Геотермалдық энергияны тарату жүйелері қалай жұмыс істейді
Геотермалдық энергия - жердің ішіндегі табиғи жылуды пайдаланатын жаңартылатын энергия көзі. Көптеген адамдар геотермалдық энергияны «жерден алынатын электр энергиясы» деп біледі, бірақ оның артында барлаудан, өндіруден, электр энергиясына немесе жылуға түрлендіруден және ақырында таратудан бастап пайдаланушыларға дейінгі ұзақ мерзімді техникалық процестер жатыр. Бұл мақалада геотермалдық энергияны тарату жүйелерінің қалай жұмыс істейтіні: геотермалдық су қоймаларынан алынатын энергияның үйлерге, өнеркәсіп орындарына және қоғамдық нысандарға қауіпсіз, тұрақты және тиімді түрде қалай жететіні талқыланады.
1. Геотермалдық энергиядан пайдалануға жарамды энергияға дейін
Геотермалдық жылу геотермалдық резервуарларда, яғни жоғары температурада сұйықтықтарды (ыстық су және/немесе бу) қамтитын кеуекті немесе жарықшақты жыныстардың аймақтарында сақталады. Бұл резервуарлар әдетте жүздеген-мыңдаған метр тереңдікте орналасқан. Бұл резервуарларға қол жеткізу үшін геотермалдық компаниялар ыстық сұйықтықтарды өндірістік ұңғымалар арқылы жер бетіне шығару үшін бұрғылау жұмыстарын жүргізеді.
Дегенмен, геотермалдық энергияны «тарату» әрқашан буды немесе ыстық суды тікелей үйлерге жеткізуді білдірмейтінін түсіну маңызды. Индонезияны қоса алғанда, көптеген елдерде ең көп таралған қолданыс - геотермалдық электр станцияларында (ГЭЭС) электр энергиясын өндіру. Электр энергиясы өндірілгеннен кейін ол ұлттық электр жүйесі (тарату және тарату желісі) арқылы таратылады. Кейбір аймақтарда (мысалы, Еуропада немесе Солтүстік Америкада) геотермалдық энергия аудандық жылыту желілері арқылы тікелей жылу ретінде де пайдаланылады, мұнда ыстық су тұтынушыларға оқшауланған құбырлар арқылы жеткізіледі.
Сонымен, геотермалдық энергияны тарату жүйесін екі негізгі бағытқа бөлуге болады:
1) Электр энергиясын тарату (ең көп таралған): геотермалдық → геотермалдық электр станцияларындағы электр энергиясы → беру желісі → тарату желісі → тұтынушылар.
2) Жылу тарату (тікелей пайдалану): геотермалдық → жылу алмастырғыш → жылу құбыры желісі → тұтынушы (үй/ғимарат/өнеркәсіп).
2. Геотермалдық жеткізу тізбегіндегі негізгі компоненттер
Анық болу үшін, әдетте жоғарыдан төмен қарай болатын компоненттер:
– Геотермалдық резервуар: жылу мен сұйықтық көзі.
– Өндірістік ұңғыма: ыстық сұйықтықты жер бетіне шығарады.
– Жинау жүйесі: бірнеше ұңғымадан өңдеу немесе өндіру қондырғысына дейінгі құбырлар желісі.
– Сепаратор/жарқыл бак немесе жылу алмастырғыш: буды бөледі немесе жылуды тасымалдайды (технология түріне байланысты).
– Турбиналар мен генераторлар (электр энергиясын өндіру үшін): бу энергиясын механикалық, содан кейін электр энергиясына түрлендіреді.
– Конденсатор және салқындату жүйесі: турбинадан шыққан буды суға айналдыру үшін салқындатады.
– Айдау ұңғымасы: үздіксіздікті және қысымды ұстап тұру үшін сұйықтықты резервуарға қайтарады.
– Қосалқы станция (тарату құрылғысы/қосалқы станция): генератордан шығатын электр энергиясының кернеуін арттырады, осылайша оны тиімді түрде беруге болады.
– Электр беру желісі: жоғары вольтты электр энергиясын ұзақ қашықтыққа жеткізеді.
– Тарату желісі: кернеуді азайтады және оны тұтынушыларға таратады.
– Басқару және қорғау жүйелері: SCADA, қорғаныс релелері, автоматты ажыратқыштар, қуат сапасын өлшеу.
3. Электр энергиясын өндіру схемасында (ЭБӨС) тарату қалай жұмыс істейді?
а) Сұйықтықтарды өндіру және жинау
Бірнеше өндіріс ұңғымаларынан шыққан ыстық сұйықтық жинау құбыры арқылы электр станциясына ағады. Бұл кезеңде құбырды жобалау өте маңызды, себебі сұйықтық коррозиялық болуы мүмкін, еріген минералдарды қамтуы мүмкін және жоғары қысым мен температурада болуы мүмкін. Жылу шығынын азайту және ағынның тұрақтылығын сақтау үшін құбыр тиісті материалдармен және оқшаулағышпен жасалған және қауіпсіздік клапандарымен жабдықталған.
b) Жылуды электр энергиясына түрлендіру: үш кең таралған технология
1. Құрғақ бу: құрғақ бу турбинаны тікелей айналдырады.
2. Жарқылдаған бу: қысымды ыстық су сепараторда қысымы төмендеген кезде буға «жарқылдайды». Бу турбинаны айналдырады, ал қалған суды қайта айдауға болады.
3. Екілік цикл: Геотермалдық сұйықтықтан алынған жылу жылу алмастырғыш арқылы екінші реттік жұмыс сұйықтығына (мысалы, изобутанға) беріледі. Екінші реттік сұйықтық буланып, турбинаны айналдырады. Артықшылықтары: шығарындылары аз және орташа қабат температурасына жарамды.
Турбина генераторды айналдырғаннан кейін, орташа кернеуде электр энергиясы өндіріледі (әдетте бірнеше кВ-тан ондаған кВ-қа дейін, бұл станцияның дизайнына байланысты). Бұл электр энергиясы әлі ұзақ қашықтыққа беру үшін тиімді емес, сондықтан қосымша қадам қажет.
c) Тарату қондырғысы және трансформатор: таратудың бастапқы нүктесі
Тарату қондырғысында генератордан шығатын электр қуаты қорғаныс және өлшеу жүйесі арқылы өтеді, содан кейін жоғары кернеуге дейін (мысалы, 70 кВ, 150 кВ, 275 кВ немесе 500 кВ) арттыру үшін күшейткіш трансформаторға түседі. Принципі қарапайым: кернеу неғұрлым жоғары болса, сол қуат үшін ток соғұрлым төмен болады, бұл электр беру желілеріндегі шығындардың (I²R) төмендеуіне әкеледі.
d) Беріліс: геотермалдық орындардан жүктеме орталықтарына энергия беру
Көптеген геотермалдық кен орындары қалалардан алыс таулы аудандарда орналасқан, бұл электр беру желісін таратудың негізіне айналдырады. Бұл кезеңдегі негізгі қиындықтарға мыналар жатады:
– Күрделі топография (беріліс мұнарасына кіру мүмкіндігі, көшкін қаупі).
- Төтенше ауа райы жағдайындағы сенімділік.
– Бір нүктедегі бұзушылық кең аумақты сөндірмеу үшін қорғанысты үйлестіру.
Тарату жүйесі электр желісінде жұмыс істейді, бұл геотермалдық электр станцияларынан келетін қуатты тек жақын аймаққа ғана емес, қажет жерлерге де жеткізуге мүмкіндік береді. Диспетчерлік орталықтар жүйенің тұрақтылығын сақтау үшін жиілікті, кернеуді және қуат ағынын бақылайды.
e) Тарату: қосалқы бөлімнен тұтынушыларға дейін
Тұтыну орталықтарының жанында электр энергиясы төмендеткіш қосалқы станцияға түседі. Кернеу аралық тарату деңгейіне дейін төмендетіледі (мысалы, 20 кВ немесе 13,8 кВ), содан кейін тарату желісі арқылы таратылады. Тұрғын үйлердің жанында тарату трансформаторлары оны үйлер мен шағын бизнес үшін одан әрі төмен кернеуге дейін (мысалы, 220/380 В) төмендетеді немесе белгілі бір өнеркәсіптік тұтынушылар үшін аралық деңгейді ұстап тұрады.
Осылайша, электр схемаларындағы «геотермалдық энергияны тарату» іс жүзінде басқа электр станцияларымен бірдей: электр энергиясына айналдырылғаннан кейін ол электр желісінің инфрақұрылымын пайдаланады. Айырмашылықтар жоғары ағынды процесте (геотермалдық өндіріс) және станцияның жұмыс сипатында жатыр.
4. Тікелей пайдаланудағы жылуды пайдалану схемасында тарату
Кейбір аудандарда геотермалдық энергия кеңістікті жылыту, тұрмыстық ыстық сумен қамтамасыз ету, ауыл шаруашылығында кептіру, жылыжайлар және тіпті өнеркәсіптік процестер үшін де қолданылады. Схема келесідей:
1. Өндіріс ұңғымасынан шыққан ыстық сұйықтық жер бетіндегі қондырғыға құйылады.
2. Тұтынушы суының сапасын сақтау және коррозия/қақ пайда болу қаупін азайту үшін жылу жылу алмастырғыш арқылы таза суға (тұйықталған цикл) беріледі.
3. Таза ыстық су тұтынушыларға (үйлерге/ғимараттарға/өнеркәсіпке) оқшауланған құбырлар арқылы таратылады.
4. Жылу пайдаланылғаннан кейін, қайтарылған су қайта қыздыру үшін орталыққа қайтарылады, ал геотермалдық сұйықтық әдетте резервуарға қайта айдалады.
Бұл модельдің артықшылығы - жоғары энергия тиімділігі, себебі ол жылуды электр энергиясына айналдырудан аулақ болады. Дегенмен, оның таралу қашықтығы әдетте шектеулі, себебі құбыр шығындары мен жылу шығыны қашықтыққа байланысты артады.
5. Инъекция жүйесі: тұрақтылықтың маңызды бөлігі
Геотермалдық энергия тізбегінің ерекшеліктерінің бірі - айдау ұңғымаларының болуы. Бу турбинадан өтіп, конденсацияланғаннан кейін немесе жылу алмастырғышта жылу алынғаннан кейін сұйықтық әдетте жерге қайтарылады. Айдау көмектеседі:
– Өндірісті тұрақты ұстау үшін қабат қысымын ұстап тұрыңыз.
– Жердің шөгуін азайтады.
– Қоршаған ортаға сұйықтықтың шығуын азайтыңыз.
Айдау ұңғымаларын орналастыру өндірістік аймақты тым тез салқындатпайтын (жылулық серпіліс) және пайдалану кезінде үзілістерге әкелмейтіндей етіп мұқият жобалануы керек.
6. Энергияны бақылау, қорғау және сапа
Сенімді таратуды қамтамасыз ету үшін геотермалдық жүйе мыналармен жабдықталған:
– Температураны, қысымды, ағын жылдамдығын, турбина дірілін және электр жабдықтарының күйін бақылауға арналған SCADA және DCS.
– Қысқа тұйықталуды, жерге тұйықталуды, жиіліктің жоғарылауын/төмендеуін, кернеудің жоғарылауын/төмендеуін анықтауға арналған қорғаныс релесі.
– Тұрақты кернеуді ұстап тұру үшін реактивті басқару (конденсатор, реактор немесе генератор қоздыруын басқару).
– Генератор шығысы электр желісінің талаптарына сәйкес келетіндей етіп жүктемені реттеу.
Геотермалдық электр станциялары көбінесе базалық (тұрақты күйдегі) генераторлар ретінде жұмыс істейді, себебі геотермалдық энергия тәулік бойы қолжетімді. Бұл тарату жүйесінің тұрақтылығына ықпал етеді, әсіресе күн және жел сияқты үзіліссіз электр станцияларымен біріктірілгенде.
7. Геотермалдық энергияны таратудың қиындықтары
Сенімді болғанымен, кейбір типтік қиындықтар бар:
– Электр станциясының шалғайда орналасуы электр беру құрылысын қымбатқа түсіреді және жер теліміне рұқсат алуды талап етеді.
– Геотермалдық сұйықтықтар құбырлар мен жер үсті жабдықтарында коррозия/қақ тудыруы мүмкін.
– Геологиялық тәуекелдерді (мысалы, инъекцияға байланысты микросейсмикалық белсенділік) бақылау және басқару қажет.
– Электр желісіне интеграциялау жақсы тұрақтылықты зерттеуді және қорғанысты үйлестіруді қажет етеді.
Қорытынды
Геотермалдық энергияны тарату жүйесінің жұмыс істеу тәсілі энергияның жеткізілу формасына байланысты. Электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылған кезде геотермалдық энергия геотермалдық электр станциясында (ГЭЭС) электр энергиясына айналады, содан кейін тарату станциялары, трансформаторлар, электр беру желілері және тарату желілері арқылы тұтынушыларға таратылады. Тікелей жылу үшін пайдаланылған кезде жылу энергиясы жылу алмастырғыштары және тұйық айналымы бар оқшауланған құбыр желісі арқылы таратылады. Екеуі де резервуардың тұрақтылығын сақтау үшін қатаң техникалық жобалауды, сенімді басқару және қорғау жүйелерін және айдау тәжірибелерін қажет етеді. Тиісті басқару арқылы геотермалдық энергия тұрақты және сенімді таза энергиямен жабдықтаудың негізіне айналуы мүмкін.
Қаласаңыз, мен блок-схема иллюстрацияларын қоса аламын немесе мақаланың Индонезия контекстіне көбірек назар аударатын нұсқасын жасай аламын (PLTP, PLN тарату желісі және геотермалдық өріс мысалдары).
