Основное оборудование геотермальных электростанций

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси с противодавленческими турбинами.

На месторождениях пароводяной смеси в вулканических районах (в России это Камчатка и Курильские острова) простейшим способом получения электроэнергии является использование противодавленческих паровых турбин.

Поступающая из геотермального резервуара по подъемной скважине пароводяная смесь направляется в сепаратор, где происходит разделение на жидкую (вода с растворенными солями и газами) и газовую (водяной пар и пластовые неконденсирующиеся газы) фазы. Затем парогазовая смесь по ступает на противодавленческую паровую турбину с генератором, отработанный пар с неконденсирующимися газами сбрасывается в атмосферу, а отсепарированная вода после возможного использования для теплоснабжения возвращается в геотермальный резервуар по нагнетательной (реинжекционной) скважине. При низком солесодержании возможен сброс отработанной воды в открытые водоемы.

Энергоблоки с противодавленческими турбинами обычно применяются при очень высоком содержании в газовой фазе неконденсирующихся газов (12… 15% по массе), когда их удаление из конденсатора становится энергетически и экономически невыгодным. Если по геологическим причинам время эксплуатации геотермального месторождения недостаточно для окупаемости конденсационных энергоблоков, то разработка месторождения вплоть до истощения может проводиться противодавленческими энергоблоками. Кроме того, энергоблоки с противодавленческими турбинами иногда используются при разработке геотермальных месторождений для привода буровых станков вместо дизелей, а также в качестве пусковых комплексов ГеоТЭС с последующей возможной заменой на конденсационные блоки. Такие турбины выпускаются в Японии, США, Италии. Их мощность обычно не превышает 10 МВт.

В России энергоблоки с противодавленческими турбинами установлены и эксплуатируются на о. Кунашир. На Калужском турбинном заводе разработаны энергоблоки Омега-500, Туман-2 и Туман-2,5, их основные характеристики приведены ниже в табл. 1.

Поскольку противодавленческие турбины значительно проще конденсационных по своей конструкции, их цена заметно ниже. Если для конденсационных энергоблоков типичные удельные капиталовложения 1000…1200 долл. за установленный киловатт (без учета затрат на разведку месторождения, бурение скважин и обустройство месторождения), то для противодавленческих блоков капиталовложения снижаются до 600…700 долл. за установленный киловатт. Однако разница в себестоимости электроэнергии значительно меньше, так как удельный расход пара на единицу мощности у противодавленческих турбин примерно вдвое выше, чем у конденсационных.

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси с конденсационными турбинами.

На большинстве действующих ГеоТЭС применяется тепловая схема с конденсационными турбинами. Она более эффективная по сравнению с тепловой схемой с противодавленческими турбинами.

Геотермальная пароводяная смесь или влажный пар с неконденсирующимися газами (НКГ) из подъемной скважины подается в сепаратор, откуда пар поступает на вход конденсационной турбины, а минерализованная вода направляется на реинжекционную скважину для возврата в пласт. Отработанный пар подается в смешивающий конденсатор. Поскольку в большинстве случаев на геотермальных месторождениях нет источников охлаждающей воды (реки или пруда-охладителя), применяется оборотная система отвода сбросного тепла, включающая циркуляционный насос, башенную градирню и конденсатный насос. Неконденсирующиеся газы, обычно содержащие большое количество сероводорода, удаляются из конденсатора эжекторами и подаются на верхний срез градирни для рассеивания в атмосфере вместе с паровым факелом.

Оборудование для таких ГеоТЭС выпускается в ряде стран: Италии, США, Японии.

Максимальная мощность конденсационного энергоблока составляет 100 МВт (ГеоТЭС Гейзеры, США), но обычно мощности энергоблоков находятся в интервале 12…50 МВт. В России освоен выпуск всего основного оборудования, в целом не уступающего, а по ряду показателей превосходящего лучшие мировые образцы. На Калужском турбинном заводе разработаны малый конденсационный энергомодуль полной заводской готовности Туман 4к (работающий на Верхне-Мутновской ГеоТЭС) и влажнопаровая турбина средней мощности 25 МВт со ступенью сепаратором (две такие турбины работают на первой очереди Мутновской ГеоТЭС).

В ОАО «Наука» на основе разработок ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского» по горизонтальным гравитационным сепараторам предложены и изготавливаются на российских заводах высокоэффективные геотермальные сепараторы. Эти сепараторы установлены в модульных энергоблоках Верхне-Мутновской ГеоТЭС и на первой очереди Мутновской ГеоТЭС. Сепараторы обеспечивают рекордное качество пара (влажность на выходе не выше 0,05%), что значительно снижает эрозию турбинных лопаток.

Возможная суммарная мощность таких ГеоТЭС в России определяется, в основном, потребностью в электроэнергии вулканических районов Камчатки и некоторых Курильских островов (всего около 1 млн кВт).

Удельные капвложения в строительство собственно электростанций такого типа составляют 1000…1200 долл/кВт, а суммарные удельные инвестиции с включением затрат на разведку месторождения, бурение скважин и обустройство геотермального промысла — 2000…2500 долл/кВт. Себестоимость электроэнергии после периода окупаемости примерно вдвое ни же, чем на расположенных в этих районах ТЭС на органическом топливе.

Геотермальные ТЭС на месторождениях пароводяной смеси или геотермальных рассолов с конденсационными турбинами и одноили многократным расширением геотермального флюида.

Если на месторождениях пароводяной смеси температура отсепарированной воды достаточно высока (выше 100 °С), то можно путем расширения [сбросом давления в расширителе 9 (рис.) получить дополнительный пар, который направляется на промежуточный вход турбины.

Это позволяет получить дополнительную работу и, тем самым, повысить КПД энергоустановки. Таких каскадов теоретически может быть несколько. На практике, однако, возможность применения таких схем ограничивается солеотложением в элементах оборудования в результате повышения концентрации солей выше предельной растворимости. На месторождениях пароводяной смеси раньше всего образуются отложения кремневой кислоты, растворимость которой быстро уменьшается при снижении температуры. На месторождениях геотермальных рассолов, добываемых из карбонатных коллекторов (Северный Кавказ) при расширении рассолов выделяется растворенный СО2, что приводит к нарушению углекислотного равновесия и образованию отложений кальцита, магнезита и т. п. Поэтому применение схем с расширителями возможно лишь при отсутствии массивных солеотложений или при использовании регулярной очистки оборудования.

Расширители являются сравнительно дешевыми объемными аппаратам и, поэтому их применение практически не увеличивает капиталовложения, остающиеся на уровне 1000 долл/кВт.

Геотермальные ТЭС с использованием низкокипящих чистых или смесевых рабочих тел.

Во избежание солеотложений, возникающих при упаривании геотермальных рассолов в схемах с расширителями, применяется схема с использованием низкокипящих рабочих тел.

Геотермальный рассол из подъемной скважины поступает в теплообменник-парогенератор (который обычно выполняется в виде двух кожухотрубных аппаратов? испарителя и подогревателя (экономайзера)). После охлаждения до предельной температуры, определяемой условием отсутствия солеотложений, рассол возвращается обратно в пласт по нагнетательной скважине. В связи с высокой стоимостью скважин, для увеличения расхода геотермального рассола иногда применяются погружные насосы, размещаемые на глубине до 200 м в подъемной скважине, а для обратной закачки практически всегда используется нагнетательный насос перед реинжекционной скважиной. Расход электроэнергии на привод этих насосов иногда достигает 20% от выработки электроэнергии.

В качестве рабочих тел таких ГеоТЭС используются хладагенты (углеводороды: пропан, бутан, фреоны, в последнее время рассматривается возможность применения водоаммиачной смеси). Жидкое рабочее тело подогревается и испаряется в парогенераторе и подается на вход турбины. Расширение пара низкокипящих рабочих тел в турбине происходит (в отличие от водяного пара) в области сухого пара, что связано с аномальным видом правой ветви их кривых насыщения в T, s-диаграмме — энтропия уменьшается при снижении температуры, поэтому из турбины выходит сухой пар. Если его температура значительно выше температуры конденсации, определяемой обычно температурой воздуха, целесообразно возвратить избыточное тепло в цикл, для чего используется непоказанный на схеме рекуперативный теплообменник, устанавливаемый перед конденсатором, который обычно является воздухоохлаждаемым из-за дефицита охлаждающей воды. Сконденсированное рабочее тело циркуляционным насосом подается на вход парогенератора (при наличии рекуператора — через него).

Первая в мире геотермальная энергоустановка по такой схеме с фреоном-22 в качестве рабочего тела была изготовлена в 1956 г. и испытана на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке. Оборудование для таких ГеоТЭС с разными рабочими телами изготавливалось рядом фирм в США, Японии, Италии, Австрии. В настоящее время промышленный выпуск энергомодулей мощностью 0,5…3 МВт с низкокипящими рабочими телами осуществляется фирмой «Ормат» (Израиль). Общая мощность ГеоТЭС, построенных во многих странах с этими энергомодулями, превышает 350 МВт. В нашей стране на Кировском заводе был спроектирован энергомодуль мощностью 1,5 МВт на озонобезопасном фреоне-42b. В настоящее время работы по созданию специальной турбины ведутся в ОАО «Наука».

В последние годы особое внимание проявляется к использованию водоаммиачной смеси в качестве рабочего тела. Этот интерес обусловлен изменением температуры в процессе парообразования смеси? сначала при более низкой температуре выкипает, в основном, аммиак и по мере уменьшения его концентрации температура кипящей смеси растет. В результате удается сблизить кривые охлаждения геотермального рассола и нагрева и парообразования водоаммиачной смеси в I, t-диаграмме, что приводит к снижению необратимых потерь эксергии при теплообмене и повышению КПД цикла ГеоТЭС. Кроме того, путем изменения концентрации аммиака в смеси можно эффективно использовать одну и ту же турбину на геотермальных месторождениях с температурами рассолов 80…200 °С.

Геотермальные ТЭС комбинированного цикла с паровой турбиной в верхнем цикле и низкокипящим рабочим телом в нижнем цикле.

Для более полного использования теплового потенциала геотермальной пароводяной смеси целесообразно использовать комбинированную тепловую схему.

Из подъемной скважины пароводяная смесь подается в сепаратор, откуда пар направляется в противодавленческую паровую турбину, после выхода из турбины пар поступает в конденсатор, являющийся парогенератором низкокипящего рабочего тела. Образующийся конденсат используется на станции. Отсепарированный горячий геотермальный рассол подается в пароперегреватель низкокипящего рабочего тела, после чего возвращается в пласт по нагнетательной скважине. Перегретый пар низкокипящего РТ подается на вход бинарной турбины, после расширения в которой идет в рекуператор, где охлаждается и идет в воздушный конденсатор. Сконденсированное низкокипящее РТ питательным насосом подается на предварительный подогрев в рекуператор и затем в парогенератор. Такая схема позволяет использовать тепло отсепарированного рассола для перегрева низкокипящего РТ, что приводит к увеличению КПД ГеоТЭС. Особенно эффективно применение такой схемы при низких температурах воздуха, так как благодаря низким температурам замерзания низкокипящих РТ (ниже -50 °С) можно осуществлять конденсацию при отрицательных температурах. Для условий Мутновского месторождения пароводяной смеси (среднегодовая температура воздуха? 5 °С) выработка электроэнергии на комбинированной ГеоТЭС увеличивается на 20% по сравнению с традиционным конденсационным циклом.