УТИЛИЗАЦИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОДНОФАЗНОГО ВОДНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В БИНАРНЫХ УСТАНОВКАХ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

GEOTHERMAL ENERGY

Статья поступила в редакцию 09.09.14. Ред. рег. № 2088 The article has entered in publishing office 09.09.14. Ed. reg. No. 2088

PACS 88.10.-g, 88.10.H, 88.10.hh УДК 621.311.22:551.23

УТИЛИЗАЦИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОДНОФАЗНОГО ВОДНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В БИНАРНЫХ УСТАНОВКАХ

Г.В. Томаров, A.A. Шипков

ЗАО «Геотерм-ЭМ» 111250 Москва, ул. Лефортовский вал, д. 24 тел.:+7(495)918-00-04, e-mail: geotherm@gmail.com

Заключение совета рецензентов: 15.09.14 Заключение совета экспертов: 20.09.14 Принято к публикации: 25.09.14

Рассматривается современное состояние и актуальность развития бинарных энерготехнологий для утилизации тепла геотермальных электростанций. Показаны масштабы и «география» распространения бинарных установок за рубежом. Представлены основные подходы и принципы проектирования отечественных геотермальных бинарных установок. Освещены вопросы выбора органических тел для энергоустановок с бинарным циклом. Рассмотрены технические характеристики и конструктивные особенности оборудования пилотной бинарной установки мощностью 2,5 МВт, утилизирующей сбросной сепарат Паужетской ГеоЭС. Показаны результаты расчета переменных режимов работы бинарной турбины Паужетской ГеоЭС с учетом изменения расхода и температуры сепарата и охлаждающей воды. Описана принципиальная схема и особенности работы системы вакуумирования, заправки и опорожнения рабочего контура Паужетской ГеоЭС. Определены перспективные энергетические проекты с использованием бинарных установок. Сформирован перечень планируемых НИОКР по отработке и совершенствованию российских бинарных энерготехнологий.

Ключевые слова: геотермальная электростанция, однофазный геотермальный теплоноситель, бинарный цикл, рабочее тело, турбогенератор, теплообменник, тепловая схема, оптимизационные исследования.

UTILIZATION OF GEOTHERMAL WATER IN BINARY-CYCLE POWER PLANTS

G.V. Tomarov, A.A. Shipkov

JSC "Geotherm-EM" 24 Lefortovsky val, Moscow, 111250, Russia Tel.: +7(495)918-00-04, e-mail: geotherm@gmail.com

Referred: 15.09.14 Expertise: 20.09.14 Accepted: 25.09.14

The current state and the importance of the development of binary technologies for heat recovery from geothermal power plants are considered. The scope and spread "geography" of binary installations abroad is showed. The main approaches and design principles for Russian geothermal binary plants are presented. Issues of organic working fluids choice for power plants with binary cycle are considered. The technical characteristics and design features of the equipment for pilot binary plant (2.5 MW capacity) utilizing of discharged brine from Pauzhetskaya Geothermal Power Plant are examined. The results of calculation of variable operating modes depending on flow rate and temperature of the brine and cooling water for the Pauzhetskaya binary geothermal power plant turbine are proposed. This design features of the vacuum, filling and discharge system of the working fluid (R-134a) loop for Pauzhetskaya Geothermal Power Plant are described. The promising power energy projects on the base of binary technologies use are suggested. A list of the planned R&D investigations to simulate and improve the Russian binary energy technologies is proposed.

Keywords: geothermal power plant, geothermal water, binary cycle (organic Rankine cycle, ORC), organic working fluid, turbine generator, heat exchanger, schematic of geothermal ORC, parameter optimization.

№ 18 (158) Международный научный журнал

Григорий Валентинович Томаров Grigory Valentinovich Tomarov

Сведения об авторе: ген. директор ЗАО «Геотерм-ЭМ», д-р техн. наук, профессор, член Научного Совета ОЭММПУ РАН отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН по ВИЭ, эксперт от РФ в рабочей группе МАГАТЭ по проблемам эрозии-коррозии металла, руководитель рабочей группы по геотермальной энергетике технологической платформы «Перспективные технологии возобновляемой энергетики», эксперт экспертной комиссии фонда «Сколково», эксперт РФФИ, эксперт «Российского научного фонда», член редколлегии журнала «Новое в российской электроэнергетике», член НТС ОАО «РусГидро», член докторского диссертационного совета НИУ «МЭИ».

Лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники (2003).

Область научных интересов: гидродинамика одно- и двухфазных потоков, многокомпонентные дисперсные среды, физико-химические процессы эрозии-коррозии металла, водно-химические режимы энергетических установок, технологии и оборудование геотермальных электростанций и систем теплоснабжения.

Публикации: более 200 научных трудов, более 20 патентов.

General Director of JSC "Geotherm-EM", Doctor of Engineering Science, Professor, member of the Scientific Council of RAS - Branch Energy, Engineering, Mechanics and Control Processes of RAS on renewable energy, expert from the Russian Federation to the IAEA Working Group on flow-accelerated corrosion of metal, head of the working group on geothermal energy of technology platform "Advanced technologies for renewable energy", the expert of the expert committee of the Russian Innovation Center "Skolkovo", expert of RFBR, expert "Russian Science Foundation", a member of the editorial board of the journal "New in the Russian Power Engineering," a member of the "RusHydro" Scientific and Technical Council, a member of the Doctoral Dissertation Council in National Research University "Moscow Power Engineering Institute".

Laureate of the State Prize of the Russian Federation in the field of science and technology in 2003.

Fields of scientific research: hydrodynamics of single and two-phase flows, multicomponent continuous medium, physical and chemical processes of metal flow-accelerated corrosion, water chemistry of power plants, technologies and equipment of geothermal power plants and heat supply systems.

The author of more than 200 scientific publications, the author of more than 20 patents.

Андрей Анатольевич

Шипков Andrey Anatolievich Shipkov

Сведения об авторе: зам. ген. директора ЗАО «Геотерм-ЭМ», канд. техн. наук, доцент, зам. зав. кафедрой динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», член ученого совета Института энергомашиностроения и механики НИУ «МЭИ», член оргкомитета и эксперт от РФ в рабочей группе МАГАТЭ по расчетным кодам ЭК и подготовке руководства по проблеме эрозии-коррозии металла, член Экспертного совета по аттестации программных средств при Федеральной службе по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), приглашенный эксперт оценки заявок на тематики НИОКР программы инновационно-ориентированных совместных исследований с профильными университетами Госкорпорации «Росатом».

Участие в руководстве и выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области геотермального энерго- и теплоснабжения (включая бинарные энерготехнологии), проблем коррозионно-механического повреждения и повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов ТЭС, ПГУ, ГеоЭС и АЭС по заказу Минобрнауки РФ, РФФИ, ОАО «Концерн Росэнергоатом», ОАО «РусГидро» и др.

Лауреат Государственной премии РФ для молодых ученых за выдающиеся работы в области науки и техники (2003).

Область научных интересов: разрушение деформируемых тел, прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций, математическое моделирование технических систем, коррозионно-механическое повреждение и разрушение материалов, эрозия-коррозия металлов, вычислительная гидродинамика, автоматизация инженерных расчетов, проблемно-ориентированные базы данных, возобновляемые источники энергии, геотермальная энергетика и теплоснабжение, бинарные электростанции, термодинамические процессы в технических системах, проблемы создания энергетического оборудования.

Публикации: более 150 научных трудов, 6 патентов.

Deputy General Director of JSC "Geoterm-EM", PhD, Associate Professor, Deputy Head of the Department of Dynamics and Strength of Machines in National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Member of the Scientific Council of the Institute of Power Engineering and Mechanics of National Research University "Moscow Power Engineering Institute", a member of the Steering Committee and an expert from the Russian Federation in IAEA Coordinated Research Project on Flow-Accelerated Corrosion Guidelines and Benchmarking, a member of the Expert Council on software certification under the Federal Environmental, Industrial and Nuclear Supervision Service (Rostechnadzor), invited expert to evaluate the applications for R&D projects of innovation-oriented joint research with specialized universities of the State Corporation "Rosatom".

№ 18 (158) Международный научный журнал

Participation in guiding and implementation of research and development works in the field of geothermal energy and heat supply (including binary energy technologies), problems of corrosion-mechanical damage and increase of flow-accelerated corrosion resistance of metals in fossil, combined-cycle/HRSG, geothermal and nuclear power plants ordered by the Ministry of Education and Science, the RFBR, JSC "Concern Rosenergoatom", JSC "RusHydro" and others.

Laureate of the State Prize of the Russian Federation (2003) for outstanding works in the field of science and technology.

Fields of scientific-research activity: fracture mechanics of solids and structures, the strength and vitality of materials and structures, mathematical modeling of technical systems, corrosion-mechanical damage and fracture of materials, flow-accelerated corrosion of metals, computational fluid dynamics, computer-aided engineering, problem-oriented databases, renewable energy, geothermal energy and heat supply, binary power plants, thermodynamic processes in technical systems, problems of power equipment design.

The author of more than 150 scientific publications, the author of 6 patents.

Введение

Активность и масштабы развития геотермальной энергетики в значительной степени определяются потенциалом ресурсной базы месторождений, параметрами и качеством геотермального флюида.

Современное развитие геотермальной энергетики характеризуется тем, что высокотемпературные (выше 150 °С) и относительно легкодоступные (глубиной залегания менее 2000 метров) геотермальные источники освоены значительно лучше, чем низкотемпературные, запасы которых намного больше. Эффективная утилизация низкотемпературного геотермального теплоносителя возможна на основе преобразования тепловой энергии в бинарных установках, работающих на низкокипящем органическом рабочем теле.

Способ выработки электроэнергии из горячей воды с помощью бинарной установки, использующей в качестве рабочего тела цикла Ренкина низкокипящее вещество, впервые был запатентован в СССР, а технология апробирована в 1967 г. на опытно-промышленной Паратунской ГеоЭС (Камчатка) [1]. С тех пор во многих странах применяются бинарные энергоблоки для утилизации сбросного тепла геотермальных электростанций и промышленных предприятий.

Одним из важнейших направлений развития отечественной геотермальной энергетики является освоение бинарных энерготехнологий. Создание пилотной геотермальной бинарной установки на Паужет-ской ГеоЭС мощностью 2,5 МВт потребовало решения ряда сложных научно-технических задач [2].

Современное развитие бинарных энергоустановок

Развитие бинарных энерготехнологий можно разделить на три основных периода. Первый, с 1967 по 1984 г., когда данная технология не была широко востребована в мире. Второй, начиная с 1984 по 2000 г. -период освоения бинарных технологий в ограниченных масштабах. С 2000 г. и особенно в последние годы (третий период) отмечается активное распространение бинарных энергоблоков. Только за десять лет (с 2005 по 2010 г.) суммарная мировая установленная электрическая мощность всех электростанций

с бинарными энергоблоками (в том числе энергоблоки, утилизирующие негеотермальное тепло) возросла в 10 раз с 200 до 2000 МВт [3].

Таблица 1

Использование в мире энергоблоков ГеоЭС с бинарным циклом (по данным 2010 г.)

Table 1

The world's use of geothermal power plants with binary cycle (in 2010)

Страна ГеоЭС с бинарным циклом: эл. мощность, МВт / кол-во энергоблоков

Австралия 1/2

Австрия 1/3

Китай -

Коста-Рика 21/2

Сальвадор 9/1

Эфиопия 7/2

Франция 2/1

Германия 7/3

Гватемала 52/8

Исландия 10/8

Индонезия -

Италия -

Япония 2/2

Кения 14/3

Мексика 3/2

Новая Зеландия 137/24

Никарагуа 8/1

Папуа-Новая Гвинея -

Филиппины 209/18

Португалия 29/5

Россия 2.5*

Таиланд -

Турция 14/2

США 653/149

*Пуск пилотного бинарного энергоблока на Паужетской ГеоЭС планируется на 2014 г.

№ 18 (158) Международный научный журнал

На начало 2010 г. в США построено 149 бинарных энергоблоков общей установленной электрической мощностью 663 МВт. На Филиппинах работает 18 энергоблоков (209 МВт), а в Новой Зеландии - 24 (137 МВт). Во многих странах в геотермальной энергетике используются только бинарные установки: Гватемала - 8 энергоблоков (52 МВт), Португалия -

5 (29 МВт), Германия - 3 (7 МВт), Австрия и Австралия - 3 и 2 энергоблока (1,0 МВт). В табл. 1 приведены сведения о суммарной установленной мощности и количестве бинарных энергоустановок ГеоЭС в различных странах на конец 2010 года [4]. Информация о наиболее мощных бинарных энергоблоках в мире представлена в табл. 2 [5].

Действующие бинарные энергоблоки мощностью более 10 МВт (на 2014 г.) Operating binary power plants with a capacity more than 10 MW (in 2014)

Таблица 2

Table 2

Станция Месторасположение Установленная мощность, МВ Тип станции Вид градации

Miravalles 5 Коста-Рика (18) комбинированный цикл (бинарный) сухой

Leyte Филиппины (61)

Mak-Ban (15.7) сухой/мокрый

Sao Miguel Азоры (Португалия) 16 бинарный мокрый

Pico Vermelho 11.5

Mokai Новая Зеландия (18) комбинированный цикл (бинарный)

Rotokawa 13.5 бинарный сухой

Wairakei (15) комбинированный цикл (бинарный) мокрый

Zunil Гватемала 28.6 бинарный

Olkaria III Кения 12

Puna Гавайи (США) (30) комбинированный цикл (бинарный)

Heber (SIGC) Калифорния (США) 40 бинарный сухой

East Mesa 89.4 бинарный (пять станций)

Casa Diablo (Mammoth) Невада (США) 42 бинарный (три станции) мокрый

Steamboat Spring 34 бинарный

Salt Wales 14

Soda Lake 12

Stillwater 15.3

Stillwater II 48

Blundell Юта (США) 11

Другим практически важным направлением развития бинарных технологий является их широкомасштабное применение для утилизации сбросного тепла промышленных предприятий.

Около 70% мирового энергетического потенциала геотермальных источников приходится на месторождения с температурой флюида менее 130 °С [4, 6]. В России кроме Камчатки и Курильских островов низкотемпературные геотермальные месторождения, потенциала которых достаточно для обеспечения потребителей теплом и электроэнергией, имеются на Северном Кавказе, в Калининградской области, Забайкалье и др.

Основные принципы проектирования российских геотермальных бинарных установок

При реализации проекта по созданию пилотного бинарного энергоблока мощностью 2,5 МВт на Пау-жетской ГеоЭС были разработаны и реализованы основные принципы проектирования бинарных технологий, адаптированных к условиям эксплуатации в удаленных регионах страны. Выбор органического рабочего тела для Паужетской бинарной геотермальной станции (БГеоЭС) базировался на многоуровневом сопоставительном анализе комплекса свойств и определении их взаимосвязи с термодинамическими

параметрами цикла, теплоэнергетическими и массо-габаритными характеристиками основного и вспомогательного оборудования.

При разработке бинарных энергоблоков необходимо учитывать теплофизические свойства рабочего тела, его термохимические характеристики, токсичность и взрывопожароопасность, экологические показатели, стоимость, доступность на рынке, изученность свойств и др. Выбрать такое рабочее тело для Паужетской БГеоЭС, которое обладало бы оптимальными характеристиками по всем показателям, невозможно, поэтому выбор в качестве рабочего тела Я-134а определялся исходя из следующих принципиальных требований:

- негорючесть и взрывобезопасность;

- нетоксичность;

- достаточная изученность (широкое использование во всем мире в автомобильных кондиционерах, бытовых холодильниках, торговом среднетемпера-турном оборудовании, промышленных установках, системах кондиционирования воздуха зданий и промышленных помещений);

- относительно высокие теплофизические и термодинамические характеристики (высокая теплоемкость, теплопроводность и др.);

- незначительное коррозионное воздействие на применяемые конструкционные материалы;

- отсутствие озоноразрушающего потенциала;

- наличие производства основного оборудования в России и доступность на рынке.

В перспективе планируется сооружение бинарных энергоблоков в северном исполнении на Мут-новском (Камчатка), Менделеевском и Океанском (Курилы) геотермальных месторождениях.

Разработанная специалистами ЗАО «Геотерм-ЭМ» тепловая схема пилотного бинарного энергоблока мощностью 2,5 МВт представлена на рис. 1, а. Энергоустановка условно состоит из трех контуров, часть из которых разомкнута. В I контуре источником тепла является геотермальный теплоноситель (отсепариро-ванная из пароводяной смеси вода с температурой около 120 °С).

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема Паужетской БГеоЭС (а) и fQ-диаграмма рабочих процессов оборудования (b).

1, 2, 3 - точки, относящиеся к линии сепарата; 4, 5 - к линии охлаждающей воды; 1.1, ..., 1.5 - точки по контуру рабочего тела РТ Fig. 1 Principal flow diagram of Pauzhetskaya BGeoPP (a) and f,Q-chart for power equipment (b). 1, 2, 3 - points related to the brine line; 4, 5 - to cooling water line; 1.1 ... 1.5 - to working fluid (R-134a)

№ 18 (158) Международный научный журнал

На рис. 1, Ь показана ¿^-диаграмма рабочих процессов теплообменного оборудования Паужетской БГеоЭС с указанными минимальными температурными напорами в теплообменниках.

Расчеты основных энергетических характеристик бинарной установки и параметров тепловой схемы были выполнены с учетом изменения температуры и расхода греющего теплоносителя - геотермального сепарата, а также охлаждающей воды в конденсаторе.

Анализ переменных режимов бинарной установки выполнялся исходя из следующих основных допущений:

- рабочие параметры конденсатора влияют на эффективную мощность установки и в меньшей степени на параметры тепловой схемы;

- параметры пароперегревателя мало влияют на характеристики установки и схемы.

3 5 8 12 16

Рис. 2. Упрощенный вид номограммы оценки мощности бинарной турбины Паужетской ГеоЭС при переменных параметрах геотермального теплоносителя и охлаждающей воды. Gob, Гов. - расход и температура охлаждающей воды; Gc, tc - расход и температура сепарата Fig. 2. Simplified nomogram estimating the power of a binary turbine of Pauzhetskaya GeoPP at variable parameters of geothermal fluid and cooling water. Gob, Tob. - flow rate and temperature of cooling water; Gc, tc - flow rate and temperature of brine

№ 18 (158) Международный научный журнал

Таким образом, было принято допущение, что основными параметрами, влияющими на работу и характеристики бинарной установки, являются расход и температура греющего сепарата. Их варьирование приводит к соответствующему изменению расхода органического рабочего тела и мощности турбины. В то же время необходимо учитывать изменения температуры и расхода охлаждающей воды в конденсаторе.

По результатам исследований была построена упрощенная номограмма оценки мощности (брутто) бинарной турбины Паужетского энергоблока при переменных параметрах геотермального теплоносителя и охлаждающей воды (рис. 2).

Утилизация сбросного геотермального теплоносителя Паужетской ГеоЭС в бинарном энергоблоке

Возрождение российских бинарных энерготехнологий и организация серийного производства бинарных геотермальных электростанций (БГеоЭС) должны стать основой для широкомасштабного использования в различных регионах страны геотермальных ресурсов и других источников тепла. В соответствии со стратегией развития геотермальной энергетики России в ОАО «РусГидро» планируются создание и отработка бинарных геотермальных энерготехнологий в северном и южном исполнении.

БГеоЭС в северном исполнении (Камчатка, Курильские острова) характеризуются:

- устойчивостью к суровым климатическим условиям (низкие температуры, ветер, снеговые нагрузки и т.п.);

- относительно высокой температурой источников тепла 120-140 °С;

- использованием в качестве источника тепла пара и сепарата;

- низкой температурой в конденсаторе, что позволяет повысить эффективность цикла.

БГеоЭС в южном исполнении (Северный Кавказ) характеризуются:

- температурой источников тепла 95-120 °С;

- облегченной конструкцией здания (возможность сборки основного оборудования на рабочей площадке;

- использованием в качестве источника тепла горячей термальной воды.

Специалисты ОАО «Калужский турбинный завод» спроектировали и изготовили первый отечественный образец бинарной турбины с параметрами пара рабочего тела: на входе температура 75,8 °С (давление 2,19 МПа), расход 144,8 кг/с; на выходе температура 33 °С. Бинарная турбина для Паужет-ской ГеоЭС одноступенчатая, расположенная кон-сольно на свободном конце вала турбогенератора, выполнена в виде агрегата радиально-осевого типа.

Одной из конструктивных особенностей бинарной турбины является возможность работы системы концевых уплотнений как под вакуумом, так и при

повышенном давлении (до 2,6 МПа) в аварийных ситуациях. Для компенсации температурного расширения на трубопроводе между бинарной турбиной и конденсатором установлен сильфонный компенсатор (Бу = 600 мм). При среднегодовой температуре наружного воздуха +1,4 °С мощность турбины составляет 2,1 МВт. На рис. 3 показана турбоустановка в период монтажа в машинном зале на площадке Пау-жетской ГеоЭС.

Рис. 3. Турбоустановка с бинарной турбиной ОАО КТЗ

на Паужетской ГеоЭС Fig. 3. Turbine plant on Pauzhetskaya GeoPP with a binary turbine, produced by Kaluga Turbine Works (KTZ)

Важной составляющей бинарной энергетической установки является система вакуумирования, заполнения, опорожнения и хранения (жидкой и паровой фазы) органического рабочего тела (ОРТ). Функционально эта система предназначена для выполнения следующих технологических операций:

- подключения контейнеров с жидким ОРТ к специальной сборке;

- вакуумирования всех внутренних полостей оборудования контура до остаточного абсолютного давления порядка 0,25 кПа;

- заправки ОРТ из контейнеров в герметичной бак-ресивер;

- заполнения ОРТ контура в необходимом количестве (15000л) из бака-ресивера;

- опорожнения контура от ОРТ;

- хранения ОРТ в баке-ресивере;

- перекачки ОРТ из бака-ресивера в контейнеры для последующей транспортировки ОРТ с объекта.

Принципиальна схема системы вакуумирования, заполнения, опорожнения и хранения ОРТ представлена на рис. 4. В ее состав входят следующие основные элементы и оборудование: газовый коллектор; жидкостный коллектор; вакуумный насос для вакуумирования рабочего контура установки; компрес-сорно-конденсаторный агрегат для удаления паровой фазы ОРТ из рабочего контура, конденсации и слива его в бак-ресивер; бак-ресивер; сборка специальных контейнеров с ОРТ; арматура; контрольно-измерительные приборы (датчики давления, температуры, уровня); трубопроводы.

№ 18 (158) Международный научный журнал

Рис. 4. Принципиальная схема системы вакуумирования, заправки и опорожнения рабочего контура Паужетской БГеоЭС Fig. 4. Schematic diagram of the vacuum, filling and discharge system for the working fluid loop of Pauzhetskaya GeoPP

Перспективные российские геотермальные проекты с использованием утилизационных бинарных энергоблоков

Бинарные энерготехнологии планируется реализовать для повышения эффективности использования потенциала геотермальных ресурсов на действующих и вновь сооружаемых ГеоЭС на Камчатке (рис. 5).

Подавляющее большинство отечественных и зарубежных ГеоЭС работает на геотермальных месторождениях со скважинами, производящими влажный пар, где отсепарированный пар направляется в турбину, а сепарат (до 70% от общего расхода теплоносителя) не используется и, как правило, закачивается обратно в земные пласты. Бинарные технологии эффективно используются для увеличения установленной мощности действующих ГеоЭС без бурения дополнительных скважин за счет утилизации сбросного геотермального теплоносителя. Это позволяет экономить на бурении и обустройстве новых скважин значительные средства (ориентировочная стоимость одной скважины глубиной 2000-3000 метров 6-10 миллионов долларов США) и увеличить на 25-30% выработку электроэнергии на действующих ГеоЭС.

Мутновская ГеоЭС сепарат ГеоЭС ] 8 10

50 (25+25) МВт - БГеоЭС Г МВт

Верхне-Мутновская ГеоЭС Nf= 12(4x3) МВт

сепарат пар

IV комбинированный блок Верхне-Мутновской ГеоЭС 6,5 МВт

Паужетская ГеоЭС сепарат N*' = 12(6+6) МВт-

Паужетская БГеоЭС _2,5 МВт

74 МВт + 19 МВт = 93 МВт а

И очередь сооружения новых высокоэффективных каскадных электростанций энергокомплекса на Мутновском месторождении

ГеоЭС № 1 (25x2)50 МВт ГеоЭС 10 МВт БГеоЭС etWs

ГеоЭС № 2 (25x2)50 МВт ГеоЭС 10 МВт с£Й^^.БГеоЭС

£ 120 МВт

Рис. 5. Повышение эффективности использования потенциала геотермальных ресурсов на действующих (а) и новых (b) ГеоЭС Камчатки (указаны располагаемые мощности) Fig. 5. Improving utilization of the potential for geothermal resources at operating (a) and new (b) Geothermal Power Plants in Kamchatka

№ 18 (158) Международный научный журнал

Анализ показывает [2], что использование утилизации сбросного сепарата в комбинированном энергоблоке с бинарным циклом позволит увеличить установленную мощность Мутновской ГеоЭС на 13 МВт. Принимая во внимание, что средняя производительность скважин на Мутновском месторождении около 10 кг/с, а для обеспечения установленной мощности ГеоЭС в размере 1 МВт требуется в среднем расход геотермального теплоносителя порядка 2,0 кг/с, становится очевидно, что применение утилизационного комбинированного энергоблока позволяет отказаться от бурения трех новых производительных и одной реинжекционной скважин общей стоимостью около 50 млн долларов США. Отметим, что эта сумма практически равна затратам на сооружение вышеуказанного энергоблока.

На рис. 6 показана принципиальная схема комбинированной ГеоЭС мощностью 10 МВт для расширения Мутновской ГеоЭС, состоящей из турбогенератора низкого давления на геотермальном паре и бинарных установок на органическом рабочем теле.

Рис. 6. Принципиальная схема подключения БГеоЭС и паровой турбины низкого давления для повышения эффективности использования геотермальных ресурсов Мутновской ГеоЭС Fig. 6. Basic connection diagram of binary GeoPP and low pressure steam turbine to improve the utilization of geothermal resources of Mutnovskaya GeoPP

Инновационный проект создания опытно-промышленной экспериментальной ГеоЭС с бинарным циклом мощностью 2,5 МВт на Паужетской ГеоЭС предусматривает создание новой технологии выработки электроэнергии за счет использования низкопотенциального источника тепла - сбросного геотермального сепарата.

В данной технологии в качестве рабочего тела термодинамического цикла используется не традиционный водяной пар, а органическое вещество, способное кипеть при низких температурах. Для выработки

электроэнергии могут быть использованы различные источники тепла с температурой свыше 100 °С, такие как геотермальные ресурсы, сбросное тепло предприятий металлургической, химической, цементной промышленности, ТЭС и котельных на органическом и ядерном топливе, биомассе и другие. На базе энергетических установок с бинарным циклом могут быть созданы автономные системы теплоэлектро-снабжения.

Как показывает мировая практика, создание энергетических установок, работающих на органических рабочих телах (ОРТ), и доведение их до проектных параметров является сложной научно-технической задачей, решение которой возможно лишь при условии проведения комплекса НИОКР, направленных на отработку нового технологического оборудования, совершенствование технологической схемы и оптимизацию ее параметров. Сложность создания подобных установок определяется отсутствием среди выпускаемых промышленностью типовых аналогов теплообменных аппаратов (испа-рителя-пароперегре-вателя и конденсатора) и турбогенератора, предназначенных для работы на ОРТ и обладающих необходимыми техническими характеристиками. Расчеты работающего на ОРТ оборудования затруднены отсутствием типовых методик, а также недостаточной изученностью теплофизиче-ских свойств рабочего тела, что требует проведения детальных экспериментальных исследований для корректировки расчетных программ и совершенствования конструкции оборудования.

Разработанное оборудование и принятые проектные решения являются новыми и оригинальными и не имеют апробации в реальных условиях работы на выбранном органическом рабочем теле - хладоне Я134а. Требуется подтверждение адекватности расчетных методик и моделей либо их коррекция по результатам экспериментального исследования характеристик оборудования бинарного энергоблока (турбоагрегат, испаритель-пароперегреватель, конденсатор, герметичные питательные насосы с магнитной муфтой, система автоматизации и др.).

В рамках планируемых НИОКР должен быть выполнен комплекс экспериментальных и аналитических исследований, необходимых для совершенствования и дальнейшей коммерциализации технологии, включающий:

- проведение детальных исследований теплооб-менного оборудования (испарителя-пароперегревателя и конденсатора) с целью определения их реальных тепловых и гидродинамических характеристик в зависимости от нагрузки, расходов теплоносителей и уровней ОРТ;

- проведение испытаний турбоагрегата с определением его характеристик в зависимости от расхода и параметров пара ОРТ перед и за турбиной;

- исследования динамических характеристик энергоблока при сбросах и набросах нагрузки и с измерением параметров рабочего тела во времени.

№ 18 (158) Международный научный журнал

Корректировка математической динамической модели энергоблока и алгоритмов управления им по результатам исследований;

- исследования работы энергоблока и характеристик основного оборудования (турбины, испарителя-пароперегревателя и конденсатора) в зависимости от параметров и расходов греющего теплоносителя и охлаждающей воды.

Представленные в статье результаты получены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение о предоставлении субсидии №14.576.21.0046) в рамках выполнения федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы».

Список литературы

1. Москвичева А.Л., Попов А.Е. Геотермальная электростанция на реке Паратунка // Геотермия. 1970. Т. 2. С. 1561-1571.

2. Томаров Г.В., Никольский А.И., Семенов В.Н., Шипков А.А. Развитие российских геотермальных энергетических технологий // Теплоэнергетика. 2009. № 11. С. 2-12.

3. Томаров Г.В., Никольский А.И., Семенов В.Н., Шипков А.А., Паршин Б.Е. Тенденции и перспективы развития геотермальной энергетики // Теплоэнергетика. 2012. № 11. С. 26-35.

4. Bertani R. Geothermal Power Generation in the World 2005-2010 Update Report // Proc. World Geothermal Congress - 2010 / Bali, Indonesia. 25-29 April 2010.

5. Franco A., Villani M. Optimal design of binary cycle power plants for water-dominated, medium-temperature geothermal fields // Geothermics. 2009. Vol. 38, No. 4. P. 379-391.

6. Бутузов В.А., Томаров Г.В., Шетов В.Х. Реализация геотермального проекта в Краснодарском крае: I этап модернизации // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 2. С. 42-47.

References

1. Moskviceva A.L., Popov А.Е. Geotermal'naa elektrostancia na reke Paratunka // Geotermia. 1970. T. 2. S. 1561-1571.

2. Tomarov G.V., Nikol'skij А.1., Semenov V.N., Sipkov А.А. Razvitie rossijskih geotermal'nyh ener-geticeskih tehnologij // Teploenergetika. 2009. № 11. S. 2-12.

3. Tomarov G.V., Nikol'skij А.1., Semenov V.N., Sipkov А.А., Parsin B.E. Tendencii i perspektivy razvitia geotermal'noj energetiki // Teploenergetika. 2012. № 11. S. 26-35.

4. Bertani R. Geothermal Power Generation in the World 2005-2010 Update Report // Proc. World Geothermal Congress - 2010 / Bali, Indonesia. 25-29 April 2010.

5. Franco A., Villani M. Optimal design of binary cycle power plants for water-dominated, medium-temperature geothermal fields // Geothermics. 2009. Vol. 38, No. 4. P. 379-391.

6. Butuzov VA., Tomarov G.V., Setov V.H. Realizacia geotermal'nogo proekta v Krasnodarskom krae: I etap modernizacii // Аl'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 2. S. 42-47.

Транслитерация по ISO 9:1995

с---* — TATA — (_XJ

№ 18 (158) Международный научный журнал