления P при неиспользовании пара после подогревателя 7 (процесс а1-а2-а2'), и при его использовании (процесс a1-a2-b1-b2). Подогрев пара низкого давления P после расширителя 6 за счет подвода количества тепла 8 (процесс а1-b1) должен проводиться с таким расчетом, чтобы при расширении пара до давления P в части низкого давления турбины зона фазового перехода находилась в районе последней ступени турбины 3. Это должно обеспечить минимальное значение степени влажности в последней турбинной ступени, т. е. не более 1,5-2,0% (степень сухости не менее 0,98). Подогрев пара низкого давления в подогревателе 7 может сопровождаться потерями давления ΔP. Из фиг. 2 видно, что перегрев пара после расширителя 6 может благоприятно сказаться на работе отсека низкого давления турбины 3, поскольку это приведет уменьшению влажности пара в ее проточной части.
Наличие влаги в паре влияет на уровень заноса отложениями проточной части турбин, а также на интенсивность каплеударной эрозии лопаточных аппаратов сопловых и рабочих решеток турбинных ступеней. Образование отложений в свою очередь приводит к уменьшению проходных сечений турбинных решеток и росту шероховатости поверхности обтекания, что в конечном счете становится причиной снижения эффективности работы и уменьшения мощности турбины. Кроме того, концентрирование коррозионно-агрессивных примесей в микротрещинах на поверхности металла под отложениями в условиях циклических напряжений способствует развитию коррозионного растрескивания металла и разрушению рабочих лопаток турбин. Вследствие образования отложений в проточной части снижение мощности турбины может достигать 20%.
В части системы подвода тепла к подогревателю и преобразования механической энергии вращения ротора турбины в электрическую в электрогенераторе геотермальная установка работает аналогично прототипу.