CC BY
39
ЭКОНОМИКА ОСВОЕНИЯ : ГЕОРЕСУРСОВ :
Э.И. Богуславский, 2000
УДК 658.264
Э.И. Богуславский
ЭКСПРЕС-МЕТОДЫ ПРЕДПРОЕКТНОЙ ОЦЕНКИ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
ід пі і і/"VI
1 РОССИ
і і т
ABSTRACT
Использование низкотемпературных источников геотермальной энергии - одно из генеральных направлений в решении проблемы теплоснабжения центральных регионов России в XXI веке. Это подтверждается: отсутствием собственных традиционных энергоресурсов, большими затратами на их транспортировку из других регионов, определенными преимуществами геотермальных ресурсов, разработанностью научных основ их освоения, мировым промышленным опытом и спецификой систем теплоснабжения в стране.
Перспективные геотермальные ресурсы на территории 8 административных областей Центра России только по двум термоводоносным горизонтам Московской синеклизы составляют 44,17 млрд. т у.т., что обеспечивает теплопотребности этих ресурсообеспеченных территорий на 300-500 лет;
Многообразие геолого-геотермических условий продуктивных горизонтов Московской синеклизы характеризует природные условия строительства систем геотермального теплоснабжения (СГТ), а широкий спектр тепловых нагрузок, температурных режимов потребителей и расстояний транспортировки теплоносителя -директивные требования пользователя. В целом на их конструктивные, технологические и экономические параметры и показатели оказывают влияние около 150 факторов. Поэтому адекватные решения при проектировании СГТ, возможны только на оптимальном уровне определения этих параметров и показателей. Аппаратом, в системе научного проектирования СГТ стало экономико-математическое моделирование их
строительства и эксплуатации. В целях системной оптимизации СГТ автором в 1971 г. была разработана первая экономико-математиеская модель (ЭММ) и к настоящему времени создана группа моделей, имитирующих функционирование таких систем при различных технологиях добычи теплоты недр и разных целях ее использования.
Выполненная на базе ЭММ сопоставительная оценка влияния главных природных факторов на конструктивные, технологические, эксергетические и экономические параметры и показатели работы СГТ, позволила создать и рекомендовать новую экспресс-методику их расчета при
проектировании, строительстве и эксплуатации СГТ на территории центральных регионов России.
Принципы научного
проектирования при освоении геотермальных ресурсов центральных областей России
1) Методические принципы На базе ЭММ выполнена техникоэкономическая оценка систем
геотермального теплоснабжения для 8 административных областей Центра России, расположенных на территории Московской синеклизы. Многообразие геолого-геотермических условий
продуктивных горизонтов этой структуры, характеризует природные условия
строительства СГТ, а широкий спектр тепловых нагрузок, температурных режимов потребителей и расстояний транспортировки теплоносителя - директивные требования пользователя.
В общей сложности на конструктивные и технологические параметры СГТ оказывает влияние около 150 факторов. Поэтому адекватная оценка целесообразности освоения геотермальных ресурсов возможна только на оптимальном уровне определения параметров и показателей таких станций. Существенное значение при этом, имеет анализ воздействия названных условий и требований на параметры СГТ, эксергетические и экономические
показатели работы.
В целях системной оптимизации СГТ в 1971 г. была разработана первая экономико-математическая модель и к настоящему времени создана группа моделей, имитирующих функционирование этой станции при различных технологиях добычи теплоты недр и разных целях ее использования [5, 6]. На базе такой модели СГТ, включающей ГЦС с естественным коллектором и теплонасосную установку (ТНУ), выполнены оптимизационные расчеты для различных геологогеотермических и теплоэнергетических условий
центральных областей России.
В качестве генерального критерия при оптимизации СГТ использовалась чистая текущая стоимость (net present value — NPV). Оценочными критериями выбраны:
инвестиции, себестоимость отпуска тепловой энергии в
сеть, экономия органического топлива (природного газа) и коэффициент экономической целесообразности.
NPV - суммарные текущие дисконтированные потоки денежных средств (поступлений или прибылей), за вычетом первоначальных инвестиций. Предлагаемый к инвестированию проект принимается при величине NPV >
0. Это означает, что в течение всей экономической жизни СГТ возместит первоначальные затраты и обеспечит получение прибыли согласно заданному стандарту дисконтной ставки. При NPV < 0 - проект убыточен, а при NPV = 0 - не приносит дохода.
Инвестиции дифференцировались по основным строительным объектам и в конечных оценках отражены в целом по СГТ и по двум комплексам - ГЦС и ТНУ.
Экономия топлива характеризует (в топливном эквиваленте - т у.т.) разницу между производством
теплоты и расходом органического топлива для выработки электроэнергии, потребляемой СГТ на собственные нужды. Кроме того определена экономия органического топлива как разница между производством теплоты - с одной стороны и расчетной выработкой теплоты электрокотельной при использовании электроэнергии, расходуемой СГТ на собственные нужды. Это позволяет сделать энергетический анализ работы геотермальной станции, сопоставив производство, собственные нужды и возможную альтернативу.
Коэффициент экономической целесообразности выражает отношение удельных затрат на производство теплоты топливной котельной (в данных расчетах - на природном газе) к удельным затратам на отпуск теплоты СГТ тому же потребителю, т.е. равной мощности. При значении этого критерия больше единицы, строительство геотермальной станции можно считать экономически целесообразным. Использование других критериев бизнес-планирования: максимума внутренней нормы прибыли (internal rate of return - IRR), индекса прибыльности (profitability index), срока окупаемости и др. вряд ли обязательно на этапе подготовки предпроектной документации.
Разработана компьютерная методика [7] расчета и оптимизации бизнес-плана в сочетании, а точнее на базе указанной экономико-математической модели геотермальных систем с естественными коллекторами. Представляется, что она, в большей мере, должна обслуживать этапы выполнения ТЭО (проекта), т.к. позволяет предложить заказчику для конкретных природных условий конструктивные, технологические и экономические параметры и показатели СГТ, оптимальные не по усредненным и поэтому достаточно абстрактным критериям, а с учетом конкретного финансового сценария реализации проекта, в котором увязаны взаимные интересы и обязательства инвесторов и потребителей.
2) Геолого—геотермические условия.
Геолого-геотермические условия являются определяющими при определении параметров и показателей СГТ. В принятой методике используется 14 факторов этой группы. Как показал длительный опыт и проведенные исследования, наиболее существенное влияние на параметры и показатели СГТ оказывают 5 из них: глубина залегания продуктивного пласта, его
температура, эффективная мощность, проницаемость и пластовое давление.
Для получения обобщенных характеристик двух продуктивных горизонтов Московской синеклизы выполнен статистический анализ испытаний более 60 глубоких скважин (по материалам Л.А. Певзнера, И.Ф. Горбачева,
Э.С. Никашина и А.Я. Чагаева). Средняя глубина залегания среднедевонского горизонта составляет 1300-1400 м, изменяясь в пределах от 900 до 1900 м; температура пласта меняется от 20 до 58 0С, средняя - 37-40 0С; мощность коллектора - от 25 до 250 м, средняя - 140-160 м; проницаемость - от 0,2 до 3,0 Дарси, средняя - 1,9-2,1 Дарси. Условия среднекембрийского горизонта отличаются большей глубиной залегания коллектора - до 2300-2500 м, при средней - 1800-2000 м; более высокой пластовой температурой - до 70-75 0С, при средней - 50-55 0С; меньшей мощностью - до 70-80 м, при средней - 40-50 м
и значительно меньшей проницаемостью - от 0,01 до 1,5 Дарси, при средней - 0,6 Дарси.
Выбор представительных обобщенных геологогеотермических характеристик, объединяющих условия Московской синклинали, довольно затруднителен, особенно с учетом одновременной эксплуатации двух термоводоносных горизонтов, а может быть и подключения более глубоких пластов. После анализа геологогеотермических условий и требований возможных пользователей на территории центральных областей России, а также учитывая работы по проектированию и строительству СГТ в г. Ярославле и Рыбинске, к оценке параметров и показателей геотермального теплоснабжения в центральных регионах России приняты:
Глубина залегания естественного
коллектора.... 1,2,3 и 4 км
Температура пород
коллектора................. 30,40,50 и 60 0С
Проницаемость пород
коллектора................. 0.46 Дарси
Мощность коллектора........ 83 м
Пластовое давление......... гидростатическое
3) Определение технических и технологических параметров СГТ.
Влияние основных геолого-геотермических условий на NPV, инвестиции в строительство СГТ и себестоимость отпуска теплоты довольно подробно исследовалось и отражено в ряде работ [2-4, 8 и др.]. Максимальное изменение оценочных критериев, в частности капиталовложений в строительство СГТ, связано с проницаемостью пород продуктивных горизонтов Московской синеклизы. Однако, существенные перемены происходят в диапазоне до 0,3-0,4 Дарси, а далее - с увеличением проницаемости, ее влияние на техникоэкономические показатели (ТЭП) становится практически несущественным. То же происходит с мощностью естественных коллекторов: до значений 40-70 м, она значительно сказывается на ТЭП, а затем - это воздействие резко падает. Поэтому наибольшее влияние на ТЭП добычи геотермальной энергии в условиях Московской синеклизы оказывает температура пород коллекторов и глубина их залегания.
а) Определение теплопроизводительности СГТ.
Будущее развитие геотермальной энергетики в центральных областях России существенно зависит от границ экономической целесообразности тепловой мощности СГТ. Доказательство их конкурентоспособности для обеспечения отопления и горячего водоснабжения жилкомбыта и технологических нужд производств городов, поселков, деревень, фермерских хозяйств и др. позволит утверждать, что геотермальный источник энергии в XX1 веке может стать серьезной альтернативой органическому топливу.
Температурный режим теплоносителя, направляемого Заказчику, принят 90/40 0С, в соответствии с
дополнительным обоснованием изменения стандартной нормы - 150/70 0С. Цены на электроэнергию - 50 USD/МВт.ч и на топливо (природный газ) - 124 USD/т у.т. приняты по конъюнктуре мирового рынка.
Определение экономически целесообразной
теплопроизводительности СГТ, при различных значениях температуры пласта и глубины его залегания, проводилось
по принципу расчета (на оптимальном уровне) предельно максимального ее значения для модуля ГЦС, состоящего из одной пары скважин. Компьютерный способ проведения расчетов обеспечил возможность экономикоматематического моделирования СГТ и оптимизацию ее параметров при рассмотрении до нескольких тысяч вариантов. По результатам моделирования оптимальные значения расчетной (максимальной)
теплопроизводительности СГТ (принимаемой
проектировщиками по самой холодной пятидневке года) составили от 4 до 74 ГДж/час (рис. 1).
Для составления Бизнес-планов, Инвестиционных проектов и других предпроектных обоснований важно иметь уравнения для экспресс-расчетов оптимальной
б) Определение гидродинамических параметров СГТ.
Для выбора оборудования СГТ необходимо укрупненно
оценивать гидродинамические параметры системы. Удельный дебет добычной скважины по данным экономикоматематического моделирования практически не зависит от глубины естественного коллектора, но существенно снижается с ростом его температуры. Экспресс-расчет может быть проведен по формуле (6).
Wуд = 342,34 * t -1 048, м3/ГДж; (6)
Удельное давление нагнетания и откачки (погружным насосом) снижается с ростом температуры пласта и глубины его залегания. Повышение дебита скважин для обеспечения роста теплопроизводительности СГТ, ведет к увеличению потерь напора в контурах СГТ и должно контролироваться возможностями существующих типоразмеров
нагнетательных и погружных насосов.
Расчеты удельного давления нагнетания и откачки могут укрупненно проводиться по формулам (7-9):
Руд = а * t ь, кПа/(м3/ч.); (7)
а = 99,15 *е 0,857*н; (8)
Ь = - 0,46 * Н 0,5; (9)
в) Определение годовой экономии топлива.
В связи со значительным расходом электроэнергии на собственные нужды СГТ, особенно
350.0 -і 300.0 О. “ [§; 250,0 ■ 200.0 - і 5 150,0 ^ ^ X ь 100,0 А. О 50,0 ^ 0,0 -1 1 1 1 1 30 40 50 60 70 Температура пласта, 0 С — - Н=1 кт - - - Н=2 кт — —Н=3 кт Н=4 кт
теплопроизводительности СГТ. Такую возможность предоставляет выпол-
Рис. 1. Зависимость оптимальной тепловой производительности модуля СГТ от глубины залегания пласта и его температуры
ненная аппроксимация результатов экономикоматематического моделирования:
Q = - а*Н3 + Ь*Н2- с*Н + d, ГДж/час; (1)
а = 1,6*10 -4 * I2-295; (2)
Ь = 7,1*10-3 * I2- 0,38* I + 7,269; (3)
с = 12,5*10-3 * I2- 0,698* I + 16,232; (4)
d = 1,846* I - 37,8. (5)
Здесь и далее: а, Ь, с, d - численные коэффициенты; Н -
глубина залегания естественного коллектора, км; I -температура пласта, 0С. Проверочные расчеты показали допустимую сходимость результатов ЭММ с расчетами по предложенным (1-5) уравнениям регрессии.
Рис. 2. Годовая экономия органического топлива при замене котельной модулем СГТ, в зависимости от температуры пласта - t и глубины его залегания - Н
Температура пласта, С
|_ . _Н=1 кт - - - - Н=2 кт--------Н=3 кт -
Рис. 3. Зависимость удельных инвестиций строительство СГТ от температуры пласта и глубины его залегания
о
Н=4 кт
в
термотрансформацию, проведен энергетический анализ работы станции. Сопоставлены: годовое замещение органического топлива при геотермальном теплоснабжении с расчетным расходом топлива на производство электроэнергии, потребляемой СГТ на собственные нужды (рис. 2). Годовая экономия органического топлива при замене котельной модулем СГТ, в зависимости от температуры пласта и глубины его залегания может определятся по аппроксимированным
уравнениям (10-12):
Тэк = а * t Ь, т у.т./год; (10)
а = 5,13 * 10 -5 * е (0Д54 * Н); (11)
Ь = -0,119 * Н + 4,4; (12)
Для всего диапазона температур и глубин термоводоносных пластов отпуск энергии СГТ на 15-45 % выше ее потребления на собственные нужды.
г) Определение удельного расхода электроэнергии на собственные нужды СГТ.
Удельный расход электроэнергии на выработку теплоты слабо зависит от глубины залегания пласта и линейно связан с его температурой (13-15). ТНУ расходует до 80 % от затрат электроэнергии на собственные нужды
СГТ:
^гт = - 0,775 * t + 138,4, кВт.ч/ГДж; (13)
YTну = - 0,573 * t + 113,7, кВт.ч/ГДж; (14)
^^гцс = - 0,199 * t + 24.7, кВт.ч/ГДж; (15)
4) Определение экономических показателей СГТ.
В связи с неуправляемой и непредсказуемой динамикой изменения цен и тарифов, для прогнозных оценок сделана попытка перевести экономические расчеты на долларовый эквивалент. Опираясь на фактические и расчетные данные американского опыта и учитывая специфику переходного периода, приняты корректировочные коэффициенты, позволяющие выйти на расчетный доллар, близкий к биржевому курсу рубля. Эти коэффициенты корреспондируются с технико-экономическими расчетами "Балтийского проекта", выполненными специалистами Дании и материалами проектных оценок германских специалистов [1, 9]. Вероятная приближенность и
условность этих коэффициентов в определенной Рис. 4. Зависимость удельных значений NPV от температуры пласта - t и глубины его залегания - Н
мере компенсируется сопоставительным характером проверочного критерия оценки: коэффициента
экономической целесообразности.
а) Определение капиталовложений на строительство оптимального модуля СГТ.
Капиталовложения на строительство оптимального модуля СГТ существенно зависят от глубины, а при малых глубинах -несущественно от температуры пласта (рис. 3). Возможность экспресс-расчета инвестиций трудно переоценить. Уравнения
(16-19) позволяют выполнить укрупненные расчеты потребностей в капиталовложениях с допустимым приближением к результатам ЭММ.
Куд.сгт = а ^ - Ь t + с, тыс. дол./(ГДж/час); (16) а = - 0,00317 Н3 + 0,01595 Н2 + 0,01272 Н - 0,0052;
(17)
Ь = 4,128 Н - 1,6341; (18)
с = 27,285 Н3 - 164,04 Н2 + 431,96 Н - 175,94.
(19)
б) Определение NPV.
Генеральный критерий экономической
целесообразности - NPV, определяет границы возможного строительства СГТ для теплоснабжения жилых массивов, промышленности и сельского хозяйства. При глубинах залегания пластов более 3-4 км, и их температурах ниже 50-60 0С, экономическая деятельность СГТ - имеет отрицательный результат. То же происходит при глубинах залегания пластов более 23 км и температурах 30-40 0С (рис. 4). Расчет NPV может производиться по уравнениям (20-22), адекватным результатам ЭММ:
ОТ^уд = а * Ln (;) - Ь, тыс. дол./(ГДж/час); (20)
а = 6,0268 Н3 - 33,501 Н2 + 60,809 Н - 7,205;
(21)
Ь = 24,595 Н3 - 135,05 Н2 + 249,29 Н - 60,86.
(22)
Заключение
1. Освоение низкотемпературных термоводоносных горизонтов на значительных территориях центральных областей России технически возможно и экономически целесообразно.
2. Выполненная сопоставительная оценка влияния главных природных факторов на конструктивные, технологические, энергетические и экономические параметры и показатели работы СГТ позволила создать и рекомендовать новую экспресс-методику их расчета для проектирования СГС на территории центральных регионов России.
4. Широкий диапазон целесообразной теплопроизводительность модуля, конкурентоспособные параметры и показатели СГТ, позволяют использовать низкотемпературную геотермальную энергию для потребителей практически на всей ресурсообеспеченной территории 8 центральных областей России.
5. Экономически негативные результаты геотермального теплоснабжения центра России возможны в сравнительно узком диапазоне рассматриваемых геологогеотермических условий: при глубинах залегания пластов более 3-4 км, и их температурах ниже 50-60 0С, а так же при глубинах залегания пластов более 2-3 км и температурах 30-40 0С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахман Инго. Использование
геотермальных вод в Г ермании (опыт эксплуатации первых геотермальных теплостанций). Проблемы использования геотермальной энергии. Международный симпозиум «Проблемы геотермальной энергии», т. 3, 1995, с.40-45.
2. Богуславский Э.И. Техникоэкономическая оценка освоения тепловых ресурсов недр. Высшая школа, Л., изд. ЛГУ, 1984,- 168 с.
3. Богуславский Э.И. Экономическая оценка геотермальных ресурсов. Тепловой поток Земли, геотемпературные поля и геотермальные ресурсы. Международный
симпозиум «Проблемы геотермальной энергии», т. 1, 1995, с.86-96.
4. Богуславский Э.И. Оценка техникоэкономических параметров и показателей систем геотермального теплоснабжения в различных условиях России. Проблемы использования геотермальной энергии.
Международный симпозиум «Проблемы геотермальной энергии», т. 3, 1995, с.75-88.
5. Богуславский Э.И. Экономикоматематическое моделирование систем извлечения и использования тепла Земли. Учебное пособие. Л., изд. ЛГИ, 1981.- 105 с.
6. Boguslavsky Emil. Economic-Mathematical Modelling ot Geothermal Circulation systems and Optimization of Their Parameters. «Proceedings of the World
Geothermal Congress», 1995. Florence,Italy, 18-31 May 1995, Volume 4.- p.2847-2851.
7. Богуславский Э.И., Табаченко Г.С.
Принципы бизнес-планирования на стадии технико-экономических обоснований
геотермальных систем теплоснабжения. Сборник трудов аспирантов и студентов СПГГИ. Изд. СПГГИ, 1995.
8. Development of geothermal resources of Moskow artesian basin. «Proceedings of the World Geothermal Congress», 1995. Florence, Italy, 18-31 May 1995, Volume
1.- p.601-605. / Emil I. Boguslavsky, Anna B. Vaineblat, Lev A. Pevzner, Anatoly A. Smyslov, Bilat N. Khakhaev.
9. Mahler Allan. Geothermal Plant in Thisted, Denmark With Absorption Heat
Pump. Проблемы использования геотермальной энергии. Международный симпозиум «Проблемы геотермальной энергии», т. 3, 1995, с.34-40.
Санкт-Петербургский государственный горный
Богуславский Э.И. институт
