Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 37.

Геотермальные электростанции

Анализ технических характеристик

Россия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60-200°C в платформенных и предгорных районах. До последнего времени из-за дешевизны органического топлива использование этих запасов было незначительным (Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт на Камчатке, системы геотермального теплоснабжения на Северном Кавказе и Камчатке с годовой экономией топлива около 1 млн. тут). По мере приближения цен на топливо к мировым рентабельность геотермальной энергетики повышается, и для указанных районов появляется возможность строительства коммерческих ГеоТЭС.

РАО «ЕЭС России» с участием Министерства науки и технической политики осуществляет ряд исследовательских и промышленных проектов по созданию ГеоТЭС на основе передовых научно-технических решений.

ГеоТЭС на парогидротермах

Месторождения парогидротерм в России имеются только на Камчатке и в Сахалинской области (Центральные Курилы). Запасы этих высокопотенциальных источников, доступные для экономически целесообразного использования, оцениваются в 1000 МВт. Даже полное освоение этих ресурсов сегодня даст «добавку» не более 0,5% к установленной мощности традиционных станций страны (ТЭС, ГЭС, АЭС), и с этой точки зрения роль ГеоТЭС в общем энергобалансе незначительна. Важен другой аспект: запасы парогидротерм позволяют на 100% удовлетворить потребность Камчатки и указанных районов Сахалинской области - этих изолированных от энергосистем регионов, энергетика которых (ТЭС и ДЭС) работает на топливе, завозимом в короткий период навигации.

В настоящее время при научном руководстве ЭНИНа в России строятся две коммерческие станции: Мутновская ГеоТЭС на Камчатке суммарной мощностью первой и второй очередей 200 МВт и Океанская ГеоТЭС в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30 МВт. По обеим этим станциям разработаны, прошли государственную экспертизу и утверждены Минтопэнерго РФ «Обоснования инвестиций» (ТЭО). Привозное топливо будет вытеснено из расчета примерно 2,5 тыс. тут/МВт/год. Себестоимость отпущенной электроэнергии на ГеоТЭС более чем в 2 раза ниже средней по АО «Сахалинэнерго». Удельные капвложения в первую очередь Океанской ГеоТЭС оцениваются в 1500 $/кВт; срок окупаемости 8 лет. Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5-3 км. Пароводяная смесь в среднем имеет степень сухости 0,2-0,5 и энтальпию 1500-2500 кдж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3-5 МВт, средняя стоимость бурения составляет 900 долларов за метр. Кроме эксплуатационных скважин, по которым добывается геотермальный теплоноситель, на геотермальных месторождениях бурятся скважины для обратной закачки отработанной воды в пласт по требованиям охраны окружающей среды и поддержания пластового давления. Обычно глубина и количество таких скважин примерно те же или несколько меньше, чем для эксплуатационных скважин.

Современные ГеоТЭС на парогидротермальных месторождениях комплектуются конденсационными энергоблоками единичной мощности 20 - 100 МВт, давление на входе в турбину изменяется в пределах 5 - 8 бар, основными производителями оборудования являются фирмы Мицубиси, Фудзи (Япония), Ансальдо (Италия), Эллиот (США). В последнее время наметилась тенденция компоновки геотермальных электростанций модульными энергоблоками максимальной заводской готовности, требующими небольших объемов строительно-монтажных работ на площадке. К созданию такого модульного оборудования приступил Калужский турбинный завод, уже выпускающий конденсационные модули малой мощности 4 МВт и противодавленческие по 1,7 МВт, в работе находятся модульные блоки по 20 МВт. Наличие в геотермальном паре экологически и технически вредных солей и газов делает первостепенной задачу подготовки пара необходимой кондиции для подачи его в турбину. Сепаратор пара является одним из основных элементов оборудования ГеоТЭС, в значительной мере обеспечивающим эффективность и надежность работы энергоблока.

В настоящее время на большинстве зарубежных ГеоТЭС используются центробежные сепараторы, дающие остаточную влажность пара на уровне 0,5%. ЭНИНом разработан гравитационный сепаратор, позволяющий получить остаточную влажность пара не более 0,05%. Ясно, что снижение влажности геотермального пара на порядок приводит и к снижению минерализации пара на порядок. Гравитационные сепараторы ЭНИНа прошли промышленные испытания и работают в котельной технике и на АЭС. При этом остаточная влажность пара получена не более 0,05%, а в отдельных случаях 0,01 - 0,02%. Применение в гравитационном сепараторе промывки пара чистым конденсатом (1 - 2% от общего расхода конденсата) дает возможность получить геотермальный рабочий пар с минерализацией на уровне пара традиционных станций. Применение указанной системы подготовки рабочего пара решает проблему солеотложений.

Что касается геотермальной турбины, то российскими заводами — ЛМЗ, КТЗ и Кировским заводом разработаны турбины мощностью 50, 20, 6 и 4 МВт, по технико-экономическим показателям и надежности находящиеся на уровне лучших геотермальных турбин зарубежных фирм.

Двухконтурная ГеоТЭС на водяном паре

Для радикального решения проблем экологии, солеотложений, коррозии, эрозии ЭНИНом разработана двухконтурная технологическая схема. В этой технологии в комплект оборудования добавляется парогенератор. На «горячей» стороне парогенератора конденсируется геотермальный пар; на «холодной» стороне генерируется вторичный пар, полученный из питательной воды, химочищенной традиционными методами. При этом используется традиционная влажнопаровая турбина. В двухконтурной схеме за счет отсутствия газов во вторичном паре будет получен более глубокий вакуум в конденсаторе и этим будет компенсирована потеря потенциала геотермального пара в парогенераторе. С использованием термодинамической концепции максимальной работоспособности (эксергия) проф. Д.А.Лабунцов выполнил анализ двухконтурной технологической схемы ГеоТЭС на парогидротермах и показал, что в двухконтурной технологии из 1кг геотермального пара можно получить примерно (±1 - 2%) такую же работу на валу турбины, как и в одноконтурной схеме.

Двухконтурная схема позволяет весьма простым способом эффективно решить проблему сохранения экологического равновесия в окрестности ГеоТЭС. Газы, в том числе сероводород, под избыточным давлением подаются из парогенератора в барботажный абсорбер, где растворяются в отработанной геотермальной воде, и раствор закачивается в скважину захоронения. На Океанском месторождении Сахалинской области проведены опыты с моделью барботажного абсорбера. Эти испытания с естественной смесью газов и геотермальной водой показали, что в абсорбере растворяется от 93 до 97% исходного количества сероводорода. В скважину захоронения закачивается также геотермальный сепарат и конденсат из парогенератора, чем обеспечивается защита от солевых геотермальных вод почвы, поверхностных и грунтовых вод.

Таким образом, в настоящее время в России разработаны оригинальные технологии и полный комплект оборудования, позволяющие строить ГеоТЭС на пароводяных месторождениях с высокими технико-экономическими показателями и надежностью.

Двухконтурные ГеоТЭС на низкокипящих рабочих телах

Областью применения двухконтурных энергоустановок на низкокипящих рабочих веществах является использование тепла термальных вод с температурой 100-200°C, а также отсепарированной воды на месторождениях парогидротерм. Потенциальные запасы термальных вод с такими температурами сосредоточены в основном на Северном Кавказе в водоносных пластах на глубине 2,5 - 5 км и могут обеспечить создание ГеоТЭС общей мощностью в несколько миллионов киловатт. По экономическим показателям в настоящее время такие станции приближаются к станциям на органическом топливе (стоимость электроэнергии в зависимости от глубины скважин и температуры воды может составлять 3 - 5 центов за кВт/ч). Уже в ближайшие годы по мере роста потребления электроэнергии и повышения стоимости топлива ГеоТЭС на Северном Кавказе могут составить конкуренцию строительству новых традиционных электростанций.

Создание комбинированных ГеоТЭС на пароводяных месторождениях с использованием тепла отсепарированной воды уже сейчас может увеличить выработку электроэнергии примерно на 20% при том же количестве скважин и тем самым улучшить экономические показатели.

Наша страна является пионером в создании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (РТ). Первая в мире опытная ГеоТЭС мощностью 600 кВт на хладоне R-12 была построена на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке еще в 1967г. К сожалению, в то время эти работы не получили должной оценки из-за дешевизны топлива.

Повторно к вопросу использования двухконтурных энергоустановок Министерство энергетики обратилось в 1989г. для опытной Ставропольской ГеоТЭС на Северном Кавказе на базе термальной воды с температурой 165°C, добываемой с глубины 4,2 км. Проект «Экологически чистая двухконтурная ГеоТЭС в Ставропольском крае» с 1989г. включен в ГНТП «Экологически чистая энергетика» при совместном финансировании РАО «ЕЭС России» и Министерства науки и технической политики РФ. В головной организации проекта ЭНИН им.Кржижановского разработана концепция и технологическая схема геотермальной энергоустановки, обеспечивающая добычу термальной воды, эффективное преобразование ее тепла в электроэнергию по двухконтурной тепловой схеме, закачку отработанной воды и продуктов промывки теплообменного оборудования в пласт.

Коллективом организаций под руководством ЭНИН им. Кржижановского и при активном участии АО «Ставропольэнерго» выполнен комплекс полевых исследований на Каясулинском геотермальном полигоне, включая:
* разработку и испытания технологии интенсификации дебита подъемных и приемистости нагнетательных скважин. В результате первоначальный дебит термальной воды из одной скважины 800 т/час увеличен до 6000 т/час, что обеспечивает электрическую мощность 3 МВт;
* испытания модельных образцов теплообменного оборудовани (парогенератора и воздушного конденсатора);
* разработку и натурные испытания метода промывки теплообменного оборудования с целью удаления солеотложений и последующей закачки продуктов промывки в пласт.

Каясулинский геотермальный полигон

В АО «Кировский завод» разработан проект и техническая документация для изготовления двухконтурного энергетического модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R-142в. Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях, доставляться железнодорожным и автотранспортом на месторождение в собранном виде и потребует лишь минимальных строительно- монтажных работ для подключения к местной энергосистеме или к автономному потребителю. Разработанный энергомодуль при незначительных изменениях может использовать в качестве рабочего тела также изобутан. ПО «Сумской насосный завод» разработал проект и техническую документацию на изготовление блочной насосной установки для закачки отработанной воды в пласт. Уже налажено производство специально разработанного взрывобезопасного бесщеточного генератора мощностью 1,6 МВт на 3000 об/мин в объединении ЛМЗ. Стоимость изготовления и испытаний опытного образца энергомодуля оценивается в 2 млн. долларов, сейчас ведется поиск источников финансирования. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до 800 долларов за киловатт.

Двухконтурная ГеоТЭС на смесевом рабочем теле

Наряду с энергомодулем на индивидуальном рабочем теле в ЭНИН им.Кржижановского по заказу РАО «ЕЭС России» разрабатывается перспективная геотермальная модульная энергоустановка на смесевом водоаммиачном рабочем теле.

Главным преимуществом такой энергоустановки является возможность ее эффективного использования во всем интервале температур энергетических термальных вод и пароводяной смеси - от 90 до 220 °C. Энергоустановки на индивидуальных РТ проектируются на определенную температуру греющей воды, ее изменение более чем на 10-20°C приводит к значительному снижению КПД и экономических показателей. Путем изменения концентрации компонентов смесевого рабочего тела можно обеспечить хорошие показатели энергоустановки без изменения ее конструкции во всем указанном интервале температур греющего источника.

Прежде всего водоаммиачное рабочее тело превосходит по эффективности индивидуальные РТ. При этом мощность на валу водоаммиачной турбины при изменении температуры термальной воды в указанном интервале меняется в пределах 15%, а мощность пароводяной и аммиачной турбин - в 4 раза. Кроме того, пароводяная турбина по сравнению с водоаммиачной при этих температурах греющей воды имеет значительно большие массогабаритные показатели и работает в вакуумной области. Благодаря лучшим, чем у углеводородов и фреонов, характеристикам теплопередачи удается также заметно снизить удельную металлоемкость и стоимость парогенератора и конденсатора энергоустановки на водоаммиачной смеси по сравнению с энергомодулем на индивидуальных РТ. Если максимальная мощность транспортабельного энергомодуля на индивидуальных РТ не превышает 2 МВт, то на водоаммиачном РТ она может быть увеличена до 10 МВт. Следует отметить также широкие возможности использования таких энергоустановок для утилизации сбросного тепла в промышленности.

К настоящему времени в ЭНИН им.Кржижановского с участием АОЗТ «Кировэнергомаш» разработана методика и выполнен расчет турбины, теплообменного оборудования и питательного насоса, подтверждающий возможность создания высокоэффективной унифицированной водоаммиачной энергоустановки на интервал температур греющего источника 90-220°C. Технический проект энергомодуля мощностью 5 МВт на водоаммиачном РТ выполнен в 1996г.

Создание такого энергомодуля в рамках международного сотрудничества может иметь большую перспективу. Водоаммиачные модульные энергоустановки могут стать дешевым универсальным оборудованием для всех геотермальных месторождений - как парогидротермальных, так и водяных. Отсутствие такого оборудования при широком разнообразии температур геотермальных источников является серьезным препятствием для освоения геотермальных ресурсов во многих странах.

Геотермально-топливные электростанции

На Северном Кавказе месторождения термальных вод часто совпадают с отработанными или истощающимися нефтяными и газовыми месторождения-ми. В связи с этим в ЭНИНе была исследована целесообразность совместного использования термальных вод и местного органического топлива на комбинированных геотермально-топливных электростанциях. В результате рассмотрения возможных технологических схем таких станций была установлена возможность экономии до 50% топлива на комбинированной станции, состоящей из геотермальной и топливной энергоустановок, при этом отработанная в гео-термальной установке вода используется на первой ступени подогрева пита-тельной воды топливной установки.

Двухконтурные системы геотермального теплоснабжения

В ЭНИНе имеется также положительный опыт создания двухконтурной системы геотермального теплоснабжения с использованием фенолсодержащей минерализованной термальной воды с температурой 80°C.

Применялся пластинчатый теплообменник с пластинами из углеродистой стали, защищенными от воздействия агрессивной термальной воды полимерным покрытием, разработанным в ЭНИНе.

Система геотермального теплоснабжения создана в г.Кизляр (Дагестан) в 1988г. для отопления и горячего водоснабжения поселка из 15 тридцати-квартирных жилых домов, промышленных и коммунальных объектов. Суммарная тепловая нагрузка составляет 7500 ккал/час на отопление и 4500 ккал/час на горячее водоснабжение. В настоящее время продолжаются работы по улучшению теплотехнических характеристик теплообменников и, в частности, по применению композитных составов полимерного покрытия с повышенной теплопроводностью.

РАО «ЕЭС России» считает целесообразным участие в глобальном стратегическом проекте «Промышленная политика и передача технологий», а также в региональном стратегическом проекте «Использование геотермальных ресурсов». Мы считаем взаимно полезным наладить взаимные контакты и широкое сотрудничество со странами, лидирующими в геотермальной энергетике и производстве оборудования, обладающими значительными запасами геотермального тепла.

В. А. Васильев
А. В. Крайнов
И. Г. Геворков

В тридцать восьмом выпуске читайте: Интеллектуальные полевые средства автоматизации марки «Метран»

С вопросами и предложениями обращайтесь по адресу ep@eprussia.ru

Подписаться на печатную (бумажную) версию газеты "Энергетика и промышленность России" (периодичность - раз в месяц, объем - 32-64 полосы) можно ЗДЕСЬ. Ознакомительный экземпляр высылается бесплатно.

С расценками на размещение рекламы в печатной (бумажной) версии газеты "Энергетика и промышленность России", а также на сайте газеты www.eprussia.ru можно ознакомиться ЗДЕСЬ.