Геотермальная электростанция изолированной энергосистемы
Полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности к области геотермальной электроэнергетики, и может быть использована на геотермальных электростанциях изолированных энергосистем. Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в существенном повышении эффективности использования добываемого геотермального теплоносителя и, тем самым, в улучшении экономических и экологических показателей геотермальной электростанции изолированной энергосистемы. Поставленная задача решается тем, что в известную геотермальную электростанцию, содержащую продуктивную скважину, сепаратор, конденсационную паровую турбину с конденсатором и конденсатным насосом, регулятор частоты вращения ротора турбины, регулятор давления свежего пара с шумоглушителем, электрогенератор, который связан кинематически с ротором турбины, а электрически с комплектным распредустройством, через который осуществляется отпуск электроэнергии во внешнюю электросеть и измеритель внешней электрической нагрузки, дополнительно вводятся установка производства водорода посредством электролиза воды, состоящая из n одинаковых модулей-электролизеров, и система хранения водорода. Для обеспечения работы установки производства водорода в электростанцию также вводятся устройство подготовки воды для получения необходимых для процесса электролиза воды параметров и шкаф силовой, через который осуществляется электропитание модулей-электролизеров установки производства водорода. Поддержание номинального режима работы геотермальной электростанции обеспечивается устройством автоматического управления включением (отключением) электропитания модулей-электролизеров установки производства водорода, благодаря чему невостребованная
внешним потребителем избыточная электрическая мощность геотермальной электростанции изолированной энергосистемы используется в технологическом процессе электролиза воды. При этом сигнал управления формируется как разность между номинальной электрической нагрузкой электростанции и текущей внешней электрической нагрузкой электростанции, а скважность включения (отключения) электропитания модулей-электролизеров установки производства водорода, осуществляемая силовым шкафом по команде устройства управления, равна номинальной нагрузке единичного модуля-электролизера.
Полезная модель относится к области электроэнергетики, в частности к области геотермальной электроэнергетики и может быть использована на геотермальных электростанциях изолированных энергосистем.
Аналогами предлагаемой геотермальной электростанции являются геотермальные электростанции с паровыми турбинами. (F03G 7/00, №94043757; F24J 3/08, №2000111435; F01K 21/04, №2003126819; F03G 7/00, №2044924).
Недостатком этих аналогов является неэффективное использование геотермального теплоносителя.
Известен принятый за прототип геотермальный энергокомплекс (F24J 3/08, №95119668).
В этом энергокомплексе геотермальный теплоноситель, добываемый на продуктивной геотермальной скважине, разделяется в сепараторе на сепарат, который сбрасывается в скважину закачки, и свежий пар, поступающий на турбину привода электрогенератора. Давление свежего пара поддерживается станционным регулятором, который в зависимости от нагрузки (расхода пара) турбины больше (или меньше) пара сбрасывает через шумоглушитель в атмосферу. Это объясняется тем, что дебит продуктивной скважины в процессе ее эксплуатации практически не зависит от нагрузки турбины, поэтому получаемый в сепараторе пар в основном перераспределяется между турбиной и станционным регулятором. При этом, когда нагрузка турбины соответствует номинальной, то через станционный регулятор в атмосферу сбрасывается минимальное количество пара, когда же нагрузка турбины проваливается, то разница между номинальным и текущим расходами пара на турбину сбрасывается станционным регулятором через шумоглушитель в атмосферу.
При этом для изолированной энергосистемы, в которой геотермальный энергокомплекс является системообразующим, работа энергокомплекса с частичным использованием подаваемого после сепаратора пара характерный для эксплуатации режим, определяемый графиком внешней электрической нагрузки. В изолированных энергосистемах, где в качестве системообразующих выступают тепловые электростанции, обеспечить поддержание номинального режима работы геотермального энергокомплекса независимо от суточных, недельных и сезонных колебаний внешней электрической нагрузки энергосистемы также не всегда представляется возможным, т.к. уровень допускаемой разгрузки тепловых электростанций по технологическим причинам ограничен. В результате геотермальная электростанция переводится в режим частичной нагрузки, что приводит и в этом случае к безвозвратным потерям части геотермального теплоносителя.
Таким образом, основным недостатком известного геотермального энергокомплекса при его эксплуатации в изолированной энергосистеме являются безвозвратные потери геотермального теплоносителя из-за невозможности обеспечить номинальный режим его работы независимо от графика внешней электрической нагрузки изолированной энергосистемы. В результате существенно снижается коэффициент использования установленной мощности геотермальной электростанции, соответственно снижается удельная выработка ею электроэнергии на единицу добытого геотермального теплоносителя, повышается себестоимость производства электроэнергии и при фиксированном тарифе снижаются экономические показатели электростанции в целом.
Другим недостатком такого энергокомплекса является ухудшение экологии окружающей среды из-за сброса в атмосферу больших количеств геотермального пара, содержащего H2S, СО2 и другие газы, при работе энергокомплекса на частичных режимах.
Указанные недостатки устраняются предлагаемой полезной моделью.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в существенном улучшении экономических и экологических показателей геотермальной электростанции изолированной энергосистемы.
Поставленная задача решается тем, что в известную геотермальную электростанцию, содержащую продуктивную скважину, сепаратор, конденсационную паровую турбину с конденсатором и конденсатным насосом, регулятор частоты вращения ротора турбины, регулятор давления свежего пара, шумоглушитель, электрогенератор с комплектным распредустройством и измеритель внешней электрической нагрузки, дополнительно вводят установку производства водорода, получаемого посредством электролиза воды, состоящую из n одинаковых модулей-электролизеров, устройство подготовки воды для электролизеров, шкаф силовой для подачи электропитания на модули-электролизеры установки производства водорода, устройство автоматического управления включением (выключением) электропитания модулей-электролизеров установки производства водорода и систему хранения водорода.
На чертеже изображена схема предлагаемой геотермальной электростанции.
Геотермальная электростанция содержит продуктивную геотермальную скважину 1, сепаратор 2, разделяющий добытый в скважине 1 геотермальный теплоноситель на сепарат и свежий пар, регулятор 3 давления свежего пара, шумоглушитель 4, регулятор 5 частоты вращения ротора турбины, конденсационную паровую турбину 6 с конденсатором 7, электрогенератор 8, который связан кинематически с ротором турбины 6, а электрически - с комплектным распредустройством 9, через который осуществляется отпуск электроэнергии во внешнюю электрическую сеть и на собственные нужды электростанции, и измеритель 10 внешней электрической нагрузки. Для откачки конденсата пара из конденсатора 7 турбины 6 электростанция снабжена конденсатным насосом 11.
Электростанция также содержит устройство 12 подготовки воды для электролизеров, которое по входу соединено с линией нагнетания конденсатного насоса 11, установку 13 производства водорода посредством электролиза воды, состоящую из n одинаковых модулей-электролизеров, каждый из которых по входу подсоединен к устройство 12 подготовки воды, шкаф силовой 14, соединенный по входу с комплектным распредустройством 9, а по выходу - автономно с каждым модулем-электролизером установки 13 производства водорода, устройство 15 автоматического управления включением (отключением) электропитания модулей-электролизеров установки 13, систему 16 хранения водорода.
Электростанция работает следующим образом.
Геотермальный теплоноситель из скважины 1 поступает в сепаратор 2, где разделяется на сепарат и свежий пар. Свежий пар через регулирующий клапан регулятора 5 поступает в турбину 6. Отработавший в турбине 6 пар сбрасывается в конденсатор 7, откуда конденсатным насосом 11 закачивается по трубопроводу 17 в скважину закачки. Часть конденсата из нагнетания насоса 11 поступает в устройство 12 подготовки воды для электролизеров. Сепарат по трубопроводу 18 сбрасывается в скважину закачки Охлаждающая вода на конденсатор 7 поступает по трубопроводу 19.
Электрогенератор 8 кинематически связан с ротором турбины 6, а электрически - с комплектным распредустройством 9 и через него с внешней электрической сетью и шкафом силовым 14, через который осуществляется электропитание модулей-электролизеров. Измерение текущей внешней электрической нагрузки электростанции производится измерителем 10.
Устройство 15 автоматического управления включением (отключением) электропитания модулей-электролизеров установки 13 производства водорода обеспечивает поддержание номинальной нагрузки электростанции путем автоматического нагружения (разгружения) установки 13 в зависимости от внешней нагрузки Nвн электростанции в пределах суточного, недельного или сезонного графиков нагрузки. При внешней
нагрузке Nвн электростанции, равной номинальной величине нагрузки электростанции, все модули-электролизеры отключены. В случае, если внешняя нагрузка Nвн электростанции ниже ее номинальной нагрузки N н, устройство 15 через шкаф силовой 14 подключает электропитание такого количества модулей-электролизеров установки 13, при котором нагрузка электрогенератора 8 электростанции остается на уровне близком к номинальному, независимо от внешней электрической нагрузки электростанции. Управляющий сигнал устройства 15 формируется как разность между номинальной и текущей внешней электрической нагрузкой электростанции.
При этом скважность включения (отключения) электропитания модулей-электролизеров установки 13 производства водорода, реализуемая устройством 15 в шкафу силовом 14, равна номинальной электрической нагрузке одного модуля-электролизера.
Вырабатываемый на установке 13 водород транспортируется в систему 16 хранения водорода, из которой поступает внешнему потребителю.
Таким образом, применение установки 13 производства водорода в совокупности с устройством 12 подготовки воды, шкафом силовым 14 и устройством 15 автоматического управления включением (отключением) электропитания модулей-электролизеров установки 13 позволяет обеспечить поддержание нагрузки электрогенератора 8 близкой к номинальной независимо от графика внешней электрической нагрузки изолированной энергосистемы и, тем самым, максимально эффективно распорядиться добываемым геотермальным теплоносителем, исключив сброс избытка свежего пара в атмосферу, образующегося при работе турбины на частичных режимах, и используя пар при максимальном КПД турбины.
Это позволяет вырабатывать всю электроэнергию при максимальном КПД турбины и довести коэффициент использования установленной мощности электростанции практически до теоретического максимума, т.е. получить на электростанции максимально возможное за год количество
электроэнергии. При этом разница между фактически вырабатываемой электроэнергией и электроэнергией, отпущенной во внешнюю электрическую сеть, за вычетом собственных нужд электростанции, пойдет на производство экологически чистого продукта - водорода.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет:
- перевести электростанцию в номинальный (базовый) режим работы независимо от внешней электрической нагрузки с максимально возможной годовой выработкой электроэнергии;
- произвести на основе невостребованной избыточной для внешних потребителей электроэнергии водород, который может быть использован в топливных элементах транспортных средств, в стационарных топливных элементах по производству электроэнергии и тепла и т.д. Благодаря реализации водорода экономические показатели электростанции в целом существенно повышаются.
Кроме того, эксплуатация турбины на номинальном режиме работы независимо от графика внешней нагрузки позволяет минимизировать сброс пара в атмосферу и, тем самым, снизить техногенную нагрузку на окружающую среду.
Геотермальная электростанция изолированной энергосистемы, содержащая продуктивную скважину добычи геотермального теплоносителя, сепаратор теплоносителя, регулятор давления свежего пара, шумоглушитель, конденсационную паровую турбину, конденсатор турбины, конденсатный насос, регулятор частоты вращения ротора турбины, электрогенератор, кинематически связанный с ротором турбины, а электрически - с комплектным распредустройством электростанции, измеритель внешней электрической нагрузки, отличающаяся от известных тем, что в состав электростанции дополнительно введены установка производства водорода, состоящая из п одинаковых модулей-электролизеров, устройство подготовки воды для модулей-электролизеров, которое по входу соединено с линией нагнетания конденсатного насоса, а по выходу - автономно с каждым модулем-электролизером установки производства водорода, шкаф силовой, который по входу соединен с комплектным распредустройством электростанции, а по выходу - автономно с каждым модулем-электролизером установки производства водорода, система хранения водорода, соединенная по входу с установкой производства водорода, устройство автоматического управления включением (отключением) электропитания модулей-электролизеров установки производства водорода по сигналу, формируемому как разность между номинальной и текущей внешней электрической нагрузкой электростанции, при этом скважность включения (отключения) электропитания модулей-электролизеров установки производства водорода, реализуемая в шкафе силовом, равна номинальной электрической нагрузке одного модуля-электролизера.
