Изобретение относится к области геотермальной энергетики и может быть использовано для получения электроэнергии путем утилизации тепловой и сопутствующих видов энергий из геотермальных ресурсов и извлечения из них растворенных химических компонентов.The invention relates to the field of geothermal energy and can be used to generate electricity by utilizing thermal and related types of energy from geothermal resources and extracting dissolved chemical components from them.
Запасы большинства геотермальных месторождений имеют низкие и средние температуры и это не позволяет обеспечить их конкурентоспособность с традиционными энергоносителями. Скважины эксплуатируются на различные теплоэнергетические нужды в прерывистом режиме только в холодное время года, а с весны до осени скважины простаивают из-за снижения или отсутствия потребности в тепловой энергии. Эффективное освоение геотермальных ресурсов обеспечивается при постоянной эксплуатации геотермальных скважин с дебитами, близкими к эксплуатационным запасам, чего можно достичь при преобразовании тепловой энергии термальных вод в электроэнергию. Подавляющая часть выявленных геотермальных ресурсов имеет температуру 100-130°С и минерализацию 30-100 г/дм3. Эффективное освоение таких ресурсов возможно при их комплексной утилизации.The reserves of most geothermal deposits have low and medium temperatures and this does not allow them to be competitive with traditional energy sources. Wells are operated for various heat and power needs in intermittent mode only in the cold season, and from spring to autumn, wells are idle due to a decrease or absence of heat demand. Efficient development of geothermal resources is ensured by the continuous operation of geothermal wells with flow rates close to operational reserves, which can be achieved by converting thermal energy from thermal waters into electricity. The vast majority of identified geothermal resources has a temperature of 100-130 ° C and a salinity of 30-100 g / dm 3 . Effective development of such resources is possible with their comprehensive utilization.
Известен способ утилизации энергии геотермальных вод (Патент RU №2596293 С2, Бюл. №25, 2016).A known method of utilizing the energy of geothermal waters (Patent RU No. 2596293 C2, Bull. No. 25, 2016).
При таком способе происходит утилизация тепловой энергии, избыточной потенциальной энергии и химической энергии растворенных газов. Утилизация тепловой энергии геотермальных вод происходит путем ее передачи через промежуточные теплообменники для нагрева низкокипящего рабочего агента, циркулирующего в контуре ГеоЭС. Утилизация химической энергии растворенных газов происходит посредством использования сепаратора и газгольдера с последующим их сжиганием в камере сгорания газотурбинной электростанции, выхлопные газы которой используются для испарения и перегрева рабочего агента в контуре ГеоЭС. В камеру сгорания газотурбинной электростанции подводится также газ из магистрального газопровода. Утилизация избыточной потенциальной энергии осуществляется с использованием детандера и компрессора на одном валу.With this method, the utilization of thermal energy, excess potential energy and chemical energy of dissolved gases occurs. Utilization of the thermal energy of geothermal water occurs by transferring it through intermediate heat exchangers to heat a low-boiling working agent circulating in the GeoPP circuit. The utilization of the chemical energy of the dissolved gases occurs through the use of a separator and a gas holder, followed by their burning in the combustion chamber of a gas turbine power plant, the exhaust gases of which are used to evaporate and overheat the working agent in the GeoPP circuit. Gas is also supplied to the combustion chamber of the gas turbine power station from the main gas pipeline. Utilization of excess potential energy is carried out using an expander and compressor on the same shaft.
Недостатком такого способа является сброс на поверхности или обратная закачка в материнский пласт отработанных минерализованных термальных вод, что приводит к ухудшению экологических и экономических показателей эксплуатации геотермального месторождения.The disadvantage of this method is the discharge on the surface or re-injection into the parent layer of waste mineralized thermal water, which leads to a deterioration of the environmental and economic performance of the geothermal field.
Целью настоящего изобретения является комплексная утилизация всех видов энергий геотермальных ресурсов и растворенных химических компонентов, что позволит резко улучшить экономические показатели и полностью решить экологические проблемы освоения геотермальных месторождений.The aim of the present invention is the comprehensive utilization of all types of energy of geothermal resources and dissolved chemical components, which will dramatically improve economic indicators and completely solve the environmental problems of developing geothermal deposits.
Для достижения поставленной цели тепло термальной воды через первичный теплообменник или теплообменники передается низкокипящему рабочему агенту, циркулирующему во вторичном контуре бинарной ГеоЭС, для его нагрева до температуры испарения при соответствующем давлении. Использование термальной воды для такого нагрева позволяет наиболее эффективно использовать ее тепло и снижать температуру отработанной воды до довольно низкого значения (20-45°С), превышающего температуру конденсации рабочего агента на величину температурного напора в теплообменнике. Дальнейшее испарение и перегрев рабочего агента происходит в испарителе ГеоЭС за счет выхлопных газов газотурбинной электростанции, в камеру сгорания которой поступает газ из газгольдера, извлеченный из термальной воды с использованием сепаратора, и из магистрального газопровода. Избыточная потенциальная энергия используется в детандере и компрессоре на одном валу. Отработанная термальная вода с низкой температурой из сепаратора поступает на завод по извлечению растворенных химических компонентов, где последовательно извлекается магнезия жженная, карбонат кальция, карбонат лития и пищевая соль. Опресненная после извлечения химкомпонентов вода используется на различные водохозяйственные цели.To achieve this goal, the heat of thermal water through a primary heat exchanger or heat exchangers is transferred to a low-boiling working agent circulating in the secondary circuit of the binary GeoES to heat it to the evaporation temperature at the appropriate pressure. The use of thermal water for such heating makes it possible to use its heat most effectively and reduce the temperature of the wastewater to a rather low value (20-45 ° С), which exceeds the condensation temperature of the working agent by the temperature head in the heat exchanger. Further evaporation and overheating of the working agent occurs in the GeoES evaporator due to the exhaust gases of a gas turbine power plant, into the combustion chamber of which gas from a gas holder extracted from thermal water using a separator, and from a gas main is supplied. Excess potential energy is used in the expander and compressor on the same shaft. Waste thermal water with a low temperature from the separator goes to the plant for the extraction of dissolved chemical components, where burnt magnesia, calcium carbonate, lithium carbonate and salt are sequentially extracted. Desalinated water after the extraction of chemical components is used for various water management purposes.
На приведенном чертеже изображена технологическая схема предлагаемого способа. Термальная вода из геотермальной скважины 1 направляется в теплообменник 2 бинарной ГеоЭС, где происходит нагрев низкокипящего рабочего агента до температуры испарения при соответствующем давлении. Далее отработанная вода поступает в детандер 7 для утилизации избыточной потенциальной энергии. Из детандера термальная вода с низким давлением поступает в сепаратор 9. Жидкая фаза энергоносителя 8 из сепаратора направляется на химический завод 17 для извлечения растворенных химических компонентов (магнезия жженная, карбонат кальция, карбонат лития, пищевая соль), а опресненная вода 18 используется на различные водохозяйственные цели. Отсепарированный газ поступает в компрессор 10, привод которого осуществляется детандером 7. Из компрессора газ с высокими значениями давления и температуры направляется в теплообменник 11 или теплообменники, куда противотоком также подводится нагреваемая пресная вода 13, которая в дальнейшем используется на различные потребительские нужды. Из теплообменника 11 или теплообменников охлажденный и осушенный газ поступает в газгольдер 14, а конденсат 12 уходит в сток. Из газгольдера газ поступает на газотурбинную электростанцию 15, куда также подводится газ из газопровода 16. Высокотемпературные выхлопные газы газотурбинной электростанции поступают в испаритель 3 бинарной ГеоЭС, где осуществляется испарение и перегрев низкокипящего рабочего агента, поступающего из теплообменника 2. Перегретый пар из испарителя последовательно проходит турбину 4, конденсатор 5 и циркуляционный насос 6 и далее поступает в теплообменник 2, и на этом цикл Ренкина, реализуемый в бинарной ГеоЭС, замыкается. Отработанные выхлопные газы из испарителя 3 направляются на сброс.The drawing shows a flow chart of the proposed method. Thermal water from the geothermal well 1 is sent to the heat exchanger 2 of the binary GeoES, where the low-boiling working agent is heated to the evaporation temperature at the appropriate pressure. Next, the waste water enters the expander 7 to utilize the excess potential energy. From the expander, low-pressure thermal water enters the separator 9. The liquid phase of the energy carrier 8 from the separator is sent to a chemical plant 17 to extract dissolved chemical components (burnt magnesia, calcium carbonate, lithium carbonate, salt), and desalinated water 18 is used for various water goals. The separated gas enters the compressor 10, the drive of which is carried out by the expander 7. From the compressor, gas with high pressure and temperature is sent to the heat exchanger 11 or heat exchangers, where heated fresh water 13 is also supplied countercurrently, which is then used for various consumer needs. From the heat exchanger 11 or heat exchangers, the cooled and dried gas enters the gas tank 14, and the condensate 12 goes into the drain. Gas flows from the gas tank to gas turbine power station 15, where gas is also supplied from gas pipeline 16. High-temperature exhaust gases from the gas turbine power station go to the binary 3 of the GeoPP evaporator, where the low-boiling working agent is evaporated and overheated from the heat exchanger 2. The superheated steam from the evaporator passes through the turbine 4, the condenser 5 and the circulation pump 6 and then enters the heat exchanger 2, and on this, the Rankine cycle implemented in the binary GeoES closes. Exhaust fumes from the evaporator 3 are sent to the discharge.
