Геотермалдық электр станциялары: олардың жұмыс істеу принципі және олардың компоненттері
Геотермалдық электр станциясы - электр энергиясын өндіру үшін геотермалдық жылуды пайдаланатын генераторлық қондырғы. Көмір, мұнай немесе газ жағатын қазба отынымен жұмыс істейтін электр станцияларынан айырмашылығы, геотермалдық электр станциялары жердің ішіндегі табиғи жылуға сүйенеді. Бұл жылу геологиялық белсенділіктен, әсіресе жанартау атқылауына немесе тектоникалық плиталар шекараларына жақын аудандарда алынады. Геотермалдық жылу оңай қолжетімді болғандықтан, геотермалдық электр станциялары дәстүрлі электр станцияларымен салыстырғанда салыстырмалы түрде төмен көміртегі шығарындыларымен тұрақты электр энергиясын (базалық жүктеме) қамтамасыз ететіні белгілі.
Индонезия Тынық мұхитының отты сақинасында орналасқандықтан, геотермалдық әлеуеті зор ел болып табылады. Бұл әлеует энергетикалық көші-қонда, электр энергиясы қауіпсіздігін нығайтуда және қазба отынына тәуелділікті азайтуда маңызды рөл атқара алады. Геотермалдық энергияның неліктен стратегиялық болып саналатынын түсіну үшін геотермалдық электр станцияларының қалай жұмыс істейтінін және олардың негізгі компоненттерін түсіну маңызды.
Негізгі принцип: Жер бетінен жылуды жинау
Жер бетінің астында геотермалдық резервуар, яғни жоғары температурада ыстық сұйықтықтарды (ыстық су және/немесе бу) қамтитын кеуекті жыныстар аймағы орналасқан. Бұл резервуарлар жылу көзінің (магма немесе ыстық жыныс), резервуар жынысының және сұйықтық ағынының жолының болуына байланысты табиғи түрде пайда болуы мүмкін. Геотермалдық электр станциялары бұл ыстық сұйықтықтарды өндіріс ұңғымалары арқылы жер бетіне бағыттау, олардың энергиясын генераторға қосылған турбинаны айналдыру үшін пайдалану, содан кейін жүйенің тұрақтылығын сақтау үшін қалған сұйықтықтарды айдау ұңғымалары арқылы жерге қайтару арқылы жұмыс істейді.
Қарапайым тілмен айтқанда, ағын: резервуар → өндіру ұңғымасы → бөлу/жылу алмастырғыш → турбина → генератор → конденсатор/салқындату → қайта айдау.
Геотермалдық электр энергиясын өндіру жүйелерінің түрлері
Сұйықтық сипаттамалары мен резервуар температурасына негізделген үш негізгі конфигурация жиі қолданылады:
1. Құрғақ бу
Бұл жүйе турбинаны басқару үшін резервуардан құрғақ буды тікелей пайдаланады. Негізінен бу шығаратын резервуарды қажет ететіндіктен, бұл түрі салыстырмалы түрде сирек кездеседі.
2. Flash Steam
Бұл жоғары температура үшін ең көп таралған түрі. Өндіріс ұңғымасынан шыққан ыстық, қысымды сұйықтық сепараторға беріледі. Қысым төмендеген кезде, судың бір бөлігі буға «жарқылдайды». Содан кейін бұл бу турбинаны айналдырады. Тиімділікті арттыру үшін бір реттік және екі реттік (екі сатылы бөлу) нұсқалары қолжетімді.
3. Екілік цикл
Орташа температураға жарамды. Геотермалдық сұйықтық турбинаға тікелей кірмейді, керісінше жылу алмастырғыш арқылы екінші реттік жұмыс сұйықтығын (мысалы, изобутан немесе пентан) қыздырады. Қайнау температурасы төмен екінші реттік сұйықтық буланып, турбинаны айналдырады, содан кейін конденсацияланып, тұйық циклде қайтадан айналады. Артықшылықтарына өте төмен шығарындылар және жабдықты коррозиядан/қақ түзілуінен жақсы қорғау кіреді, себебі геотермалдық сұйықтық турбина арқылы өтпейді.
Геотермалдық энергия қалай жұмыс істейді (қадамдық)
1) Кен орнын барлау және растау
Құрылыс басталғанға дейін жер бетіндегі көріністер (ыстық бұлақтар, фумаролдар) сияқты геотермалдық белгілерді анықтау және жер асты құрылыстарын картаға түсіру үшін геологиялық, геохимиялық және геофизикалық зерттеулер жүргізіледі. Перспективалық перспектива анықталғаннан кейін температураны, қысымды, өткізгіштікті және сұйықтық ағынының жылдамдығын өлшеу үшін барлау ұңғымалары бұрғыланады. Бұл деректер электр станциясының экономикалық орындылығы мен жобалауын анықтайды.
2) Өндірістік ұңғымалар арқылы ыстық сұйықтық өндіру
Егер резервуар қолайлы болса, бірнеше өндіру ұңғымалары салынады. Бұл ұңғымалар ыстық сұйықтықтарды жер бетіне шығарады. Ұңғыма сағасында қауіпсіздік клапандары мен аспаптар қысым мен ағын жылдамдығын басқарады. Сұйықтықтар өте коррозиялық болуы және еріген минералдарды тасымалдауы мүмкін болғандықтан, құбыр материалы мен пайдалану жобасы коррозия мен қабыршақтану мүмкіндігін ескеруі керек.
3) Бу мен суды бөлу немесе жылу алмасу
– Жарқылдаған буда сұйықтық сепараторға түседі. Бу судан/тұзды ерітіндіден бөлінеді. Таза бу турбинаға бағытталады, ал тұзды ерітіндіні қайтадан жарқылдауға (қос жарқыл) немесе тікелей айдауға беруге болады.
– Бинарлық жүйеде геотермалдық сұйықтық екінші реттік жұмыс сұйықтығын араластырмай қыздыру үшін жылу алмастырғышқа кіреді.
Бұл кезең өте маңызды, себебі ол бу сапасын, турбина тиімділігін және жабдықтың қызмет ету мерзімін анықтайды.
4) Энергияны түрлендіру: Турбина генераторды айналдырады
Бу (немесе екілік жүйелердегі екінші реттік сұйық бу) турбина қалақтарын басқарады, жылу мен қысым энергиясын білікті айналдыратын механикалық энергияға айналдырады. Турбина білігі генераторға қосылған, ол электромагниттік индукция арқылы механикалық энергияны электр энергиясына айналдырады. Содан кейін алынған электр энергиясы электр желісіне таратылмас бұрын электр жүйесімен шартталады.
5) Конденсация және салқындату жүйесі
Турбинадан өткеннен кейін, бу турбина шығысында төмен қысым жасау үшін конденсациялануы керек, бұл тиімділікті арттырады. Бұл процесс конденсаторда жүреді, содан кейін жылу салқындату жүйесі арқылы шығарылады. Екі тәсіл бар:
– Ылғалды салқындату (дымқыл салқындату мұнарасы): тиімдірек, бірақ көбірек суды қажет етеді.
– Ауамен салқындату (құрғақ салқындату): суды тиімдірек пайдаланады, құрғақ аймақтарға жарамды, бірақ ауа температурасы жоғары болған кезде тиімділік төмендеуі мүмкін.
6) Резервуарға қайта айдау
Пайдаланылған сұйықтықтар (тұзды ерітінді және конденсат) айдау ұңғымалары арқылы жерге қайтарылады. Бұл қабат қысымын ұстап тұру, қордың сарқылуын азайту және жер бетіндегі қоршаған ортаға әсерді азайту үшін қажет. Айдау ұңғымасын орналастыру өндіріс аймағының тез салқындауына (жылулық серпіліс) жол бермеу үшін жобалануы керек.
7) Электр желісіне тарату
Генератордан шығатын қуат трансформатор арқылы кернеуде арттырылады, содан кейін коммутатор арқылы тарату желісіне таратылады. Қорғаныс жүйелері (релелер және автоматты ажыратқыштар) үзіліс кезінде қондырғының қауіпсіз жұмыс істеуін қамтамасыз етеді.
Геотермалдық электр станцияларының негізгі компоненттері
Міне, жоғарыдан төменге дейінгі ең маңызды компоненттер:
1. Геотермалдық су қоймасы
Энергия көзі - жер бетінде сақталған ыстық тастар мен сұйықтықтар.
2. Өндірістік ұңғымалар
Ыстық сұйықтық қабылдау желісі. Ұңғыманың тұтастығын сақтау үшін корпуспен, түтікшемен және цемент конструкциясымен жабдықталған.
3. Ұңғыма сағасы және қауіпсіздік клапаны
Ұңғымадан шығатын ағын мен қысымды реттейді. Клапандарды, дроссельдерді және қауіпсіздік құрылғыларын қамтиды.
4. Беттік құбыр (жинау жүйесі)
Бірнеше ұңғымадан сұйықтықтарды бөлу қондырғысына немесе жылу алмастырғышқа тасымалдайтын құбырлар желісі. Әдетте жылу шығынын азайту үшін оқшауланған.
5. Бөлгіш / қырғыш (тез/құрғақ бумен пісіру үшін)
Турбинаға кірмес бұрын буды кептіру үшін буды тұзды судан бөліп алу және тамшыларды ұстап алу.
6. Жылу алмастырғыш (екілік жүйе үшін)
Жабық жүйеде геотермалдық сұйықтықтан екінші реттік жұмыс сұйықтығына жылуды беру.
7. Бу турбинасы немесе органикалық сұйықтық турбинасы
Бу энергиясын механикалық энергияға айналдыру. Турбина дизайны будың қысымына, температурасына және сипаттамаларына бейімделген.
8. Генератор
Механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіреді. Турбина білігіне тікелей қосылған.
9. Конденсатор
Төмен шығыс қысымын және тиімді циклды қамтамасыз ету үшін турбинадан шығатын буды конденсациялау.
10. Салқындату мұнарасы / ауа салқындатқышы
Жылуды қоршаған ортаға су немесе ауа арқылы шығару.
11. Айдау жүйесі және айдау ұңғымасы
Сұйықтықтарды резервуарға айдау және қайтару. Тұрақты өндіріс үшін өте маңызды.
12. Басқару және өлшеу құралдары жүйелері (DCS/SCADA)
Температураны, қысымды, турбина дірілін, ағын жылдамдығын және электр параметрлерін бақылайды және автоматты жұмысты реттейді.
13. Электр жабдықтары: трансформаторлар, коммутациялық құрылғылар, коммутациялық станциялар
Электр қуатын таратуды, қорғауды және желімен өзара байланысты басқарады.
14. Шығарындыларды бақылау жүйелері және конденсацияланбайтын газдар
Кейбір су қоймалары CO₂ немесе H₂S сияқты газдарды шығарады. Тазарту жүйелері (мысалы, H₂S азайту) ауа сапасын және жұмыс орнындағы қауіпсіздікті қамтамасыз етеді.
Қорытынды: Күшті жақтары мен қиындықтары
Геотермалдық электр станциялары тұрақты электр қуатымен жабдықтауды, салыстырмалы түрде төмен шығарындыларды және салыстырмалы қуаттылығы бар басқа жаңартылатын энергия көздеріне қарағанда жалпы алғанда аз жер ауқымын ұсынады. Дегенмен, оларды дамыту үшін коррозияның, қақ түзілуінің немесе коллектордың бұзылуының алдын алу үшін айтарлықтай алдын ала инвестициялар, барлау тәуекелдері, күрделі бұрғылау әдістері және сұйықтықты басқару қажет.
Дұрыс дизайнмен — циклді таңдаудан (флэш немесе екілік) бастап өндіріс пен айдау параметрлеріне, шығарындыларды бақылауға дейін — геотермалдық энергия сенімді таза энергия негізі бола алады. Оның қалай жұмыс істейтінін және оның негізгі компоненттерін түсіну бізге геотермалдық энергияның тек «геотермалдық жылудан электр энергиясына» ғана емес, керісінше, геологияны, мұнай инженериясын, термодинамиканы және электр энергиясын бірыңғай тұрақты технологиялық тізбекте біріктіретін интеграцияланған инженерлік жүйе екенін көруге көмектеседі.
