Научная статья на тему 'Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края'

Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
802
210
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ / ПАРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Манушин Э. А., Бирюков В. В.

Объектом исследования является паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла. Цель работы проектирование паротурбинной установки геотермальной электростанции бинарного цикла, предназначенной для разрабатываемых геотермальных месторождений и способной более эффективно использовать геотермальные ресурсы по сравнению с существующими паротурбинными установками на геотермальных источниках энергии. Выполнен анализ состояния действующих геотермальных электростанций, приведена оценка тепловых характеристик перспективных геотермальных месторождений Камчатского края, для которых предназначена проектируемая установка. В результате исследования выбрано геотермальное месторождение, для тепловых параметров которого производится расчет паротурбинной установки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Манушин Э. А., Бирюков В. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений Камчатского края»

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.15£ГІ 1994-0406

Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений камчатского края # 09, сентябрь 2011

авторы: Манушин Э. А., Бирюков В. В.

УДК 621.165.438

МГТУ им. Н.Э. Баумана birukov.vladimir@mail.ru

Камчатский край располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60...200 °С в платформенных и предгорных районах. Геотермальные станции базируются на источниках пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5.3 км. Пароводяная смесь имеет степень сухости 0,2...0,5 и удельную энтальпию 1500.2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3.5 МВт. В качестве

энергопреобразователей применяют паровые турбины.

Характеристика геотермальных ресурсов Камчатки

Камчатские месторождения теплоэнергетических вод трещинно-жильного типа горно-складчатых областей распространены в районах современного и недавнего вулканизма. В табл. 1 приведены основные характеристики Камчатского гидрогеотермального региона.

Таблица 1

Основные характеристики гидрогеотермального региона

Регион Температура, °С Минерализация, г/л Запасы воды, тыс. м3/сут Запасы тепла, тыс. Гкал/год Мощность ГеоЭС, МВт

Камчатский > 100 < 10 452 10725 > 900

Высокотемпературные геотермальные месторождения Камчатки (по данным ОАО «Геотерм») приведены в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики действующих ГеоЭС (данные 2009 г.)

Месторождения Состояние теплоносителя на выходе из скважины Средняя температура в резервуаре, °С Объeм резервуара, км3 Прогнозная максимальная электрическая мощность, МВт

Мутновское Перегретый и насыщенный пар 220 80±24 460±138

Северо- Мутновское 220 30±9 172±52

Кошелевское Перегретый и насыщенный пар 200 37,5±11,2 215±64

Нижне- Кошелевское 220 17,5±5,2 100±30

Больше-Банное Вода термальная 220 15±4,5 58±17

Оценка геотермальных потенциалов Камчатского края

Гидротермальные конвективные системы Камчатского края разделяются условно на высокотемпературные (температура в недрах выше 150 °С) и низкотемпературные (температура ниже 150 °С).

При оценке прогнозных геотермальных ресурсов высокотемпературных систем применялись два основных метода:

по величине естественной тепловой разгрузки (выносу тепла поверхностными термопроявлениями);

по данным определения тепловой энергии, содержащейся в горных породах, насыщенных флюидом и распространенных в пределах гидротермальных систем.

Например, при расчете прогнозных ресурсов действующей Паужетской гидротермальной системы ее тепловая мощность по сумме выноса тепла естественными термопроявлениями была определена в 104 МВт. Увеличивая это значение в четыре раза и вводя коэффициент перехода в полезную работу тепловой энергии на устье скважин (0,23) и перевода ее в электрическую энергию (0,4), получим прогнозную электрическую мощность - 38 МВт. Оценка ресурсов по второму методу требует определения объема блока, слоя или резервуара нагретых горных пород, знание температуры и удельного теплосодержания горных пород. Результаты расчета Паужетской гидротермальной системы приведены в табл. 3.

Таблица 3

Характеристика Паужетского месторождения

Месторождение Естественная тепловая разгрузка, МВтт Средняя температура резервуара, °С Электрическая мощность, МВтэ

Паужетское 104 220 38

На основании проведенных оценок месторождений, выделены перспективные высокотемпературные геотермальные месторождения, на платформе которых возможна работа проектируемой паротурбинной установки. Характеристики месторождений представлены в табл. 4.

Таблица 4

Прогнозные геотермальные ресурсы высокотемпературных систем

Гидротермальное Естественная Средняя Тепловая Прогнозная

месторождение тепловая температура энергия электрическая

разгрузка, резервуара, резервуара, мощность,

МВтт °С £ X) О МВтэ

Ходуткинское 42 220 16,2±4,8 117±35

Карымское 146 200 20,25±6,1 146±44

Апапельское 16 210 12,3±4,3 117±21

В настоящее время на Камчатке закончено строительство четвертого блока Верхне-Мутновской ГеоЭС электрической мощностью 6,5 МВт, комбинированного с бинарным циклом (отработанный теплоноситель не закачивается обратно в пласт, а используется для выработки электрической энергии). Предполагается, что добавление бинарного блока повысит мощность станции на 50 % без увеличения нагрузки на окружающую среду.

Включение в схему ГеоЭС бинарного блока выполнено впервые в России.

Проектирование паротурбинной установки геотермальной электростанции бинарного цикла

В рамках проектирования паровой турбины решаются следующие научнотехнические проблемы:

выбор оптимального низкокипящего рабочего тела;

определение минимальной температуры охлаждения конденсата,

обеспечивающей предотвращение отложений в рабочем тракте турбины; выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора -испарителя;

обеспечение экологических ограничений по выбросу сероводорода, основного загрязняющего атмосферу вещества, исследование теплофизических свойств рабочего тела бинарного энергоблока.

Выбор низкокипящего рабочего тела

В качестве низкокипящего теплоносителя второго контура выбран изобутан -углеводород класса алканов, изомер нормального бутана. При бурении геотермальных

скважин выделяется большой объем попутных газов, в том числе изобутана. Его температура кипения минус 11,73 °С, температура плавления минус 159,6 °С.

Выбор тепловой схемы геотермальной станции бинарного цикла

Первым этапом выбора тепловой схемы ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка, был анализ принципов создания, упомянутой выше, Верхне-Мутновской ГеоЭС.

В основу создания Верхне-Мутновской станции были положены новые технические решения:

применена блочная, при полной заводской готовности, система подготовки пара, которая расположена в непосредственной близости к ГеоЭС;

использован модульный тип ГеоЭС при 100 % заводской готовности основных блоков - модулей (турбогенераторы, электрическое оборудование);

обеспечена экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушным конденсатором, которая позволяет отобрать энергию от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки в землю. В этом случае теплоноситель не попадает в атмосферу.

Принципиально новые технические решения создания Верхне-Мутновской ГеоЭС были учтены, в частности при выборе тепловой схемы проектируемой станции.

На рис. 1 приведена схема ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка.

Рис. 1. Тепловая схема геотермальной электростанции бинарного цикла:

1- добычная скважина; 2 - нагнетательная скважина; 3 - сепаратор; 4 - паровая турбина; 5 -генератор; 6 - турбина на низкокипящем рабочем агенте; 7 - конденсатор-испаритель; 8 -пароперегреватель; 9 - воздушный конденсатор; 10 - ресивер; 11 - циркуляционный насос;

12 - нагнетательный насос

Проектирование паротурбинной установки на геотермальном рабочем

теле

Как показано на рис. 1, комбинированная геотермальная станция бинарного цикла включает в себя два энергетических узла. Первый энергетический узел состоит из паротурбинной установки, работающей на геотермальном рабочем теле.

На данном этапе исследовательской работы определены тепловые характеристики геотермального рабочего тела, низкокипящего рабочего агента, а также параметры сепараторной части и паровой турбины, для наиболее перспективного с экономической и технической точек зрения геотермального месторождения. По результатам оценок месторождений, представленных в настоящей работе, таким является Карымское геотермальное месторождение (см. табл. 4).

При средней температуре резервуара 200 °С теплоносителем на поверхности является перегретый и насыщенный пар/термальная вода.

В бинарной установке для электростанции предусмотрено использование пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, которая забирается из геотермальных скважин, для выработки электроэнергии в двух паротурбинных агрегатах конденсационного типа, работающих в базовом режиме с начальным давлением пара 0,65 МПа. Для обеспечения экологической чистоты проекта в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки (реинжекции) конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу.

Технико-экономические показатели ГеоЭС и паротурбинной установки: установленная мощность ГеоЭС - 50 МВт (два блока); расход пара на один блок -47,5 кг/с; расход пара на всю ГеоЭС - 95 кг/с; мощность (нетто) блока - 23,03 МВт, ГеоЭС - 46,06 МВт.

Работа сепаратора обеспечивает на выходе степень сухости пара более 0,9998 и общее солесодержание в паре менее 0,5 мг/л. Для обеспечения этих параметров пара сепаратор имеет промывочное устройство, в которое подается чистый конденсат. На номинальном режиме (по мощности) сепараторы пара работают при следующих параметрах:

Параметры пара на входе в сепаратор: расход - 47,317 кг/с; давление (абс) -

0,64 МПа; температура - 186,3 °С; влажность пара - 0,02 %.

Параметры пара на выходе из сепаратора: расход - 47,5 кг/с;

давление (абс) - 0,65 МПа; температура - 187 °С; влажность пара - 0,1 %.

Активно-реактивная двухпоточная турбина обеспечивает номинальную мощность 25 МВт. Она достигается при начальном давлении пара перед стопорной захлопкой 0,62 МПа, содержании в паре неконденсирующихся газов 0,4 % (по массе), давлении пара в конденсаторе 5 кПа. В каждом потоке турбины - восемь ступеней.

Номинальные расчетные параметры пара перед турбиной: давление пара - 0,62 МПа; степень сухости пара перед турбиной - 0,9998; содержание в паре неконденсирующихся газов - 0,4 %; давление пара в конденсаторе - 5,0 кПа.

Принципиальная схема установки второго контура

Во втором энергетическом узле, включающем турбину, работающую на изобутане, тепловая энергия сепарата 0С передается органическому рабочему телу (ОРТ). Соответствующий тепловой баланс может быть записан в виде:

0ССрС(Т1С-Т2С) = дортСрорт(І1орт-І2орт),

где СрС, Срорт - средняя теплоемкость соответственно сепарата и ОРТ; Т1С -температура сепарата на входе в теплообменник; Т2С - температура сепарата на выходе из теплообменника; Т1орт - температура ОРТ на входе в теплообменник; Т2орт - температура сепарата на выходе из теплообменника.

На рис. 2 приведена схема установки второго контура.

Рис. 2. Принципиальная схема установки второго контура:

1 - геотермальная скважина; 2 - турбина; 3 - генератор; 4 - конденсатор; 5 -нагнетательный насос; 6 - циркуляционный насос второго контура; 7 - блок теплообменников для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента

Энергоустановка бинарного цикла имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся:

более полное использование теплоты рассола и закачки его в пласт с меньшей температурой;

возможность использования геотермальных ресурсов с пониженной температурой для выработки электроэнергии;

агрессивные компоненты геотермального теплоносителя не попадают в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;

сопутствующие вредные газы не попадают в окружающую среду.

Недостатком установки является усложнение схемы и некоторая потеря температурного потенциала, поскольку для передачи тепла от геотермального флюида к рабочему телу необходим перепад температур.

Особенностью выполнения данной работы является возможность практической реализации и применения в машиностроении результатов проведенного исследования.

В работе определены температурные параметры геотермального и низкокипящего рабочих тел, состояние рабочего тела на поверхности скважин, давления скважин, параметры паровой турбины, давление перед стопорной захлопкой, расход пара и т.д. Кроме того, выполнен расчет и эскизное проектирование основного преобразователя энергии - паротурбинной установки. Исследование геотермальных месторождений и проектирование паротурбинных установок для Камчатского края носит стратегический характер, как в социальной, так и в экономической сферах.

Литература

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. М.: Высшая школа, 1980. 550 с.

2. Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: Физмалит, 2010. 256 с.

3. Берман Э. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 411 с.

4. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, Э.А. Манушин и др. М.:

Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. 519с.

5. Поваров О. А. Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке. М.: Теплоэнергетика, 2001. 154 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Теория тепломассообмена / Под ред. А. И. Леонтьева.- 2-е изд., испр. и доп.

М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 1997. 684 с.

7. Теплотехника / Под ред. А.М. Архарова.- 3-е изд., переработ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2011.791 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.