Геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления, и модуль электростанции

 

Изобретение предназначено для использования в энергетике. Геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления, содержит первичный сепаратор для разделения текучей среды по двум каналам, а именно: один- содержащий пар высокого давления, а другой -жидкость высокого давления. Первичная паровая турбина в паровом канале высокого давления работает на паре высокого давления для производства электричества и получения обедненного теплом пара высокого давления. Вторичный сепаратор разделяет обедненный теплом пар высокого давления на паровую и жидкую составляющие. Первичный теплообменник получает жидкость высокого давления и паровую составляющую для передачи тепла паровой составляющей, тем самым получая пар низкого давления и охлажденную жидкость высокого давления. По крайней мере один модуль электростанции включает паровую турбину низкого давления, работающую на паре низкого давления для производства электричества и обедненного теплом пара низкого давления; конденсатор-испаритель, содержащий органическую жидкость, для приема обедненного теплом пара низкого давления и превращения его в конденсат и для испарения органической жидкости; турбину органического пара, работающую на испаренной органической жидкости, полученной в конденсаторе-испарителе, для вырабатывания электричества и получения обедненной теплом органической жидкости; конденсатор для конденсирования обедненного теплом органического пара в жидкость; подогреватель для подогревания жидкости; насос для возврата нагретой жидкости из подогревателя в конденсатор-испаритель и трубопровод для направления конденсата из конденсатора в подогреватель. Изобретение позволяет создать новую и улучшенную геотермальную электростанцию. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение касается геотермальной электростанции, работающей на геотермальной текучей среде высокого давления.

Многие геотермальные источники, обследуемые или эксплуатируемые в настоящее время, производят большие количества горячего рассола при умеренных давлениях, обычно, порядка 10,55 кг/см².

Однако, некоторые источники производят жидкие смеси из пара и рассола при более высоких давлениях, например, 56,25 кг/см². В последнем случае рассол обычно является очень коррозионным, создавая проблемы по его использованию и размещению. Недавно на Гавайях были пробурены геотермальные скважины, производящие текучую среду высокого давления, состоящую из 80% пара и 20% рассола. Пар обычно является только насыщенным и здесь возникает вопрос как долго смогут выдержать эти скважины давление 56,25 кг/см² при непрерывной эксплуатации в течение лет.

Учитывая такую неопределенность, обычно в поток из скважины устанавливали редукционный клапан, в результате чего могла использоваться система пара низкого давления в ожидании того, что высокое давление в конечном счете упадет. Однако, это является консервативной конструкцией и дорогостоящей из-за того, что в течение срока службы станции значительное количество потенциальной энергии будет потеряно.

Паровые турбины с противодавлением, приводящие в действие генератор, могут представлять собой альтернативный подход в том плане, что пар высокого давления из скважины может преобразовываться в пар низкого давления в турбине и подаваться параллельно на большое число модулей, способных работать на паре низкого давления. Каждый модуль может использовать турбогенератор пара низкого давления и конденсатор, который действует как испаритель для турбогенератора на органическом паре. Когда геотермальная жидкость вырабатывает только насыщенный пар высокого давления, то расширение пара в турбине происходит в области влажного пара на T-диаграмме производя отработавший пар, содержащий водяные капли и, поэтому, не пригодный для использования на входных ступенях паровых турбин низкого давления в различных модулях.

Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение новой и улучшенной геотермальной электростанции, способной работать на геотермальной текучей среде высокого давления без сопутствующих недостатков описанных выше известных конструкций.

В соответствии с настоящим изобретением геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде (жидкости) высокого давления, включает первичный сепаратор для разделения геотермальной текучей среды (жидкости) по двум каналам, один, содержащий пар высокого давления, а другой - содержащий жидкость высокого давления. Пар высокого давления расширяется в первичной турбине для выработки электричества и получения обедненного теплом отработавшего пара высокого давления, содержащего большое количество влаги. Обедненный теплом пар высокого давления подается на вторичный сепаратор, разделяющий отработавший пар на пар и жидкую составляющую. Жидкость высокого давления, полученная в первичном сепараторе, подается в первичный теплообменник, в который поступает пар из вторичного сепаратора для передачи тепла пару. Первичный теплообменник служит для сушки и, возможно, перегрева паровой составляющей, вырабатывая сухой насыщенный или возможно перегретый пар низкого давления, а охлажденная жидкость высокого давления удаляется.

Предусмотрен по крайней мере один модуль электростанции, включающий паровую турбину низкого давления, работающую на паре низкого давления для выработки электричества и обедненного теплом пара низкого давления, который подается на конденсатор-испаритель, содержащий органическую жидкость. В конденсаторе-испарителе обедненный теплом пар низкого давления конденсируется в конденсат, тогда как органическая жидкость испаряется. Испарившаяся органическая жидкость поступает на турбину органического пара, которая вырабатывает электричество и производит обедненный теплом органический пар. Конденсатор конденсирует обедненный теплом органический пар в жидкость, которая нагнетается обратно в конденсатор-испаритель через подогреватель. Конденсат из конденсатора органического пара направляется в подогреватель, где конденсат охлаждается и затем удаляется в отводную скважину.

Хотя жидкость высокого давления, полученная в первичном сепараторе, обычно является очень коррозионной и не пригодной для многих целей, однако, она может использоваться в первичном теплообменнике с целью высушивания и, возможно, перегрева паровой составляющей, полученной вторым сепаратором, для использования в паровых турбинах модулей. Кроме того, конденсат, полученный в конденсаторе-испарителе модуля, содержит значительное количество тепла, который вместо того, чтобы направляться прямо в отводную скважину, может использоваться для подогревания.

Когда используется большое число модулей, описанного типа, то пар низкого давления направляется параллельно к паровым турбинам каждого из модулей. В этом случае, конденсат из вторичного сепаратора, имеющий температуру, соответствующую выходной температуре паровой турбины высокого давления, также пригоден для целей подогревания и, следовательно, жидкая составляющая, полученная во втором сепараторе, направляется параллельно к каждому из подогревателей различных модулей.

Варианты настоящего изобретения показаны в качестве примера на прилагаемых чертежах, на которых: фиг. 1 - блок-схема геотермальной электростанции настоящего изобретения, предназначенная для работы с геотермальной текучей средой высокого давления; фиг. 2 - схематичное изображение соединительных средств, с помощью которых один генератор соединяется с выходом паровой и органического пара турбинами модуля, составляющего часть электростанции, показанной на фиг. 1; фиг. 3 - блок-схема другого варианта настоящего изобретения; фиг. 4 - блок-схема части другого варианта настоящего изобретения.

Как показано на чертежах, цифрой 10 обозначена геотермальная электростанция настоящего изобретения, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления. Геотермальная текучая среда подается из эксплуатационной скважины 12, которая обычно производит геотермальную текучую среду под давлением порядка 56,25 кг/см², при этом жидкость является смесью из порядка 80% насыщенного пара и 20% концентрированного рассола. Композитная текучая среда (жидкость), получаемая из скважины 12, подается в первичный сепаратор 14, где она разделяется по двум каналам, один - содержащий пар, обозначен цифрой 15, а другой канал, содержащий жидкость высокого давления, обозначен цифрой 16. Насыщенный пар высокого давления в канале 15 поступает в паровую турбину высокого давления 18, непосредственно соединенную с генератором 19, в результате чего расширение пара высокого давления в турбине 18 приводит в действие генератор 19, вырабатывающий электричество, поступающее в энергетическую систему (не показана).

Обедненный теплом пар высокого давления удаляется из турбины 18 в месте 20 и может подаваться во вторичный сепаратор 21 для разделения его на паровую составляющую и жидкую составляющую. В этом случае, паровая составляющая направляется параллельно к каждому из многочисленных модулей электростанции, обозначенных цифрами 27A, 27B и т.д. Или же, обедненный теплом пар высокого давления, выходящий из турбины 18 по линии 20, направляется по трубопроводу 22 в первичный теплообменник 23, в который подается также жидкость высокого давления по линии 16. Процесс теплообмена происходит в первичном теплообменнике 23, в котором жидкость высокого давления, находящаяся при температуре и давлении устья скважины, охлаждается и затем подается по трубопроводу 24 в отводную скважину 25. Тепло, содержащееся в жидкости высокого давления, передается паровой составляющей в линии 22, тем самым перегревая ее и производя сухой пар низкого давления, который подается по трубопроводу 26 параллельно к каждому из многочисленных модулей электростанции, обозначенным цифрами 27A, 27B и т.д.

Сухой насыщенный пар низкого давления или перегретый пар в линии 26 подается на входную ступень паровых турбин 30A, 30B и т.д. модулей электростанции 27A, 27B и т.д. Только два модуля показаны на фиг. 1, хотя в действительной практике предлагается использование десяти или более модулей. Для облегчения описания настоящего изобретения будут описаны подробности модуля 27A.

Пар низкого давления, поступающий на вход паровой турбины 30A, расширяется в ней, вырабатывая обедненный теплом пар низкого давления, так как энергии пара была преобразована в электричество в связи с тем, что турбина 30A соединена с генератором 32. Обедненный теплом пар низкого давления удаляется из турбины 30A и направляется в конденсатор-испаритель 34, где происходит конденсация обедненного теплом пара с получением конденсата в линии 35. Этот конденсат предпочтительно вместе с частью жидкой составляющей, полученной во втором сепараторе 21, направляется в подогреватель 37 модуля электростанции. После того, как конденсат и предпочтительно жидкая составляющая отдадут тепло в подогревателе, охлажденные жидкости объединяются и удаляются в отводную скважину 38.

Конденсатор-испаритель 34 содержит органическую жидкость предпочтительно, пентан или изопентан в зависимости от господствующих окружающих условий, которая испаряется путем конденсации пара низкого давления на одной стороне конденсатора. Испарившаяся органическая жидкость, полученная в конденсаторе-испарителе, направляется в турбину 40 органического пара, где происходит расширение, вырабатывающее обедненный теплом органический пар в линии 41, в то время как органическая турбина 40 приводит в действие генератор 32.

Конденсатор 42 принимает обедненный теплом органический пар, удаленный из турбины 40, а наличие охладителя в конденсаторе 42 конденсирует обедненный теплом органический пар в жидкость, которая с помощью насоса 43 подается обратно в конденсатор-испаритель через подогреватель 37, где органическая жидкость подогревается перед поступлением в конденсатор-испаритель 34. Охладитель для конденсатора 42 может быть воздух или жидкость, например, вода.

И наконец, обводная линия 31, взаимодействующая с паровой турбиной 30A в модуле 27A, служит для обеспечения вывода из работы паровой турбины с целью технического обслуживания, не оказывая при этом серьезного влияния на работу турбины 40 органического пара модуля.

На фиг. 1 показаны две отводные скважины, а именно, скважины 25 и 36. Однако, можно использовать одну отводную скважину и это, в частности, желательно, когда охлажденная жидкость в линии 24 электростанции является такой, что в процессе охлаждения может произойти осадкообразование. В таком случае, почти чистая вода, получаемая в подогревателях 37 модулей электростанции, может комбинироваться с охлажденной жидкостью в линии 24 с целью разбавления рассола и тем самым, предотвратить осадкообразование во время передачи охлажденной жидкости в отводную скважину.

Для обеспечения гибкости в работе геотермальной электростанции, показанной на фиг. 1, как для целей обслуживания, так и для обеспечения случайного уменьшения давления и температуры геотермального источника жидкости, производимого эксплуатационной скважиной 12, турбина 18 обходится обводной линией 50 с целью обеспечения подачи геотермальной жидкости из эксплуатационной скважины 12 прямо в сепараторы 52A, 52B модулей электростанции. Учитывая высокое давление в скважине 12, в линии 50 используется редукционный клапан 53. Таким образом, давление геотермальной жидкости, подаваемой в сепаратор 52A и в модуле 27A электростанции, согласуется с рабочим входным давлением для паровой турбины 30A модуля.

Когда линия 50 находится в работе, паровая турбина 18 может быть остановлена, и сепаратор 14 будет бездействовать. Следовательно, в линии 26 не будет пара низкого давления. Вместо этого, начинают работать сепараторы 52A и 52B, разделяющие геотермальную жидкость на два потока, очень похоже на работу первичного сепаратора 14 в сочетании с паровой турбиной 18. Таким образом, пар низкого давления подается из сепаратора 52A и паровую турбину 30A.

Главная часть каждого модуля работает, как описано выше, за исключением того, что обычно, только конденсат, полученный в конденсаторе-испарителе, имеется для подогревателя 37. Обычно рассоловая составляющая геотермальной жидкости в линии 50 является настолько концентрированной и коррозионной, что может оказаться непрактичным подавать ее в подогреватель. Однако, при соответствующих условиях рассоловая составляющая может подаваться в подогреватель, а конденсат, полученный в конденсаторе-испарителе, служит для разбавления концентрированного рассола для предотвращения осадкообразования в подогревателе.

Как отмечалось выше, преимуществом наличия обводной линии 50 в действительной установке является гибкость, которая обеспечивается в процессе обслуживания паровой турбины 18. Таким образом, эта турбина может выводиться из работы путем открытия обводной линии и давая возможность модулям электростанции продолжить работу и оставаться на линии. Поэтому, общая мощность, вырабатываемая электростанцией, уменьшается по причине отключения генератора 19, однако, электростанции по-прежнему способна вырабатывать значительное количество электроэнергии. Безусловно, модульная конструкция электростанции позволяет отключать каждый индивидуальный модуль 27A, 27B и т.д. в целях обслуживания, которое сопровождается только небольшим уменьшением мощности на выходе электростанции.

Предпочтительный вариант соединения генератора 32 с паровой турбиной 30A и органической турбиной 40 модуля показан на фиг. 2. Предпочтительная конструкция является такой, что дисковая муфта Фалька жестко прикреплена к выходному валу каждой из турбин 30A и 40, как обозначено цифрой 60. Аналогичного типа муфта используется на противоположных выходных валах генератора 32, как обозначено цифрой 61 на фиг. 2. Между этими муфтами установлен редуктор 63 (изготовленный Jufkin Company) для обеспечения работы генератора 32 на скорости, которая несколько ниже, чем скорость вращения турбин.

Модификация варианта на фиг. 1 показана на фиг. 3, где вместо паровой турбины открытого цикла с фиг. 1 используется замкнутого цикла паровая турбина высокого давления. В электростанции 60 на фиг. 3 геотермальная жидкость высокого давления из источниковой скважины 12A направляется в теплообменник 61, где теплообмен происходит с водой, в результате чего получается пар в линии 62, который направляется в паровую турбину 63, приводящую в действие генератор 64. Обедненный теплом пар, удаляемый из турбины 63, подается в конденсатор 65, где происходит конденсация, а конденсат возвращается в теплообменник 61 с помощью насоса (не показан). Конденсатор 65 может иметь водяное или воздушное охлаждение.

Геотермальная жидкость, выходящая из теплообменника 61, будет смесью из пара и рассола, но будет охлажденной по сравнению с рассолом из скважины 12A, но его давление будет большим. Это давление понижается в редукционном клапане 66 во многом аналогично тому, как работает редукционный клапан 53 на источнике рассола в варианте, показанном на фиг. 1. После понижения давления, жидкость может направляться в сепаратор 67, где паровая часть отделяется от жидкой части. Пар будет в основном насыщенным и направляется через трубопровод 68 к модулям 69A, 69B и т.д., которые аналогичны модулям 27A, 27B и т.д., описанным ранее.

Туманоуловители 70A, 70B и т.д. в модулях 69A, 69B и т.д. служат для отделения любой влаги в паре прежде, чем он поступит в паровые турбины модулей. Отработавший пар из паровых турбин модулей направляется в конденсатор-испаритель для испарения органической жидкости, которая подается в турбину органического пара, так и в ранее описанных модулях. Кроме того, конденсат пара из конденсатора-испарителя модулей, показанных на фиг. 3, используется в целях подогревания, как на фиг. 1. Или же, жидкость, покидающая редукционный клапан 66, может направляться прямо параллельно в сепараторы 72A и 72B.

Электростанция 60 снабжена также обводом турбины 63, аналогичным тому, что показан на фиг. 1. То есть, редукционный клапан 72 позволяет рассолу высокого давления выборочно обходить теплообменник 61 с целью подачи рассола из источниковой скважин 12A непосредственно в сепараторы 72A, 72B и т.д. модулей. Сепараторы разделяют поток в канал для пара и в канал для жидкости, затем паровой канал каждого модуля питает паровую турбину модуля.

Канал жидкости содержит рассол из скважины 12A, обладающим большим количеством тепла, который может смешиваться с конденсированным паром, полученным в конденсаторе-испарителе модулей, и подаваться в их подогреватель. Таким образом, когда турбины 63 или любой из взаимодействующих с ней компонентов отключается для периодического обслуживания, то обводной редукционный клапан 71 открывается, позволяя модулям оставаться на линии.

Другой вариант настоящего изобретения показан на фиг. 4 и является комбинацией вариантов, представленных на фиг. 1 и 3, в том плане, что используется паровая турбина высокого давления замкнутого цикла, как на фиг. 3 и, кроме того, используется еще одна паровая турбина, как на фиг. 1, вместо редукционного клапана (редуктора давления). Как показано на фиг. 4, вариант 80 включает теплообменник 81 высокого давления, в который рассол высокого давления поступает из скважины 12B. Тепло этого рассола обменивается с водой, производя пар, который направляется в паровую турбину 82 высокого давления, приводящую в действие генератор 83, вырабатывающий электричество. Обедненный теплом пар, полученный в турбине 82, подается в конденсатор 83, где происходит конденсация, и насос (не показан) возвращает конденсат в теплообменник 81.

Смесь охлажденного пара и рассола, выходящая из теплообменника 81, направляется в сепаратор 84, который разделяет смесь на паровую составляющую и жидкую составляющую. Паровая составляющая подается в паровую турбину 85, где расширяется, приводя в действие генератор, вырабатывающий электричество, и производя обедненный теплом пар, направляемый в теплообменник 86. Жидкая составляющая из сепаратора 84 также направляется в теплообменник 86, где происходит процесс теплообмена между жидкой составляющей и обедненным теплом паром из турбины 85. Результатом является высушивание и, возможно, перегревание этого пара, который образует сухой насыщенный пар низкого давления или перегретый пар, который подается к модулям, как показано на фиг. 1. Охлажденный рассол после теплообменника 86 удаляется, предпочтительно, через отводную скважину.

В этом варианте обедненный теплом пар, покидающий турбину 82, направляется в конденсатор 83. Если нужно, то обедненный теплом пар может также направляться в конденсатор-испаритель 34 с конденсатором пара, выходящим из конденсатора-испарителя, который направляется в подогреватель 37 и возвращается в теплообменник 81.

Преимущества и улучшенные результаты, достигаемые способом и установкой настоящего изобретения, являются очевидными из приведенного выше описания предпочтительного варианта настоящего изобретения. Различные изменения и модификации могут иметь место, не выходя за область и сущность изобретения, как определено его формулой.

Формула изобретения

1. Геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления, содержащая первичный сепаратор для разделения геотермальной текучей среды по двум каналам, одному, содержащему пар высокого давления, а другому - жидкость высокого давления, первичную паровую турбину в паровом канале высокого давления, работающую на паре высокого давления для выработки электроэнергии и получения обедненного теплом пара высокого давления, отличающаяся тем, что она содержит вторичный сепаратор для разделения обедненного теплом пара высокого давления на паровую и жидкую составляющие, первичный теплообменник, получающий жидкость высокого давления и паровую составляющую для передачи тепла паровой составляющей для получения пара низкого давления и охлажденной жидкости высокого давления, и по крайней мере один модуль электростанции, включающий паровую турбину низкого давления, получающую пар низкого давления для выработки электричества и обедненного теплом пара низкого давления, конденсатор-испаритель, содержащий органическую текучую среду для приема обедненного теплом пара низкого давления и превращения его в конденсат и для испарения органической текучей среды, турбину органического пара, работающую на испаренной органической текучей среде, полученной в конденсаторе-испарителе, для вырабатывания электричества и для получения обедненной теплом органической текучей среды, конденсатор для конденсирования обедненного теплом органического пара в жидкость, подогреватель для нагревания жидкости, насос для возврата нагретой жидкости из подогревателя в конденсатор-испаритель, средства для направления конденсата из конденсатора в подогреватель.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит средства для объединения жидкой составляющей, полученной во вторичном сепараторе, с конденсатом и подачи обоих в подогреватель.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что охлажденная жидкость высокого давления удаляется в отводную скважину.

4. Электростанция по п. 2, отличающаяся тем, что жидкая составляющая конденсата, выходящего из подогревателя, удаляется в отводную скважину.

5. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит большое число модульных электростанций, причем пар низкого давления подается параллельно к каждой паровой турбине низкого давления многочисленных модулей электростанции.

6. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что модуль включает сепаратор, а геотермальная электростанция - обводную линию, имеющую редуктор давления и отключения первичного сепаратора и паровой турбины для подачи геотермальной текучей среды высокого давления прямо в сепаратор модуля, который производит пар низкого давления и жидкость низкого давления, и средства для подачи пара низкого давления, полученного в модульном сепараторе, в паровую турбину низкого давления модуля.

7. Электростанция по п.6, отличающаяся тем, что жидкость низкого давления подается в подогреватель модуля.

8. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что каждый модуль включает один электрический генератор, установленный между паровой турбиной и турбиной органического пара, муфту для соединения одного электрического генератора с паровой турбиной и муфту для соединения одного электрического генератора с турбиной органического пара.

9. Модуль электростанции для геотермальной электростанции для преобразования энергии пара, содержащий паровую турбину, работающую на паре для вырабатывания электричества и обедненного теплом пара, конденсатор-испаритель, содержащий органическую текучую среду для конденсирования обедненного теплом пара в конденсат за счет передачи тепла органической текучей среды, тем самым испаряя ее, турбину органического пара, работающую на испаренной органической текучей среде, полученной в конденсаторе-испарителе, для производства электричества и получения обедненного теплом органического пара, конденсатор органического пара для приема органического пара и производства жидкой органической текучей среды, насос для возврата жидкой органической текучей среды в конденсатор-испаритель и подогреватель для подогревания жидкой органической текучей среды перед ее возвращением в конденсатор-испаритель, отличающийся тем, что конденсат в подогреватель подается из конденсатора-испарителя.

10. Модуль по п. 9, отличающийся тем, что включает один электрический генератор, установленный между паровой турбиной и турбиной органического пара, и соединительные средства для соединения выходов турбин с генератором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4