Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом

Полезная модель относится к области геотермальных энергетических установок, использующих водородные технологии для производства водорода и повышения эффективности выработки электроэнергии, и может быть использована в геотермальной энергетике и паротурбинных энергоустановках.

Использование водородно-кислородного парогенератора позволит повысить температуру пара на входе в геотермальную паровую турбину и повысить общий КПД выработки электроэнергии. При этом количества дополнительной электроэнергии хватит не только для производства кислорода и водорода в электролизере, но и для дополнительного снабжения потребителей.

Перегрев водяного пара на входе в геотермальную паровую турбину позволит уменьшить его степень влажности на выходе и увеличить срок эксплуатации последних ступеней.

Использование части воды на выходе из конденсатора для охлаждения камеры сгорания водородно-кислородного парогенератора и балластировки продуктов сгорания повышает тепловую эффективность цикла и упрощает установку в целом. Ил. 1.

Предлагаемая полезная модель относится к области геотермальных энергетических установок, использующих водородные технологии для производства водорода и повышения эффективности выработки электроэнергии, и может быть использована в геотермальной энергетике и паротурбинных энергоустановках.

Известна геотермальная энергетическая установка, использующая водородные технологии для производства водорода за счет провальной электроэнергии в часы сниженного энергопотребления (Патент RU 65627 от 10.08.2007 г.). Однако простое производство водорода в качестве товарного продукта может быть полезным только в областях, где в нем имеется резкая потребность и отсутствует возможность установки более дешевого оборудования, к примеру, получение водорода с помощью пароводяной конверсии метана.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является установка, которая может не только производить водород в часы сниженного энергопотребления, но и использовать его для производства дополнительной электроэнергии в часы пикового потребления, в состав которой входит устройство для производства водорода с блоком электролизера и блоком его аккумулирования, водородный парогенератор, газопаровая турбина с электрогенератором, геотермальный модуль, соединенный электрическим кабелем с электролизером и включающий в себя геотермальные скважины, сепаратор, турбину с электрогенератором, конденсатор пара и насосы (Патент RU 45377 от 14.10.2004 г., прототип).

Недостатком данной конструкции является наличие отдельной паровой турбины, использующей пар из водородно-кислородного парогенератора, что приводит к необходимости ее многократного пуска и выключения в процессе эксплуатации. Подобный режим нестационарной работы существенно снижает ее срок службы, а установка дополнительной турбины усложняет всю установку в целом и требует наличия специальной системы управления для синхронизации работы всего оборудования.

Кроме этого, низкий КПД геотермальных установок (12-18%) обусловлен низкими параметрами водяного пара на входе в паровую турбину, что в свою очередь обусловлено геотермальной скважиной. К примеру, максимальная температура пара в таких установках не превышает 600 К, а в среднем не более 450 К, в то же время, для традиционных паровых турбин она достигает 850 К, что позволяет получать в них КПД более 40%.

Предложенная полезная модель решает техническую задачу повышения эффективности работы геотермальной установки в целом. Такое решение технической задачи возможно за счет того, что при использовании водородно-кислородного парогенератора происходит увеличение термического КПД цикла (на 4-5%), КПД геотермальной турбины (на 8-12%) и уменьшения потерь при исключении из схемы сепаратора тонкой очистки (на 2-3%). Таким образом, суммарное увеличение КПД составит примерно 5-7%, а затраты электроэнергии для производства водорода и кислорода и последующий перегрев пара на 50-70 градусов потребует затрат примерно 1,5-2% от общей выработки электроэнергии, т.е. окончательный КПД геотермальной энергоустановки с водородно-кислородным перегревом вырастет на 3-4%. Следует отметить, что установка нового оборудования потребует незначительных капиталовложений, а следовательно, приведет к быстрой окупаемости.

Расчеты показывают, что использование доли от выработанной электроэнергии для производства водорода и кислорода методом электролиза с последующим смешиванием высокотемпературного водяного пара с паром из геотермальной скважины, позволит существенно повысить эффективность установки в целом, учитывая затраты на электролиз.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу тем, что геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом содержит паровую турбину, электролизер, хранилища водорода и кислорода, сепаратор грубой очистки пара, конденсатор и водородно-кислородный парогенератор, связанный с геотермальной паровой турбиной, при этом выходные патрубки электролизера связаны с входными патрубками хранилища водорода и кислорода напрямую, а сепаратор грубой очистки связан с водородно-кислородным парогенератором.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1. Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом включает в себя геотермальную паровую турбину 1 с электрогенератором 2, электролизер 3, соединенный трубопроводами с хранилищами водорода 4 и кислорода 5, сепаратор предварительной очистки пара 6, конденсатор 7, водородно-кислородный парогенератор 8, две геотермальные скважины 9 и 10, два водяных насоса 11 и 12, компрессоры водорода 13 и кислорода 14.

Геотермальная установка работает следующим образом:

Пар из геотермальной скважины 9 поступает в сепаратор грубой очистки, где происходит его очистка от минеральных примесей и конденсата и уменьшение степени влажности до 7-10%, далее конденсат водяным насосом 11 закачивается в геотермальную скважину 10 для парообразования. Далее водяной пар из сепаратора 6 смешивается с водяным паром из водородно-кислородного парогенератора 8, при этом происходит увеличение его температуры на 100-150 К и полное испарение оставшегося конденсата после сепаратора. Затем смешанный пар поступает на вход геотермальной паровой турбины 1, где происходит преобразование его внутренней энергии в механическую и далее в электрическую посредством электрогенератора 2. Отработавший водяной пар поступает в конденсатор 7, в котором счет конденсации создается разрежение до 3-15 кПа, далее сконденсировавшаяся вода водяным насосом закачивается в геотермальную скважину 10 и частично подается на охлаждение водородно-кислородного парогенератора 8 и балластировку его продуктов сгорания.

Часть выработанной электроэнергии поступает в электролизер 3, в котором происходит производство водорода и кислорода. Далее водород и кислород компрессорами 13 и 14 закачиваются в хранилища 4 и 5, из которых они подаются в водородно-кислородный парогенератор, где происходит их сжигание при стехиометрическом соотношении компонентов с образованием сверхперегретого водяного пара. Следует отметить, что основное производство водорода и кислорода происходит в часы провала нагрузки от потребителя, т.е. происходит также и выравнивание графика нагрузки.

Таким образом, использование водородно-кислородного перегрева в геотермальной установке для выработки электроэнергии позволит существенно повысить эффективность установки в целом, учитывая затраты на электролиз.

Геотермальная установка для выработки электроэнергии с водородно-кислородным перегревом, содержащая паровую турбину, электролизер, хранилища водорода и кислорода, сепаратор грубой очистки пара, конденсатор и водородно-кислородный парогенератор, отличающаяся тем, что водородно-кислородный парогенератор связан с геотермальной паровой турбиной, при этом выходные патрубки электролизера связаны с входными патрубками хранилища водорода и кислорода напрямую, а сепаратор грубой очистки связан с водородно-кислородным парогенератором.