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 долл. за метр.
Геотермальная электростанция с непосредственным использованием природного пара. Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка представляет собой паротурбинную установку с противодавлением. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим выходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химические вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторичный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электростанция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в компрессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов.
Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные затраты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (см. рис. 10.8).
Рисунок 10.8 – Схема геотермальной электростанции с непосредственным использованием природного пара:
1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – выход в атмосферу или на химический завод
Турбогенераторные установки с противодавлением не препятствуют промышленному использованию химических веществ, содержащихся в природном теплоносителе. Так, например, в природном паренекоторых месторождений Италии содержится 150…700 мг/кг борной кислоты, и при помощи подобных установок можно добывать этот ценный продукт одновременно с выработкой электроэнергии.
Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех районов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой установки даже при переменном дебите скважин.
В Италии работает несколько таких станций. Одна из них – мощностью 4 тыс. кВт при удельном расходе пара около 20 кг/с или 80 т/ч; другая – мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7–8 скважин.
В подобных схемах требуется значительное количество пара, который с большим успехом может быть использован в турбинах конденсационного типа.
Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара (см. рис. 10.9) – это наиболее современная схема для получения электрической энергии.
Рисунок 10.9 – Схема геотермальной электростанции с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара:
1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – насос; 5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – компрессор; 8 – сброс
Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденсатора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор (см. рис. 10.9).
По такой схеме работает самая крупная в Италии геотермальная электростанция «Лардерелло-3», использующая природный пар. Она была спроектирована в начале второй мировой войны, но вступила в строй только в послевоенные годы. На электростанции установлено четыре турбогенератора мощностью по 26 тыс. кВт и два турбогенератора по 9 тыс. кВт. Последние предназначены для покрытия собственных нагрузок.
Ни один из установленных здесь турбогенераторов в течение многих лет не переводился в резерв. Коэффициент использования установленной мощности составляет 98%. Стабильная работа геотермальной электростанции «Лардерелло-3» открыла путь к конструированию новых электростанций с использованием конденсационных турбин.
По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие геотермальные электростанции: «Лардерелло-2» (Италия), «Вайракей» (Новая Зеландия) и др.
Благодаря техническим усовершенствованиям, потребление пара на каждый киловатт мощности стало значительно меньше. Сейчас расход пара на новой электростанции «Лаго» (Италия) составляет уже 8 кг/кВт·ч.
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 (Э). 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.
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 долл. 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 строительномонтажных 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.