Геотермальная энергия. Схемы и особенности ГеоТэс. Развитие и геотермальной энергетики в России и мире
Согласно современных представлений, выделение теплоты в недрах Земли связано со следующими процессами:
1) радиоактивный распад долгоживущих элементов;
2) воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли;
3) гравитационная деформация материала Земли с образованием плотного ядра и менее плотной оболочки;
4) тектонические процессы, вызывающие смещение и упругие деформации крупных блоков земной коры;
5) химические превращения в недрах Земли.
В центре Земли температура ядра (жидкое железо) составляет 4000-5000 0К, в магматических очагах, близких к поверхности 1200-1500 0К. Плотность теплового потока у поверхности Земли » 0,006 Вт/м2 (температурный градиент 30 К/км), а в районах молодых складчатых областей доходит до » 0,3 Вт/м2 (градиент 200 К/км).
Пригодными для практического использования являются:
- месторождения сухого пара: легко осваиваются, встречаются редко;
-месторождения влажного пара: встречаются чаще (Камчатка, долина Гейзеров в США и т.д.);
- горячая (термальная) вода – ресурсы большие, используется для отопления и в тепличном хозяйстве;
- теплота сухих горных пород – ресурсы большие, однако, технологии использования на ранней стадии освоения.
Перспективными зонами с большими геотермальными ресурсами являются зоны тихоокеанского и средиземноморского вулканического пояса, где сосредоточено 80 % действующих вулканов. В данных районах на глубине 1-2 км исследовано более 100 геотермальных систем, в большинстве которых температура около 450 К (180 оС), в 20 районах более 510 К (240 оС) и в 6 – более 570 К (300 оС). В небольшом числе систем в парогидротермах преобладает пар с температурой более 500 К (230 оС), в остальных системах преобладает вода.
Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основные негативные факторы:
- повышенный уровень шума на выходе из скважины;
- загрязнение поверхностных водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием растворенных солей (низкая минерализация без очистки < 10 г/л, средняя очистка 10…35 г/л, высокая 35…200 г/л и более ® только в двухконтурных схемах ГеоТЭС);
- загрязнение окружающего воздуха попутными газами (сероводород H2S, метан CH4, аммиак NH3…).
Рассмотрим типичные тепловые схемы действующих ГеоТЭС (геотермальных тепловых станций).
1) ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором смешивающего типа.
Сухой пар из скважины подается после отделения в сепараторе твердых включений непосредственно в турбину, откуда в конденсатор смешивающего типа. Часть охлажденного конденсата используется для конденсации пара, остальная часть закачивается обратно в пласт.
2) ГеоТЭС на сухом паре с конденсатором поверхностного типа.
Отличается от первой схемы тем, что пар после турбины направляется в конденсатор поверхностного типа, а сопутствующие газы отводятся эжектором и очищаются от сероводорода.
3) ГеоТЭС на пароводяной смеси с одноступенчатым расширением.
Используются в тех случая, когда в геотермальной среде преобладает вода. Пароводяная смесь поступают в сепаратор, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а жидкая фракция закачивается обратно в пласт.
4) ГеоТЭС на пароводяной смеси с двухступенчатым расширением.
Отличается наличием дополнительного расширения Р2, что усложняет схему из-за необходимости двух паровпусков в турбину, но позволяет существенно, на 15-20 % повысить выработку электроэнергии на единицу массы вещества, поднимаемого из скважины.
5) ГеоТЭС с бинарным двухконтурным циклом
Имеется теплообменник, в котором геотермальная среда передает теплоту другому рабочему телу.
Преимущества двухконтурного цикла:
- более полно используется теплота рассола, который закачивается обратно в пласт с меньшей температурой;
- возможно использование геотермальных сред с пониженной температурой;
- исключено попадание агрессивных компонентов геотермальных сред в паросиловой цикл, что обеспечивает длительную эксплуатацию его оборудования (турбина, конденсатор, …);
- исключено попадание сопутствующих вредных газов в атмосферу (окружающую среду).
Существенной проблемой данных ГеоТЭС является необходимость установки в скважине погружных насосов для поддавливания геотермальной среды и обеспечения её однофазности в теплообменнике – парогенераторе ПГ. Продолжительность работы таких насосов невелика из-за агрессивности геотермальной среды.
В состав ГеоЭС традиционно входят: скважинное оборудование, система подготовки рабочего тела, турбина, конденсационная установка, система водоснабжения, электрическая часть. Высокая надежность турбоустановки обеспечивается, прежде всего качественной осушкой геотермального пара, выводом вместе с сепаратором примесей из рабочего тела. Пароводяная смесь со степенью влажности 50-70 %, пройдя скваженный сепаратор горизонтального гравитационного типа, имеет степень влажности на выходе 0,05 %. Осушенный таким образом пар от 3-5 скваженных сепараторов собирается в стационарном гравитационном сепараторе – паросборнике, после чего со степенью влажности не более 0,05 пар направляется в турбину. Для питания эжекторов используется пар от расширителя, куда сбрасывается сепарат после скважинных сепараторов, это позволяет почти на 10 % повысить экономичность энергоблока.
Проблемы коррозии-эрозии и солеотложений решаются на основе выбора оптимальных материалов, существенным снижением агрессивности пара путем осушки и промывки, усилением уязвимых мест в конструкции оборудования, предполагаемым использованием специальных ингибиторов для предотвращения коррозии.
Экологическая чистота энергоблока обеспечивается применением в схеме системы закачки конденсата, содержащего вредные примеси в скважину захоронения, а также использование специальных шумоглушителей. В проточной части влажнопаровой турбины выполнена внутриканальная периферийная сепарация и кроме того установлена высокоэффективная ступень.
Использование ступени сепаратора позволяет снизить степень влажности за турбиной с 15 до 10 %. Относительный внутренний к.п.д. – 0,7-0,84. Подвод и регулирование расхода рабочего тела турбины осуществляется поворотной регулирующей диафрагмой.
Некоторые технические характеристики турбоустановок блочных ГеоЭС средней мощности:
Мощность, кВт 600 1200 2300
Давление на входе, МПа 0,2 0,6 0,7
Расход пара, т/ч 7,5 90 170
Давление за турбиной, МПа 0,01 0,0085 0,012.
Технико-экономические расчеты показывают, что наряду со строительством крупных ГеоЭС, таких как Мутновская и Паужетская с блоками 23 и 6 МВт для малонаселенных районов Курильских островов, Камчатки, Сахалина целесообразно создание модульных геотермальных энергетических установок относительно небольшой мощности 0,5; 1,7; 2,5; 4 МВт.
Одним из наиболее перспективных геотермальных районов является Камчатка. Прогнозируемая установленная мощность ГеоТЭС здесь может составить 1500 МВт по электроэнергии и 2000 МВт по теплоте. Первая, Паужетская ГеоТЭС мощностью 0,6 МВт по бинарному циклу была построена в 1967 г., сейчас она реконструирована по одноконтурной схеме и ее мощность равна 11 МВт. Параметры пара в устье скважин 417-473 К (140-200 оС), давление 0,2-0,4 МПа, глубина скважин 220-480 м, минерализация воды 1-3,4 г/л. Вода после сепаратора, имеющая температуру 370-380 К частично используется для теплоснабжения, частично сбрасывается в реку.
В 1998 г. на Камчатке построена Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт (3 х 4 МВт). Это первая в мире экологически чистая геотермальная электростанция с воздушными конденсаторами, обратной закачкой воды в пласт и предварительным растворением в этой воде неконденсирующихся газов. Геотермальная двухфазная среда, поднимаемая из скважин на Мутновском месторождении, содержит 40 % насыщенного пара при 440 К (167 оС) и 60 % насыщенной воды. Общая мощность ГеоТЭС на Мутновском месторождении составит 300 МВт. В настоящее время строится первая очередь ГеоТЭС мощностью 50 МВт (пуск в 2001 г.). В дальнейшем готовится пуск серии ГеоТЭС с одноконтурным, комбинированным и бинарным циклами.
В настоящее время общая установленная мощность ГеоТЭС превышает 7000 МВт по электроэнергии и 11500 МВт по теплоте. 50 стран мира уже пользуются геотермальной энергией и 80 стран потенциально заинтересованы в ее использовании.
№ 69