ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к геотермальной энергетике и может быть использовано для съема тепловой энергии Земли из гидротермальных месторождений.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время в высокотемпературных гидротермальных месторождениях пара для съема тепловой энергии Земли используется прямой способ - с использованием сухого пара, при котором пар естественным образом, под высоким давлением вырывается из скважины, непрямой способ - с использованием водяного пара низкотемпературных гидротермальных месторождений пароводяной смесь или рассол, выкачиваемый из скважин. При этих технологиях со временем эксплуатации гидротермальных месторождений ресурсы пара, пароводяной смеси или рассола в них уменьшается, в результате снижается дебит пара, пароводяной смеси или рассола, который и определяет срок службы гидротермальных месторождений.

Как показывает практика эксплуатации ГеоТЭС и системы теплоснабжения, в большинстве случаев использования для съема тепловой энергии Земли естественных теплоносителей - пара, пароводяной смеси или рассола загрязняется окружающая среда, а рабочие поверхности оборудований подвергаются коррозии и образованию отложений, что в конечном итоге приводит к закупорке трубопроводов для теплоносителей. Все эти факторы не позволяют использовать для съема тепловой энергии Земли большинство гидротермальных месторождений со значительными тепловыми ресурсами.

В современной геотермальной энергетике для устранения вышеуказанных явлений разработаны и используются различные способы съема тепловой энергии Земли с использованием искусственных теплоносителей. Эти способы в основном применяются при эксплуатации низкотемпературных гидротермальных месторождении. В качестве искусственных теплоносителей используется чистая вода и различные органические теплоносители или их смеси в различных сочетаниях.

Характерным представителем вышеуказанного способа отбора тепла Земли является устройство для использования геотермальной энергии с целью получения механической энергии предложенное в патенте Ru 2330219. Контур съема тепла Земли рассматриваемого устройства состоит из герметично закрытой опускной трубы, расположенной в скважине. Внутри опускной трубы коаксиально расположена подъемная труба, внешняя сторона которой имеет теплоизолияционный слой. Подъемная труба соединяется с входом теплообменника. Выход теплообменника через задвижку соединяется с входом циркуляционного насоса. Выход циркуляционного насоса теплообменника соединяется к входу опускной трубы. Таким образом, по замкнутой системе осуществляется круговорот теплоносителя в устройстве. В качестве теплоносителя используется чистая вода.

Недостатком этого устройства является то, что в нем круговорот теплоносителя осуществляется всеобъемным движением массы теплоносителя. Это не позволяет теплоносителю находиться в зоне нагрева достаточное время для съема тепла Земли. Использования в данном устройстве чистой воды в качестве теплоносителя, также не позволяет нагревать её выше температуры кипения воды, а отсутствие теплоизоляции в верхней части опускной трубы находящейся в низкотемпературных слоях Земли приводит к потерям тепловой энергии, что приводить к снижению эффективности устройства. Принудительная циркуляция теплоносителя путем закачивания её в опускную трубу из-за возникновения значительного объемного противодавления теплоносителя приводит к энергетическим потерям для привода циркуляционного насоса.

В большинстве геотермальных устройств с искусственными теплоносителями применяется аналогичный замкнутый контур круговорота теплоносителя.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания принципиально нового типа геотермального устройства - шахтного геотермального устройства. В устройстве создается бассейн теплоносителя, а в качестве теплоносителя используются высококипящие органические жидкости (глицерин, алкилдифенилы, полифенилы, эвтектические углеводороды и др.).

Существенные изменения предлагаемого шахтного геотермального устройства по сравнению с существующими геотермальными устройствами позволяют:

- создать возможность нахождения теплоносителя в зоне прогревания достаточное время для прогревания её до температуры зоны гидротермального месторождения охватывающей бассейн теплоносителя в шахтном стволе;

- эффективный съем тепловой энергии Земли путем прогревания теплоносителя до 100°С и более;

- съем тепловой энергии Земли из гидротермальных месторождений с малым дебетом пара, пароводяной смеси или рассола; - расширение зон использования геотермальных источников, например, долины гейзеров, грязевые вулканы и т.п.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг Л показан пример использования шахтного геотермального устройства при выработке электрической энергии ГеоТЭС с бинарным циклом.

На фиг.2 показан общий вид корпуса шахтного ствола геотермального устройства.

На фиг.З показан общий вид затвора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение описано более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, иллюстрирующие вариант осуществления.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан пример использования шахтного геотермального устройства при выработке электрической энергии ГеоТЭС с бинарным циклом.

Шахтный ствол 3 геотермального устройства диаметром не менее 1,6 метра устанавливается в шахту гидротермального месторождения (фиг.1). Корпус состоит из стальной трубы 2 и верхней крышки 9. Поверхность её, контактирующая с грунтом до уровня зоны нагревания - верхнего края бассейна имеет теплоизолированный слой 3. Этот слой предотвращает потери тепловой энергии накопленного бассейном теплоносителя из-за контакта корпуса шахтного ствола 3 с низкотемпературными слоями грунта (фиг.2).

В нижней части корпуса сварочным соединением крепится пояс 1 в виде кольца (фиг.2). Верхняя крышка 4 защищает корпус от попадания в него инородных предметов снаружи. В нём имеется отверстие 5 для отвода образующих в процессе работы пара и газа из корпуса, отверстий для питающей трубы 8, возвратной трубы 12 и троса для опускания и поднятия затвора 7 (фиг.2).

Для ввода геотермального устройства в рабочее состояние внутрь шахтного ствола 3 устанавливается затвор 2 (фиг.1), прикрепленный с помощью троса к устройству для опускания и поднятия затвора, который соединяется с крюком 7 (фиг.З). Затвор состоит из основания 2 и крышки 3. На основании имеется дренажное отверстие 6, уплотнительные прокладки 1 и 4, также к нему крепятся направляющие стойки 9. На крышке 3 имеется уплотнительная прокладка 5 и дренажные отверстия 8 (фиг.З).

Затвор имеет I и II положения (фиг.З). I положение соответствует опусканию и при необходимости подъему затвора. Затвор 2 с помощью троса 6 опускается ко дну шахтного ствола 3 (фиг.1). При движении затвора 2 вниз, жидкости и газ находящиеся в шахтном стволе 3 (фиг.1) проходят сквозь его дренажное отверстие 6 на основании 2 и дренажные отверстия 8 на крышке 3. Тем самым, они не препятствуют движению затвора вниз.

II положение соответствует герметичному закрыванию дна шахтного ствола затвором. Под воздействием силы тяжести поверхность основания 2 с уплотнительной прокладкой 1 (фиг.З) прижимается к поверхности пояса 1 на корпусе (фиг.1), а крышка 3 с уплотнительной прокладкой 5 - к поверхности основания 2 и уплотнительным прокладкам 4 на основании крышки. Таким образом, обеспечивается плотное соединение затвора с поясом корпуса, а крышки 3 с основанием 2 затвора (фиг.З).

Герметичность дна шахтного ствола не позволяет в дальнейшем проникновению в бассейн теплоносителя 5 пара, пароводяной смеси, рассола или газа из окружающего пространства в полость шахтного ствола 3 и их смешивания с теплоносителем, а также не допускает утечки теплоносителя из бассейна 5 (фиг.1). После установки затвора 2 в корпус шахтного ствола 3 (фиг.1) внутренняя полость её освобождается от жидкостей имеющихся в нем. Затем в него до верхнего края бассейна вливается жидкий высококипящий органический теплоноситель. Количество теплоносителя зависит от объема бассейна, труб и пространств оборудования заполняемых при работе всей энергетической установки.

Уровень расположения верхнего края бассейна теплоносителя 5 определяется глубиной расположения геотермального флюида 4 обеспечивающего нагрев теплоносителя до требуемой рабочей температуры, а глубина и диаметр бассейна теплоносителя 5 зависят от температуры и теплопроводности охватывающей среды бассейна и требуемой производительности тепловой энергии (фиг.1).

Нагрев бассейна теплоносителя 5 происходит от его непосредственного контакта его со стальным корпусом шахтного ствола 3 нагреваемого геотермальным флюидом 4. Нагретый теплоноситель через питающую трубу 8, конец которой расположен на глубине 10 м бассейна теплоносителя 5, выкачивается насосом 13 из бассейна в теплообменник 14. Здесь происходит передача тепловой энергии теплоносителя к рабочему телу, пары которого подаются к турбине 16 для выработки электрической энергии генератором 15 (фиг.1).

После отдачи тепловой энергии теплоноситель из теплообменника 14 через возвратную трубу 12 самотеком сбрасывается в бассейн теплоносителя 5. Конец возвратной трубы 12 находится на 1 м над бассейном теплоносителя 5 (фиг.1).

Геотермальная установка с бинарным циклом, состоящая из теплообменника 14, турбины 16, генератора 15, конденсатора 17, насоса 18 и сетью трубопроводов работает в замкнутом контуре (фиг.1).

Как следует из выше изложенного, предлагаемая конструкция шахтного геотермального устройства позволяет снимать тепловую энергию Земли не извлекая на поверхность земли пара, пароводяной смеси или рассола. Это позволяет сохранить постоянный объем и структуру пара, пароводяной смеси или рассола, являющихся теплоносителями тепловой энергии недр гидротермальных месторождений. В свою очередь, они обеспечивают поступление постоянной по величине тепловой энергии к шахтному геотермальному устройству и бессрочную эксплуатацию гидротермальных месторождений.

Таким образом, новшества предлагаемого шахтного геотермального устройства позволяют достичь стабильности и управляемости добываемого тепла из гидротермальных месторождений и их бессрочную эксплуатацию без нанесения ущерба окружающей среде вредными выбросами, а также упрощению конструкции ГеоТЭС и других энергетических установок, работающих на тепловой энергии гидротермальных месторождений, снижение затрат электрической энергии на их обслуживание и будет способствовать значительному расширению области применения геотермальной энергетики.