- •Предисловие
- •1. Сжигание топлив в кипящем слое
- •1.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим кипящим слоем
- •1.2. Топки с циркулирующим кипящим слоем
- •1.2.1. Отечественные котлы с циркулирующим кипящим слоем
- •1.2.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем под давлением
- •1.2.3.Зарубежные котлы с кипящим слоем (промышленный опыт)
- •Котлы с кипящим слоем, эксплуатируемые в сша
- •Применение котлов с цкс для сжигания сланцев
- •1.3. Сжигание твердых топлив с использованием аэрофонтанных предтопков
- •2. Плазменная технология
- •3. Разработка новых конструкций топочных камер для сжигания углей
- •3.1. Вихревые топки с жидким шлакоудалением
- •3.2. Принцип технологии вихревого низкотемпературного сжигания
- •3.2.1. Экономичность вир- технологии
- •3.2.2. Экологические показатели
- •3.2.3. Надежность и маневренность вир-технологии
- •3.2.4. Результаты испытаний модернизированного котла пк-38 (ст. № 3а) Назаровской грэс
- •3.3. Пылеугольный котел с кольцевой топкой для крупных энергоблоков
- •4. Термическая подготовка углей перед сжиганием в условиях тэс
- •4.1.Термическая подготовка углей в термоциклонных предтопках
- •4.2. Разработки эниНа
- •4.3. Работы Политехнического института сфу по применению предварительной термической подготовки углей в условиях тепловой электростанции
- •4.3.1. Разработка технологии сжигания с внутритопочной термической подготовкой углей
- •4.3.2.Принципиальные схемы термической подготовки углей для организации безмазутной растопки и подсветки факела топочных камер котлов
- •20, 21, 24, 25, 26, 29 – Щелевые зазоры; 22 – нижние торцы амбразур;
- •26, 27, 28, 29 – Зазоры
- •4.3.3. Опытно-промышленный образец муфельного предтопка на котле бкз-420 140 Красноярской тэц-2
- •4.3.4. Система термоподготовки для организации муфельной растопки котлов Томь-Усинской грэс
- •4.3.5. Универсальная горелка для котлов пк-40-1 Беловской грэс
- •Птб при включении питателей пыли на муфеле:
- •Птб при расшлаковке абразуры муфеля при работе в режиме основной горелки:
- •4.3.6. Универсальная всережимная горелка для котлов бкз-420-140 Красноярской грэс-2
- •5. Сжигание водотопливных суспензий
- •5.1. Современное состояние технологии сжигания водотопливных суспензий
- •5.2. Основные технологические характеристики водотопливных суспензий
- •5.3. Опыт применения водоугольных суспензий
- •5.4. Суспензионное топливо для мазутных тэс и котельных
- •5.5. Опыт применения водомазутных эмульсий на энергетических котлах тгмп-314 и тгм-96 тэц-23 оао «Мосэнерго»
- •5.6.Разработки научно-исследовательского и проектно-изыскательского института «Новосибирсктеплоэлектропроект» Сибирского энтц
- •5.7. Исследования мэи (Технический университет) по применению водомазутных эмульсий для улучшения технико-экономических и экологических характеристик котельных агрегатов
- •5.8. Технико-экономическая перспективаиспользования суспензионного угольного топлива
- •6. Гидравлические электрические станции
- •3 Сопло; 4 рабочее колесо; 5 кожух; 6 отклонитель; 7 лопасти (ковши); 8 нижний бьеф
- •Состав и компоновка основных сооружений
- •Плотины
- •Типы и параметры гидрогенераторов
- •Малые гэс
- •7. Геотермальная энергетика
- •7.1. Использование геотермальных ресурсов в мире
- •7.2. Геотермальные ресурсы России
- •7.3. Геотермальные энергетические технологии и оборудование России
- •1 Скважина; 2 бак-аккумулятор; 3 расширитель; 4 турбина; 5 генератор;
- •6 Градирня; 7 насос; 8 смешивающий конденсатор; 9, 10 насос
- •7.4. Российские бинарные энерготехнологии
- •7.4. Геотермальное теплоснабжение
- •7.5. Перспективы развития геотермальной энергетики России
- •7.6. Опытная геотермальная электростанция, основанная на цикле а.И.Калины
- •8. Ветроэнергетические установки
- •8.1. Состояние и перспективы развития мировой ветроэнергетики
- •8.2. Высотная ветроэнергетическая установка
- •8.3. Ветроэнергетика в заполярных условиях
- •Основные направления развития ветроэнергетики в заполярных условиях
- •Преимущества применения энергии ветра в заполярных и холодных климатических условиях
- •Специфика развития ветроэнергетики и эксплуатации вэу при холодном климате
- •Использование энергии ветра для отопления в условиях холодного и заполярного климата
- •Новая ветро-дизельная электрическая установка
- •9. Альтернативные способы получения электроэнергии
- •9.1. Магнитогидродинамическое преобразование энергии
- •2 Сопло; 3 мгд-генератор; 4 место конденсации щелочных металлов; 5 насос; 6 место ввода щелочных металлов
- •9.2. Термоэлектрические генераторы
- •9.3. Изотопная энергетика
- •9.4. Термоэмиссионные генераторы
- •1 Катод; 2 анод
- •9.5. Электрохимические генераторы
- •3 Электролит; 4 анод
- •9.6. Использование морских возобновляемых ресурсов
- •9.6.1. Приливные электростанции
- •Агрегаты пэс
- •9.6.2. Океанские гидроэлектростанции (огэс) на основе морских течений Физические основы работы огэс
- •9.6.3. Волновые электростанции
- •9.6.4. Использование тепловой энергии океана
- •9.7. Солнечная энергетика
- •9.7.1. Современное состояние солнечной энергетики
- •Типы циркуляционных и гравитационных гелиоустановок:
- •9.7.2.Разработка и внедрение первой в районе Сочи солнечно-топливной котельной
- •9.7.3. Разработка и испытания солнечно-топливной котельной в Краснодарском крае
- •9.7.4. Повышение эффективности преобразования солнечной энергии
- •Повышение числа часов использования установленной мощности сэс
- •Увеличение срока службы и снижение стоимости солнечной электростанции
- •9.8. Использование энергии термоядерных реакций
- •9.9. Комбинированные энергоустановки
- •9.10. Биоэнергетические установки
- •9.10.1. Вклад биотоплива в мировое производство энергии
- •9.10.2. Прямое сжигание
- •9.10.3. Пиролиз
- •Газификация биомассы
- •9.10.5. Виды топлив, получаемых из биомассы
- •9.10.6. Перспективы развития биоэнергетики России с использованием древесины
- •Прямое сжигание древесины Олонецкая теплостанция на древесных отходах
- •Разработчик и изготовитель котла на биотопливе
- •Принцип действия котла с колосниковой решеткой. Процесс горения и факторы, влияющие на него
- •Циркуляция воды в котле
- •Газогенераторные установки на древесине для получения тепловой и электрической энергии
- •9.11. Подземная газификация углей
- •9.14.1. Отечественный опыт подземной газификации угля
- •Подземная газификация угля в г. Красноярске
- •9.15. Тепловые насосы
- •9.15.1. Перспективы применения тепловых насосов
- •9.15.2. Тепловые насосы в системах малой энергетики
- •Заключение
- •Библиографический список к главе 1
- •К главе 2
- •К главе 3
- •К главе 4
- •К главе 5
- •К главе 6
- •К главе 7
- •К главе 8.
- •К главе 9
7.4. Российские бинарные энерготехнологии
Первая в мире геотермальная бинарная электростанция (БЭС) – Паратунская ГеоЭС – построена в России в 1967 г. на Камчатке. После этого изобретение отечественных ученых – выработка электроэнергии из горячей воды – получило широкое распространение в мире. Так, фирма ОРМАТ (Израиль) произвела и поставила в разные страны мира уже тысячи бинарных энергоблоков.
В условиях реформирования жилищно-коммунальных хозяйств и перевооружения отечественной энергетики бинарные технологии становятся важным элементом локальных автономных систем тепло- и электроснабжения. В АО «Наука» совместно с ведущими фирмами и институтами России (ИВТАН, ИТФ СОРАН, ВНИИхолодмаш, ВНИИнефтемаш) осуществляется разработка технического проекта энергоблока № 4 Верхнемутновской ГеоЭС с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Схема энергоблока № 4 Верхнемутновской ГеоЭС
В ближайшее время планируется начать строительство Паужетской ГеоЭС мощностью 4,0 МВт.
В соответствии с программой развития геотермальной энергетики Краснодарского края ведутся работы по подготовке технико-экономического обоснования проекта геотермального теплоэлектроснабжения г. Лабинска, где для выработки электроэнергии будет использована БЭС мощностью 4,0 МВт. Бинарные электростанции позволяют на основе использования низкопотенциального тепла различных источников вырабатывать электроэнергию, т.е. утилизировать тепло сбросной воды ГеоЭС, водогрейных котлов (в том числе работающих на биотопливе), некондиционных геотермальных скважин и даже новых реакторов для теплоснабжения.
Применение рабочих тел с низкой температурой кипения в циклах бинарных электростанций увеличивает эффективность использования потенциала теплоносителя и открывает широкие возможности для решения проблемы энергообеспечения удаленных регионов России.
7.4. Геотермальное теплоснабжение
В последние годы в мире отмечается значительный рост мощностей геотермального теплоснабжения. Системы геотермального централизованного теплоснабжения в основном применяются в Европе (лидеры – Франция и Испания), а также в Китае, Японии и Турции. В США преобладают системы геотермальной отопления отдельных домов.
Примером успешной реализации крупного геотермального теплофикационного проекта является создание системы геотермального теплоснабжения столицы Исландии г. Рейкьявика, которая обеспечивает около 99 % потребностей в тепле, потребляет 2 348 л/с геотермальной горячей воды температурой 86 – 127 °С. Эта система включает в себя деаэратор, насосную станцию, аварийные (резервные) баки, пиковую котельную и разветвленную сеть раздачи тепла.
Геотермальные ресурсы России обеспечивают хорошие перспективы развития теплоснабжения. По данным доктора технических наук О. А. Поварова [6], суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения составляет 430 МВт, перспективных – 21 тыс. МВт. В отдельных регионах они могут обеспечить до 10 % суммарного энергопотребления. В настоящее время геотермальные ресурсы используются в основном в трех регионах: в Дагестане, Краснодарском крае, на Камчатке. В Дагестане для теплоснабжения используется 4,1 млн м3 геотермальной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1988 г. 9,4 млн м3. В республике пробурено 123 скважины, эксплуатируется 45. Наиболее крупное месторождение – Кизлярское, где из 9 скважин ежегодно добывается 1,4 млн м3 геотермальной воды. Только здесь успешно осуществляется обратная закачка отработанного геотермального теплоносителя в две скважины в объеме 0,8 млн м3 в год, что составляет 57 % общего количества добытой воды. Системы теплоснабжения – двухконтурные, открытые. В первом контуре греющим теплоносителем является вода чокракского горизонта с температурой 115 °С, во втором – вода апшеронского горизонта с температурой 48 °С. При численности населения г. Кизляра 45 тыс. чел. геотермальным отоплением и горячим водоснабжением обеспечивается 70 % жителей. Разработан проект увеличения установленной мощности данной системы теплоснабжения из расчета обеспечения 100 % потребности города при обратной закачке всего отработанного теплоносителя. Стоимость реализации проекта – 1 млн дол., срок окупаемости 7 лет.
В Краснодарском крае добывается и используется для теплоснабжения 2,3 млн м3 геотермальной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1986 г. – 8,6 млн м3. Всего в регионе пробурено 79 скважин, из них эксплуатируется только 40. Установленная тепловая мощность 16 термоводозаборов составляет 238 МВт, годовая выработка тепловой энергии — 834 тыс. МВтч. Наиболее крупное месторождение – Мостовское с утвержденными запасами 11 тыс. м/сут, на котором эксплуатируется 13 скважин. Особенностью месторождения является низкая минерализация воды – 1 г/л при температуре 75 °С. В 1989 г. для отопления и горячего водоснабжения объектов поселка была построена геотермальная система теплоснабжения расчетной тепловой мощностью 5 МВт с двумя тепловыми насосами в качестве которых применялись парокомпрессионные машины А-220 московского завода «Компрессор». В результате трехлетней эксплуатации были подтверждены проектные характеристики этой системы, однако частые отказы тепловых насосов обусловили их демонтаж в 1992 г.
К числу масштабных проектов относится разрабатываемая система геотермального теплоэнергоснабжения г. Лабинска Краснодарского края с численностью населения 70 тыс. чел. Геотермальное месторождение вскрыто четырьмя скважинами с дебитами 2500 – 5000 м3/сут и температурой 110 – 120 °С, минерализацией 14 г/л, содержание фенолов составляет до 0,4 мг/л. Прогнозные эксплуатационные ресурсы месторождения оценены в 20 тыс. м3/сут, или 100 МВт. Расчетные тепловые нагрузки объектов города обеспечиваются 21 коммунальной и 25 производственными котельными. Большинство котельных оборудованы малоэффективными чугунными котлами и требуют модернизации.
На основе анализа тепловых нагрузок города и ресурсных характеристик месторождений расчетная тепловая мощность геотермальной системы теплоснабжения определена в 60 МВт, установленная электрическая мощность – 4 МВт. При этом предусматривается ее поэтапная реализация с первоочередным использованием трех существующих и бурением одной новой скважины. Все скважины соединяются магистральным теплопроводом, пропускная способность которого рассчитана на перспективное развитие до 60 МВт. Стоимость реализации данного проекта согласно разработанному бизнес-плану – 21 млн дол. срок окупаемости – 5 лет.
Включение бинарной электростанции в проект позволит значительно повысить его эффективность путем использования геотермального тепла для выработки электроэнергии в летний неотопительный сезон.
В современных условиях в системах теплоснабжения широко применяют тепловые насосы с использованием геотермальных источников энергии. В большинстве случаев это низкопотенциальные (так называемые грунтовые, или фоновые) геотермальные ресурсы, лежащие на глубине нескольких десятков или сотен метров.
Широкое распространение получили следующие способы извлечения первичного тепла:
– получение геотермальной воды из скважин;
– применение горизонтальных грунтовых теплообменников;
– устройство теплообменников типа «труба в трубе» в скважине;
– сооружение теплообменников в опорах фундаментов и других элементах конструкций зданий.
Для работы компрессоров тепловых насосов обычно применяют электропривод. Наблюдается тенденция снижения верхнего температурного уровня в системах теплоснабжения до 30 – 40 °С с устройством обогрева под полом, что позволяет уменьшить электропотребление компрессоров и повысить эффективность тепловых насосов в целом. Наибольшее развитие эти технологии получили в США, Швеции, Канаде, Германии, Швейцарии и Австрии. В последние годы использование тепловых насосов значительно увеличилось. Особенно ярко это выражено в США, где в 1997 г. работало около 45 000 геотермальных тепловых насосов, а в настоящее время прирост их количества составляет около 50 000 шт/год, в том числе 46 % – с использованием закрытых вертикальных теплообменников, 38-горизонтальных и 15 % – открытых систем.
Рис. 7.5. Принципиальная схема использования геотермальных ресурсов для тепло- и электроснабжения г. Лабинска (при температуре воздуха ниже 2,6 оС).
Ожидается дальнейший ежегодный рост на 10 % установленной мощности тепловых насосов в США (на сегодняшний день в США установлено более 500 000 тепловых насосов). В Швейцарии в среднем один тепловой насос приходится на 2 км территории. В нормах проектирования и строительства зданий в Швейцарии предусмотрено обязательное использование геотермальных тепловых насосов для теплоснабжения.
Россия, как северная страна с большой территорией, в первую очередь нуждается в развитии локальных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов. Для этих целей высокоэффективными являются тепловые насосы с использованием грунтового тепла. Эти технологии активно развиваются в мире, а в настоящее время осваиваются в Москве и других городах России. При строительстве аквадрома и других зданий в Москве предусмотрено применение тепловых насосов для систем нагрева воды и отопления. На юго-западе Москвы успешно работает система горячего водоснабжения 18-этажного жилого дома. Использование тепла грунта земли (шесть скважин-теплообменников на глубине до 30 м) в тепловых насосах вместе с утилизацией тепла вентиляционных выбросов позволяет обеспечить более дешевое, бесперебойное, круглогодичное горячее водоснабжение дома.
На Камчатке все теплоснабжение основано на сжигании привозного мазута из США и угля с Сахалина. Вместе с тем здесь имеются самые большие в стране геотермальные месторождения, тепловая мощность которых оценивается в 5 тыс. МВт, для теплоснабжения используется около 1 % этой тепловой мощности.
Наиболее перспективна разработка Верхне-Паратунского месторождения с температурой воды 85 °С и эксплуатационными запасами 23,3 тыс. м3/сут. Под руководством О.А. Поварова разработана геотермальная система теплоснабжения г. Елизово (пригород г. Петропавловск-Камчатского) расчетной тепловой мощностью 150 МВт. После транспортировки геотермальной воды с расходом 300 л/с от Верхне-Паратунского месторождения по теплопроводу длиной 30 км до г. Елизово ее температура снижается до 75 °С. Для полного использования теплового потенциала геотермального теплоносителя предусмотрена установка тепловых насосов общей расчетной тепловой мощностью 85 МВт. После охлаждения до 10 – 20 °С геотермальная вода сливается в водоем. Расчетный температурный график системы теплоснабжения – 95/60 °С. Установленная электрическая мощность тепловых насосов – 31 МВт, для их привода предполагается использовать электроэнергию от строящейся второй очереди Мутновской геотермальной электростанции мощностью 100 МВт. Реализация проекта позволит закрыть 25 мазутных и угольных котельных. Стоимость осуществления проекта – 50 млн дол., срок окупаемости – 5 лет.
Системы геотермального теплоснабжения существенно отличаются от традиционных. Они состоят из продуктивных и реинжекционных скважин, насосных станций и тепловых пунктов (ТП). Эти ТП имеют специфические тепловые и гидравлические характеристики. К их оборудованию, схемам, режимам эксплуатации предъявляются дополнительные требования.
В России проектирование геотермальных систем теплоснабжения выполняется в соответствии с нормами. Они содержат следующие основные разделы: теплотехнические и экономические принципы использования, схемы и оборудование, тепловой расчет систем отопления и охлаждения, регулирование отопления. За основные теплотехнические показатели совершенства геотермальной системы теплоснабжения приняты минимальный расход геотермальной воды и максимальное значение коэффициента эффективности, определяемого по формуле нагрева в годовом тепловом балансе системы геотермального отопления.
Экономические принципы, регламентированные нормами, требуют пересмотра в условиях рыночной экономики. Разделы, касающиеся оборудования, систем отопления и регулирования, основаны на устаревших подходах и технических решениях. Термины и определения не соответствуют общепризнанной международной терминологии. Для развития геотермального теплоснабжения принципиальное значение имело создание в 2003 г. российского Геотермального общества во главе с О. А. Поваровым. Международные семинары в г.Сочи (октябрь 2003 г.), Петропавловске-Камчатском (август 2004 г.), в работе которых приняли участие 180 специалистов из 17 стран, позволили определить приоритеты развития геотермии в России. В заключение можно сделать некоторые выводы:
В России имеются значительные ресурсы для развития систем геотермального теплоснабжения и определенный опыт их сооружения и эксплуатации.
Для масштабного внедрения геотермального теплоснабжения необходимо использовать мировой опыт, и в первую очередь – реинжекцию на термоводозаборах и тепловые насосы для глубокого охлаждения теплоносителя.
Российские нормы проектирования геотермального теплоснабжения целесообразно доработать с учетом проверенных мировой практикой технических решений и оборудования.