Геотермальная электростанция с паропреобразователем. Конденсационная турбина с паропреобразователем работает на вторичном паре. Эти станции наиболее выгодны там, где природный пар имеет высокую температуру и большое содержание газов. Схема электростанции следующая: природный пар из скважины поступает в паропреобразователь и свое тепло отдает вторичному теплоносителю, после чего чистый вторичный пар направляется в конденсационную турбину. Отработанный пар идет в конденсатор.
Неконденсирующиеся газы, содержащиеся в паре, отделяются в паропреобразователе и выбрасываются либо в атмосферу, либо идут на химические заводы. Недостатком этой схемы является снижение параметров пара перед турбиной. По сравнению с электростанциями, непосредственно использующими природный пар, удельный расход пара здесь меньше на 30 %. Геотермальная электростанция, работающая по этой схеме (см. рис. 10.10), позволяет полностью использовать все химические вещества, содержащиеся в природном паре.
Рисунок 10.10 – Схема геотермальной электростанции с паропреобразователем:
1 – скважина; 2 – паропреобразователь; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор; 6 – вакуумный насос; 7 – градирня; 8 – насос; 9 – дегазатор; 10 – сброс
Опыт подтверждает, что стоимость строительства геотермальной электростанции с паропреобразователем немного больше стоимости электростанции с прямым использованием пара в конденсационной турбине. По схеме с паропреобразователем были построены электростанции «Лардерелло-2» и «Кастельнуово» (Италия). На станции «Лардерелло-2» установлено 7 турбин мощностью по 11 тыс. кВт. Удельный расход пара на этой электростанции – 14 кг/кВт.
Геотермальные электростанции с конденсационной турбиной, работающие на отсепарированном паре, строятся там, где из скважины получают пар с большим содержанием воды. Пар или пароводяная смесь из скважины направляется в специальное устройство, расположенное на скважине. Под давлением в сепараторе происходит разделение пароводяной смеси на пар и воду. Отсепарированный пар по трубопроводу направляется в турбину и т. д.
Конденсационные турбины, работающие на отсепарированном паре, нашли применение в строительстве геотермальных электростанций в России (Паужетское месторождение на Камчатке), Исландии (месторождение Хверагерди) и в других странах.
Рассмотренная схема имеет свои преимущества. Полученный в сепараторе пар практически не содержит газов, что облегчает работу турбин.
Для радикального решения проблем экологии, солеотложений, коррозии, эрозии ЭНИНом разработана двухконтурная технологическая схема (см. рис. 10.11).
Рисунок 10.11 – Двухконтурная ГеоТЭС на парогидротермах:
1 – добычная скважина; 2 – гравитационный сепаратор; 3 – парогенератор; 4 – экономайзер; 5 – барботажный абсорбер; 6 – скважина захоронения; 7 – турбогенератор; 8 – смешивающий конденсатор; 9 – паровой эжектор; 10 – конденсатосборник; 11 – «сухая» вентиляторная градирня; 12 – расширитель 1-й ступени; 13 – расширитель 2-й ступени; 14 – шумоглушитель; 15 – грязеотделитель; 16 – разрывной клапан
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) Д.А. Лабунцов выполнил анализ двухконтурной технологической схемы ГеоТЭС на парогидротермах и показал, что в двухконтурной технологии из 1 кг 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 техникоэкономическими показателями и надежностью.
10.4.3. 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 1967 г. 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 1989 г. 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 1989 г. включен в ГНТП «Экологически чистая энергетика» при совместном финансировании РАО «ЕЭС России» и Министерства науки и технической политики РФ.
В ЭНИНе разработана концепция и технологическая схема геотермальной энергоустановки (см. рис. 10.12), 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 ЭНИНа 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/ч увеличен до 6000 т/ч, что обеспечивает электрическую мощность 3 МВт;
– испытания модельных образцов теплообменного оборудования (парогенератора и воздушного конденсатора);
– разработку и натурные испытания метода промывки теплообменного оборудования с целью удаления солеотложений и последующей закачки продуктов промывки в пласт.
Рисунок 10.12 – Принципиальная схема двухконтурной ГеоТЭС на хладоне 142в:
1 – скважина; 2 – подогреватель; 3 – испаритель; 4 – турбина; 5 – генератор; 6 – воздухоохлождаемый конденсатор; 7 – конденсатно-питательный насос; 8 – нагнетательный насос
В ОАО «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 транспортом 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 долл., сейчас ведется поиск источников финансирования. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до 800 долл./кВт.