RU187281U1

RU187281U1 - GEOTHERMAL TURBO INSTALLATION

Info

Publication number: RU187281U1
Application number: RU2018136609U
Authority: RU
Inventors: Григорий Валентинович Томаров; Андрей Анатольевич Шипков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Геотерм-М"
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Геотермальная турбоустановка относится к области энергомашиностроения и может быть использована для выработки электроэнергии на базе пароводяных геотермальных ресурсов. Геотермальная турбоустановка позволяет вырабатывать электрическую энергию путем утилизации тепла пароводяной геотермальной смеси и включает сепаратор, турбину и конденсатор, а также расширитель геотермального сепарата низкого давления, соединенный трубопроводом по пару с теплообменником для предварительного подогрева пара после расширителя перед его подачей в промежуточный ввод турбины. Турбоустановка 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. 2 ил.A geothermal turbine installation belongs to the field of power engineering and can be used to generate electricity based on steam-water geothermal resources. A geothermal turbine unit allows the generation of electric energy by utilizing the heat of a steam-water geothermal mixture and includes a separator, a turbine and a condenser, as well as an expander of a low pressure geothermal separator, coupled by a pipe to a heat exchanger to preheat the steam after the expander before it is fed to the turbine inlet. The turbine installation allows to increase the relative internal efficiency of the turbine and reduce the efficiency of the geothermal turbine installation as a whole, as well as to prevent drop-by-drop erosion of the blade apparatus of the nozzle and working gratings of the last stages of the steam turbine by reducing the humidity of the steam in the flow part. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области энергомашиностроения и может быть использована для выработки электроэнергии на базе пароводяных геотермальных ресурсов.The utility model relates to the field of power engineering and can be used to generate electricity based on steam-water geothermal resources.

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). Geothermal turbine units are known that contain special devices in the equipment that are designed to receive high-dry steam after the separator expander (at the entrance to the turbine) in order to protect the turbine components from damage and destruction (see, for example, US Pat. No. 4 905 473 according to CL F01K 27/00 for 1990 and Japanese patent No. 58-006283 according to CL F01K 21/00 for 1983).

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.The disadvantages of the well-known geothermal turbine units include the increased costs of repair and restoration measures associated with the formation of scaling and damage from drop-impact erosion of the blades of nozzle and working lattices of the last turbine stages.

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).Hybrid power plants are also known in which the increase in the efficiency of electricity production is achieved by overheating the geothermal coolant at the turbine inlet using the heat of biomass combustion, natural gas or the heat of solar radiation (see, for example, Italian patent No. 2004/111448 according to class F03G 7 / 04 for 2004, US patents No. 5,442,906 for CL F06C 6/00 for 1995 and No. 2010/0071366 for CL F03G 6/00 for 2010).

К недостаткам известных гибридных электростанций относятся повышенные затраты, связанные с необходимостью перегрева всего расхода геотермального пара, поступающего в турбину.The disadvantages of the known hybrid power plants include increased costs associated with the need to overheat the entire flow rate of geothermal steam entering the turbine.

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).Geothermal turbine units are also known, the equipment of which contains a separator, high and low pressure turbines, a condenser and an expander of a low pressure geothermal separator (see, for example, Japanese Patent No. 4,366,675 for CL F28B 7/00 for 1983).

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.The disadvantages of known geothermal turbine installations include increased costs for the design and manufacture of two turbines, as well as for repair and restoration measures associated with damage from drop impact erosion and scaling of nozzle vanes and working grids of the last turbine stages.

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).Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved effect is a steam turbine installation (see, for example, German patent No. 2012/041649 according to class F01K 7/16 for 2012).

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.The disadvantages of the described installation should include increased costs for the design and manufacture of two turbines, as well as increased costs associated with the need to heat the entire flow of geothermal steam entering the low pressure turbine.

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.The objective of the utility model is to eliminate the above disadvantages and increase the energy potential of the geothermal coolant (separated water vapor), in order to reduce damage and increase the efficiency of the geothermal turbine.

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.The problem is solved due to the fact that, in contrast to the well-known geothermal power plant containing a separator, turbine and condenser, according to the proposed utility model, the geothermal turbine installation contains an expander of the low-pressure geothermal separator, coupled by a pipe to a heat exchanger for preheating the steam after the expander before it is fed to intermediate turbine inlet.

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.The described implementation of the geothermal turbine unit allows reducing the relative internal efficiency of the turbine and decreasing the efficiency of the geothermal turbine unit as a whole, as well as helping to prevent drop-like erosion of the blade vanes of the nozzle and working gratings of the last stages of the steam turbine by reducing the humidity of the steam in the flow part.

Геотермальная турбоустановка работает следующим образом.Geothermal turbine works as follows.

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_т 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.The geothermal medium (steam-water mixture) from the productive well 1 (Fig. 1) enters the separator 2, where it is divided into geothermal steam and a separate. The steam is sent to the turbine 3, where it expands, performs mechanical work, and then enters the condenser 4, where it turns into liquid and is pumped into the re-injection well 5. The separator is sent to the expander 6, in which, at a pressure lower than in the separator, the liquid boils and turning the medium into a steam-water mixture. The separatum remaining after boiling in expander 6 is pumped into re-injection well 5, and the resulting low-pressure steam is sent to a heat exchanger, heater 7, where heat Q _t 8 is supplied to it, and then it is sent to turbine 3 where it expands and performs mechanical work. The place of the intermediate introduction of steam after the heater 7 into the turbine 3 is selected so that the pressure in the chamber corresponds to the pressure in the expander.

Схематично предлагаемая геотермальная турбоустановка представлена на чертеже фиг. 1.Schematically, the proposed geothermal turbine is presented in the drawing of FIG. one.

На фиг. 2 показано изменение параметров пара в h-s диаграмме при его расширении в геотермальной турбине 3 от давления P₀ на входе до давления P_к при неиспользовании пара после подогревателя 7 (процесс а1-а2-а2'), и при его использовании (процесс a1-a2-b1-b2). Подогрев пара низкого давления P₁ после расширителя 6 за счет подвода количества тепла 8 (процесс а1-b1) должен проводиться с таким расчетом, чтобы при расширении пара до давления P_к 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.In FIG. 2 shows the change in steam parameters in the hs diagram when it expands in a geothermal turbine 3 from inlet pressure P ₀ to pressure P _k when steam is not used after heater 7 (process a1-a2-a2 '), and when it is used (process a1-a2 -b1-b2). The heating of the low pressure steam P ₁ after the expander 6 by supplying the amount of heat 8 (process a1-b1) should be carried out in such a way that when the steam expands to the pressure P _k in the low-pressure part of the turbine, the phase transition zone is in the region of the last stage of the turbine 3 This should ensure the minimum value of the degree of humidity in the last turbine stage, that is, not more than 1.5-2.0% (degree of dryness not less than 0.98). Heated low-pressure steam in the heater 7 may be accompanied by pressure losses ΔP. From FIG. 2 it can be seen that superheating of the steam after the expander 6 can favorably affect the operation of the low-pressure compartment of the turbine 3, since this will reduce the humidity of the steam in its flow part.

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%.The presence of moisture in the steam affects the level of drift by sediments of the flow part of the turbines, as well as the intensity of drop-impact erosion of the blade apparatus of nozzle and working gratings of turbine stages. The formation of deposits in turn leads to a decrease in the flow cross sections of the turbine gratings and to an increase in the roughness of the flow surface, which ultimately leads to a decrease in operating efficiency and a decrease in turbine power. In addition, the concentration of corrosive impurities in microcracks on the metal surface under deposits under cyclic stresses contributes to the development of corrosion cracking of the metal and the destruction of turbine blades. Due to the formation of deposits in the flow part, the decrease in turbine power can reach 20%.

В части системы подвода тепла к подогревателю и преобразования механической энергии вращения ротора турбины в электрическую в электрогенераторе геотермальная установка работает аналогично прототипу.In terms of the system for supplying heat to the heater and converting the mechanical energy of rotation of the turbine rotor into electrical energy in a generator, the geothermal installation works similarly to the prototype.

Claims

A geothermal turbine installation that allows the generation of electric energy by utilizing the heat of a steam-water geothermal mixture, including a separator, a turbine and a condenser, characterized in that it contains an expander of a low pressure geothermal separator connected by a pipe with a heat exchanger for preheating the steam after the expander before it is fed to the turbine inlet .