1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28846
(51) F24J 3/08 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1441.1
(22) 25.10.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(72) Цай Артур Анатольевич; Цай Игорь Артурович
(73) Цай Игорь Артурович (KZ); Цай Галина
Никитична
(56) Гнатусь Н.А., Петротермальная установка
России. Основные тенденции в использовании
невозобновляемых природных энергетических
ресурсов// Технологии мира-М.: Экватек, №7 (45),
2012, с.17
(54) ПЕТРОТЕРМАЛЬНАЯ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ВАРИАНТЫ)
(57) Изобретение относится к петротермальной
энергетике и может быть использовано при
сооружении электростанции, работающей на
тепловой энергии недр.
Технический результат - значительное
уменьшение глубины бурения, отсутствие
необходимости закачки воды, упрощение
конструкции и процесса эксплуатации установки,
устранение необходимости постоянного контроля за
параметрами пара, снижение эксплуатационных
затрат и расширение технологических
возможностей.
Указанный результат достигается тем, что
петротермальная электростанция по первому
варианту изобретения, включающая
парообразующую камеру, паропровод и
гидротурбину, при этом впускной конец
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
согласно изобретению, снабжена
конденсатопроводом и конденсатором, который
соединен с выпускным концом паропровода и
впускным концом конденсатопровода, в котором
установлена, по меньшей мере, одна гидротурбина.
Петротермальная электростанция в соответствии
со вторым вариантом изобретения, включающая
парообразующую камеру, паропровод и
гидротурбину, при этом впускной конец
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
характеризуется тем, что она снабжена
конденсатопроводом, паровой турбиной,
расположенной в паропроводе, и конденсатором,
который соединен с выпускным концом
паропровода и впускным концом
конденсатопровода, в котором установлена, по
меньшей мере, одна гидротурбина.
(19)KZ(13)A4(11)28846

2. 28846
2
Изобретение относится к петротермальной
энергетике и может быть использовано при
сооружении электростанции, работающей на
тепловой энергии недр.
Известна установка для использования
геотермальной энергии, содержащая образующие
непрерывный путь нагнетательную скважину для
закачивания холодной воды, участок нагрева в
горной породе и выходную скважину, связанный с
ней турбогенератор для преобразования пара в
электроэнергию, последовательно соединенные
конденсатор пара, бак для сбора сконденсированной
воды и очистную установку, связанную с
нагнетательной скважиной, которая выполнена
наклонной. Участок нагрева расположен в горной
породе на глубине 3 - 5 км по возможности
горизонтально или близко к горизонтальному
положению, для подогрева воды на поверхности и
парообразования использована цепочка из
последовательно связанных между собой солнечной
батареи, электронагревателя и/или теплообменника
с жидкостью низкотемпературного кипения,
связанные выходом с турбогенератором (Патент РФ
№2430312, кл. F24J 3/08, 2011).
Необходимость подогрева воды на поверхности
требует дополнительных энергозатрат и усложняет
конструкцию установки.
Известно устройство для получения энергии из
петротермальных источников, содержащее
глубинную скважину, пробуренную с земной
поверхности и достигающую зоны горячего сухого
пласта породы, и насосную станцию. Глубинная
скважина является главной скважиной, которая
снабжена, по меньшей мере, одним зарезанным
боковым стволом в зоне горячего сухого пласта
породы, и коаксиально расположенной внутри
нагнетательной трубой с образованием затрубного
пространства, соединенной с насосной станцией.
Боковые стволы зарезаны горизонтально и/или под
углом к главной скважине. Нагнетательная труба в
горячем сухом пласте породы снабжена
перфорированным участком. Главная скважина, по
меньшей мере, в зоне, близкой к земной
поверхности, снабжена обсадной колонной.
Устройство снабжено поверхностным комплексом,
соединенным с затрубным пространством главной
скважины и содержащим тепло - и/или
электростанцию с гидротурбиной и/или установку
водоподготовки и насосную станцию Глубинная
скважина пробурена на глубину 7-9 км. Воду от
сконденсированного пара нагнетают через
нагнетательную трубу, установленную в скважине с
образованием затрубного пространства (WO
2012/023881, кл. F24J 3/08, 2012).
Использование пара в качестве рабочего тела на
поверхности Земли усложняет процесс
эксплуатации установки и снижает надежность
конструкции, при этом не используется энергия
поднимающегося пара. Пробуривание скважины на
глубину 7 - 9 км требует значительных энергозатрат,
а также использования специального оборудования
и обслуживающего персонала.
Известна петротермальная энергоустановка,
включающая нагнетательную скважину, служащую
направляющим водоводом для холодной воды,
эксплуатационную скважину, являющуюся
паропроводом, и парообразующую камеру в виде
вертикальных трещин, полученных в результате
гидроразрыва массива раскаленных пород. Через
нагнетательную скважину подают холодную воду в
парообразующую камеру, где она нагревается
горячими породами и в виде пара и пароводяной
смеси вытесняется через эксплуатационную
скважину. На поверхности пар подается на турбину,
а пароводяная смесь в теплообменник для нагрева
воды в тепловой сети (Гнатусь Н.А.
Петротермальная энергетика России. Основные
тенденции в использовании невозобновляемых
природных энергетических ресурсов // Технологии
мира - М.: Экватек, №07 (45), 2012, с.17).
Использование пара для привода турбины на
поверхности Земли усложняет процесс
эксплуатации установки, так как для стабильной
работы турбины необходима постоянная
температура пара и его расход. В данном устройстве
не используется энергия поднимающегося пара, что
сужает технологические возможности устройства.
Для контроля параметров пара, подаваемого на
турбину, требуется дополнительная аппаратура и
обслуживающий персонал. Это повышает
эксплуатационные затраты и усложняет
конструкцию установки. Закачка воды через
нагнетательную скважину под высоким давлением
на большую глубину требует больших энергозатрат.
Другим существенным недостатком является
агрессивность рабочей жидкости, приводящей к
быстрому износу оборудования.
В геотермальной энергетике в настоящее время
используются только гидротермальные тепловые
электростанции в местностях с аномально высоким
залеганием горячих недр (Исландия, Камчатка,
Калифорния).
Петротермальная энергетика не нашла
практического применения в связи с высокой
стоимостью предлагаемых решений, связанных со
сверхглубоким бурением и дороговизной
эксплуатации.
Задачей изобретения является разработка
экономически конкурентоспособной
петротермальной установки по производству
электрической энергии, использующей теплоту
горячих недр.
Технический результат - значительное
уменьшение глубины бурения, отсутствие
необходимости закачки воды, упрощение
конструкции и процесса эксплуатации установки,
устранение необходимости постоянного контроля за
параметрами пара, снижение эксплуатационных
затрат и расширение технологических
возможностей.
Указанный результат достигается тем, что
петротермальная электростанция по первому
варианту изобретения, включающая
парообразующую камеру, паропровод и
гидротурбину, при этом впускной конец

3. 28846
3
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
согласно изобретению, снабжена
конденсатопроводом и конденсатором, который
соединен с выпускным концом паропровода и
впускным концом конденсатопровода, в котором
установлена, по меньшей мере, одна гидротурбина.
Петротермальная электростанция в соответствии
со вторым вариантом изобретения, включающая
парообразующую камеру, паропровод и
гидротурбину, при этом впускной конец
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
характеризуется тем, что она снабжена
конденсатопроводом, паровой турбиной,
расположенной в паропроводе, и конденсатором,
который соединен с выпускным концом
паропровода и впускным концом
конденсатопровода, в котором установлена, по
меньшей мере, одна гидротурбина.
В предлагаемом изобретении энергия пара
направляется на его подъем из недр земли до
охлаждающей камеры - конденсатора, где перейдя в
жидкое состояние, он совершает работу. Во втором
варианте изобретения возможно дополнительное
использование энергии пара для вращения паровой
турбины в паропроводе.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1
представлена схема первого варианта устройства; на
фиг. 2 - схема второго варианта устройства.
Петротермальная электростанция включает
парообразующую камеру 1, паропровод 2,
конденсатор 3, теплообменник 4, конденсатопровод
5, гидротурбину 6, при этом впускной конец
паропровода 2 сообщен с парообразующей камерой
1. Конденсатор 3 соединен с выпускным концом
паропровода 2 и впускным концом
конденсатопровода 5, в котором установлена, по
меньшей мере, одна гидротурбина 6.
Парообразующая камера 1 имеет впускной патрубок
7.
Петротермальная электростанция в соответствии
со вторым вариантом изобретения включает
парообразующую камеру 1, паропровод 2,
конденсатор 3, теплообменник 4, конденсатопровод
5, гидротурбину 6, впускной патрубок 7 для подачи
жидкости в парообразующую камеру 1 и паровую
турбину 8. Конденсатор 4 соединен с выпускным
концом паропровода 2 и впускным концом
конденсатопровода 6, в котором установлена, по
меньшей мере, одна гидротурбина 7.
Устройство в соответствии с первым вариантом
работает следующим образом.
Бурят шахтный ствол до глубин, температура
которых превышает 100°С, если в качестве рабочей
жидкости выбрана вода. В шахтный ствол опускают
трубопровод, имеющий восходящее колено -
паропровод 2 и нисходящее колено -
конденсатопровод 5. Водный поток по
конденсатопроводу 5 попадает на лопасти
гидротурбины 6 и приводит ее в движение.
Отработанная вода стекает в парообразующую
камеру 1, температура в которой превышает 100°С.
Объем парообразующей камеры достаточен, чтобы
поступающая вода переходила в газообразное
состояние без затопления камеры. Далее по
паропроводу 2 пар поднимается до конденсатора 3,
где охлаждаясь и переходя из газообразного
состояния в жидкое, стекает в конденсатопровод 5.
Часть тепла сконденсировавшейся воды может
отводиться теплообменником 4 и быть использована
в хозяйственных нуждах, что улучшит
экономические показатели петротермальной
электростанции.
Таким образом, циркуляция воды за счет
непрерывных процессов парообразования и
конденсации позволяет стабильно вырабатывать
электроэнергию.
Устройство по второму варианту работает
аналогичным образом, но производится
дополнительное генерирование электроэнергии за
счет преобразования кинетической энергии
поднимающегося пара по паропроводу 2 и вращения
им лопастей паровой турбины 8.
Преимущество предлагаемых вариантов решения
заключается в том, что при использовании
гидротурбины для выработки электроэнергии
температура пара не имеет принципиального
значения, так как важно только то, чтобы рабочая
жидкость в газообразном состоянии естественным
током по паропроводу 2 попала в конденсатор 3.
Это принципиальное отличие позволяет заметно
уменьшить глубину бурения, так как нет
необходимости достижения глубин с температурой
более 200°С.
Не менее важным преимуществом является
использование воды или другой рабочей жидкости в
замкнутом цикле, что существенно снижает
эксплуатационные расходы и удлиняет срок жизни
оборудования.
Устройство по второму варианту при
незначительном усложнении конструкции позволяет
дополнительно использовать кинетическую энергию
восходящих потоков пара, образованного из воды
или легкокипящей жидкости, для выработки
электроэнергии паровой турбиной.
Если разместить конденсатор в поверхностных
слоях недр, например, на глубине 500 метров, то
тепло будет передаваться не в атмосферу, а в почву,
минимизируя тепловое загрязнение атмосферы.
Использование легкокипящей жидкости в
качестве рабочей жидкости позволит существенно
уменьшить глубину размещения парообразующей
камеры и расширить географию применения, так как
появится возможность возведения петротермальной
электростанции не только в местностях с аномально
высоким залеганием горячих недр. Например, в
местностях со среднестатистическим
геотермическим коэффициентом в 25°С на
1000 метров, шахтный ствол глубиной в
3000 метров достигнет недр с температурой около
75°С, что является рабочей температурой для
парообразующей камеры для заявленных вариантов
петротермальной электростанции.
Предлагаемые варианты устройства позволяют
производить строительство петротермальных
электростанций без привязки к территориям с
неглубоким залеганием горячих недр, а также

4. 28846
4
повысить их мощность до величин, сопоставимых с
мощностью тепловых электростанций.
Использование петротермального тепла для
циркуляции рабочей жидкости за счет непрерывных
процессов парообразования и конденсации
обеспечивает стабильную выработку элекроэнергии,
исключая процессы горения и связанные с ним
неблагоприятные экологические и ресурсные
последствия.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Петротермальная электростанция,
включающая парообразующую камеру, паропровод
и гидротурбину, при этом впускной конец
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
отличающаяся тем, что она снабжена
конденсатопроводом и конденсатором, который
соединен с выпускным концом паропровода и
впускным концом конденсатопровода, в котором
установлена, по меньшей мере, одна гидротурбина.
2. Петротермальная электростанция,
включающая парообразующую камеру, паропровод
и гидротурбину, при этом впускной конец
паропровода сообщен с парообразующей камерой,
отличающаяся тем, что она снабжена
конденсатопроводом, паровой турбиной,
расположенной в паропроводе, и конденсатором,
который соединен с выпускным концом
паропровода и впускным концом
конденсатопровода, в котором установлена, по
меньшей мере, одна гидротурбина.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч