ТУРБИНА ДЛЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
TURBINE FOR GEOTHERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к установкам, использующим теплоту геотермальных источников в виде газопароводяной смеси с повышенным солесодержанием.
Наличие в геотермальной воде большого количества растворенных солей и газов ограничивает возможности широкого использования традиционных видов турбин на геотермальных электростанциях (ГеоТЭС). При выходе на поверхность Земли парциальное давление углекислого газа в воде уменьшается. При этом в растворе геотермальной воды возможно нарушение углекислотного равновесия с образованием твердой фазы карбоната кальция как в толще воды в виде взвешенных частиц, так и на поверхности оборудования в виде отложений. При использовании высокопотенциальных вод (температура воды свыше 100°С) эти процессы протекают с большой скоростью. В расширителях и дегазаторах ГеоТЭС возможны интенсивные отложения карбоната кальция. Для исключения этих отложений на лопатках самой турбины и на ее корпусе необходима высокая очистка геотермального теплоносителя от содержащихся в нем растворенных солей жесткости.
Известно, что для геотермального теплоносителя на любой скважине в эксплуатируемом оборудовании можно создавать такие условия, при которых в нем не образуются отложения карбоната кальция. Этого можно добиться путем охлаждения стенки оборудования до температуры, ниже которой при данном давлении из раствора геотермальной воды не выделяется твердая фаза карбоната кальция [1-5].
Однако, если стенку оборудования, в котором находится турбина, или стенку расширителя, дегазатора геотермальной воды можно защитить охлаждением ее до температуры, ниже которой не идут отложения [5], то турбину ГеоТЭС можно защитить только предварительной очисткой геотермального теплоносителя от растворенных в нем солей жесткости. В то же время, в расширителях и дегазаторах ГеоТЭС имеет место некоторое снижение механического и теплового потенциала геотермального теплоносителя (уменьшается давление и температура воды). Вследствие этого, а также из-за наличия затрат на очистку геотермального теплоносителя от растворенных в нем солей жесткости, в общем, снижается эффективность использования энергии геотермального источника.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности использования энергии геотермальных источников за счет исключения затрат на очистку геотермального теплоносителя от растворенных в нем солей жесткости, а также исключения потерь механического и некоторого теплового потенциала геотермальных вод.
Технический результат достигается тем, что в турбине для геотермальной электростанции, содержащей корпус на валу, рабочие лопатки и сопло для подачи рабочего тела, корпус, вал и рабочие лопатки выполнены полыми и сообщающимися между собой, при этом толщина стенок рабочих лопаток не превышает толщину стенки корпуса, а вершины лопаток имеют овальный профиль.
На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемой турбины для геотермальной электростанции, а на фиг.2 - вид фиг.1 по А-А.
Турбина для геотермальной электростанции состоит из полого корпуса 1, соединенного по обоим торцам с валом 2 в виде полой трубы, рабочих лопаток 3 в виде полых выступов на корпусе 1 с овальным профилем верхушек 4, сопла 5 для подачи геотермального теплоносителя на лопатки 3. При этом полости корпуса 1, вала 2 и рабочих лопаток 3 сообщаются между собой.
Турбина работает следующим образом.
Геотермальный теплоноситель 6 в виде газопароводяной смеси подается на рабочие лопатки 3 через сопло 5. Под действием сил давления струи газопароводяной смеси турбина приходит во вращение. Одновременно с одного торца турбины через вал 2 подается холодная вода 7 во внутрь корпуса 1. При этом холодная вода 7 заполняет корпус 1 турбины только на половину его емкости. Вода 7, проходя внутри корпуса 1, попадает в полость лопаток 3 турбины и выводится из корпуса 1 через противоположный торец турбины по валу 2.
Вращение турбины и заполнение емкости корпуса 1 только наполовину интенсифицирует процесс турбулизации потока воды внутри полости корпуса 1 и рабочих лопаток 3. Этому способствует также и периодическое перетекание холодной воды из корпуса 1 в полость лопаток 3 и обратно. В то же время, выполнение стенок рабочих лопаток 3 толщиной не более толщины стенки корпуса 1 уменьшает термическое сопротивление их стенок. В итоге все это приводит к охлаждению стенок корпуса 1 и рабочих лопаток 3 турбины со стороны геотермального теплоносителя до температуры, при которой отсутствует выделение из раствора геотермальной воды твердой фазы карбоната кальция [1, 2]. Дополнительным условием охлаждения стенок корпуса и лопаток является еще тот факт, что время контакта с ними холодной воды больше, чем время контакта газопароводяной смеси. Овальный профиль верхушек 4 со стенкой не более толщины стенки корпуса 1 позволяет равномерно охлаждать всю их поверхность.
Благодаря охлаждению стенок корпуса турбины и ее лопаток предлагаемое техническое решение позволяет непосредственно подавать геотермальный теплоноситель из скважины без промежуточного оборудования (дегазаторы, расширители), где возможна потеря некоторого энергетического потенциала (давление, температура). В то же время, после прохождения через турбину холодная вода может быть подана во вторичный контур теплообменника для дальнейшей утилизации тепла геотермального теплоносителя, подведенного в первичный контур того же теплообменника. А утилизация горючих газов из геотермального теплоносителя может быть осуществлена на любой стадии после прохождения им предлагаемой турбины.
Таким образом, благодаря выполнению в турбине корпуса, вала и рабочих лопаток полыми и сообщающимися между собой, а рабочих лопаток с овальной формой их вершин и со стенками толщиной не более толщины стенки корпуса турбины, удается повысить эффективность использования энергии геотермальных источников в виде газопароводяной смеси с повышенным солесодержанием.
Источники информации
1. Ахмедов Г.Я. Проблемы солеотложения при использовании геотермальных вод для горячего тепловодоснабжения // Промышленная энергетика.- №9.- 2009.
2. Ахмедов Г.Я. Защита геотермальных систем водоподготовки от карбонатных отложений // Энергосбережение и водоподготовка. - №6. - 2010.
3. Ахмедов Г.Я. Устройство для очистки жидкости. А.с. СССР №1583135. МКИ В01D 21/24, С02F 5/00. Заявл. 26.10.88., опубл.07.08.90. Бюл. №29.
4. Ахмедов Г.Я. Геотермальная установка. Патент №91384. МПК F03G 7//00. Заявл. 04.05.2008. опубл. 10.02.2010. Бюл. №4.
5. Ахмедов Г.Я. Геотермальное устройство. Патент №2406944. МПК F24J 3/08. Заявл. 06.04.2009., опубл. 20.12.2010. Бюл. №35.