научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2010

УДК 550.361, 621.482

© 2010 г. АЛХАСОВ А.Б.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

*

ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Дается анализ современного состояния использования геотермальных энергетических ресурсов для выработки электроэнергии. Выполнен термодинамический анализ пригодности различных низкокипящих рабочих тел, используемых в бинарных геотермальных электрических станциях (ГеоЭС). Проведены исследования по оптимизации термодинамического цикла, реализуемого во вторичном контуре бинарной ГеоЭС и параметров первичного контура.

Показана высокая эффективность ГеоЭС на сверхкритических параметрах низ-кокипящего рабочего тела.

Введение. Одним из важных направлений использования тепла термальных вод является преобразование его в электрическую энергию. Относительная независимость от потребителей, экономичность при умеренной мощности и особая ценность электрической энергии обусловили приоритетное развитие геотермальных электрических станций (ГеоЭС). Во многих странах достигнуты значительные успехи в этой области. Принято считать, что если температура геотермального флюида ниже 100° С, то его целесообразно использовать только для теплоснабжения. Более высокотемпературные источники пригодны для производства электроэнергии. Легко доступных геотермальных месторождений с температурой >100° С на земном шаре сравнительно немного [1].

Мировой потенциал изученных на сегодня геотермальных ресурсов составляет 0,2 ТВт электрической и 4,4 ТВт тепловой мощности. Примерно 70% этого потенциала приходится на месторождения с температурой флюида менее 130° С. По оценкам, сегодня используется около 3,5% мирового геотермального потенциала для выработки электроэнергии и только 0,2% — для получения тепла.

Новейшие энергетические технологии с использованием геотермальных ресурсов отличаются экологической чистотой и по эффективности приближаются к традиционным. На ГеоЭС, использующих технологию геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и бинарный цикл, полностью исключаются выбросы диоксида углерода в атмосферу, что является важнейшим экологическим преимуществом таких энергетических установок.

Развитие геотермальной электроэнергетики мира характеризуется следующими данными. За 60 лет с 1940 по 2000 гг. установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась от 130 МВт до 7974 МВт, т.е. в 61 раз. За пять лет 1995—2000 г. рост установленной мощности составил 17% — &3% в год. К началу 2005 г. ГеоЭС работают в 24 странах мира, суммарная установленная мощность — 8910,7 МВт. С 2000 по

'Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ. Грант № 09-08-96514-р-юг-а.

2005 гг. увеличение мощности составило 12%. Лидерами по установленной электрической мощности ГеоЭС являются США — 2544 МВт, Филиппины — 1931, Мексика — 953, Индонезия — 797, Италия — 790, Япония — 535, Новая Зеландия — 435, Исландия - 202 МВт.

Геотермальная электроэнергетика по установленной мощности является значительной частью возобновляемой энергетики, развивается умеренными темпами 3-5% в год, и одна из самых экономически эффективных технологий [2].

ГеоЭС уступают ветровым станциям в суммарной установленной мощности, существенно превосходят их по выработке электроэнергии, что свидетельствует о высокой эффективности геотермальных энергетических технологий. Коэффициент использования мощности на современных ГеоЭС в три-четыре раза выше, чем в энергоустановках с использованием солнечной, ветровой и приливной энергий. Стоимость производимой на современных ГеоЭС электроэнергии в среднем на 30% и в 10 раз ниже, чем на ветровых и солнечных электростанциях. Преимуществом ГеоЭС — приемлемый уровень удельных капвложений--1000—3000 долл./кВт установленной мощности.

Существующие ГеоЭС в основном используют природный пар, добываемый на месторождениях в районах современного вулканизма. По прогнозу суммарная установленная мощность ГеоЭС в мире к 2010 г. может удвоиться.

В 1967 г. на юге Камчатки была построена Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт, которая продолжает производить самую дешевую электроэнергию. С 1999 г находится в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт, где в ближайшее время планируется увеличение ее мощности до 19 МВт благодаря строительству дополнительного энергоблока с комбинированным циклом (паровая турбина мощностью 2,5 МВт и бинарная установка на изопентане 4,5 МВт). В основу создания Верхне-Мутновской ГеоЭС заложена экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушными конденсаторами, которая позволяет отобрать энергию от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки, что позволяет избежать попадания теплоносителя в атмосферу. В 2002 г. введены в строй первый и второй блоки Мутновской ГеоЭС мощностью 50 (2 х 25) МВт — лучшей геотермальной электростанции в мире по экологическим параметрам и уровню автоматизации. На Мутновском геотермальном месторождении успешно работают пять геотермальных энергоблоков. Общая установленная мощность ГеоЭС России составляет 73 МВт, и есть реальные перспективы для дальнейшего роста наращивания мощности.

Перспективы развития геотермальной электроэнергетики обусловлены ее конкурентноспособностью и рядом преимуществ по сравнению с традиционной энергетикой. Это - экологическая чистота, отсутствие транспортных расходов на доставку топлива и относительно короткие сроки строительства. Количество выбросов в атмосферу диоксида углерода на ГеоЭС в несколько десятков раз ниже, чем на ТЭС, работающих на угле, мазуте и природном газе, и полностью исключаются на современных ГеоЭС, использующих технологию обратной закачки отработанного геотермального теплоносителя.

Технологические схемы ГеоЭС

Высокотемпературные геотермальные ресурсы ограничены и в основном встречаются в местах молодого вулканизма и разломов земной коры. Обычно такие ресурсы представлены парогидротермами, представляющими собой насыщенный пар с той или иной степенью сухости. Возможны различные способы использования парогид-ротерм в технологических схемах ГеоЭС.

Первый способ состоит в том, что пар, содержащийся в высокотемпературном флюиде, отделяют в сепараторе от жидкой фазы и направляют в паровую турбину, а жидкость закачивают обратно в пласт (рис. 1). Для более полного использования энергии первичного флюида целесообразно отсепарированную жидкую фазу дроссе-

к

Рис. 1. Схема ГеоЭС, работающей на пароводяной смеси: 1 — геотермальная скважина; 2 — расширитель-сепаратор; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — нагнетательный насос

Рис. 2. Схема бинарной ГеоЭС: 1 — геотермальная добычная скважина; 2 — блок теплообменников для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента; 3 — нагнетательный насос; 4 — нагнетательная скважина; 5 — турбина; 6 — генератор; 7 — конденсатор; 8 — циркуляционный насос второго контура

лировать до более низкого давления, за счет чего образуется еще некоторое количество пара, который может быть направлен в промежуточную ступень турбины. Второй способ — использование первичного флюида для нагрева и испарения рабочего агента, циркулирующего во вторичном контуре бинарной ГеоЭС (рис. 2). Возможна также комбинация названных способов, когда отработанный в турбине пар и жидкий сепа-рат используются для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента, циркулирующего в низкотемпературном контуре в цикле Ренкина. В большинстве существующих ГеоЭС используется первый способ.

В бинарном цикле геотермальный теплоноситель передает теплоту в промежуточных теплообменниках другому рабочему телу. Выбор технологической схемы бинар-

40

ной ГеоЭС зависит от многих факторов, из них: основные гидрогеотермические условия геотермального месторождения и физико-химические показатели качества термальной воды. В настоящее время существует большое число технологических схем ГеоЭС [3-10].

Большые запасы геотермальных ресурсов с температурой 100-200°С сосредоточены в пластовых водонапорных системах осадочных бассейнов. Особенностями термальных вод этих систем являются высокая минерализация (20-200 г/л), повышенное газосодержание, склонность к солеотложению при изменении термобарических условий и высокая коррозионная агрессивность к конструкционным материалам. Электроэнергетическое освоение таких ресурсов обусловлено использованием технологии бинарных ГеоЭС на низкокипящих рабочих агентах. При этом ГеоЭС включает в себя ГЦС, в контуре которой циркулирует термальная вода, и цикл ПТУ, где циркулирует низкокипящий вторичный теплоноситель. В ПТУ реализуется цикл Ренкина. Применение ГеоЭС такого типа значительно увеличивает число регионов, перспективных для развития геотермальной энергетики, в частности, к ним относится Северо-Кавказский регион. Здесь высокие температуры недр сочетаются с наличием мощных водоносных комплексов. Первоочередными для освоения являются Центральное, Кая-сулинское в Ставропольском крае и Тарумовское, Кумухское, Южносухокумское, Юбилейное, Таловское и Таркинское месторождения в Дагестане.

Бинарный цикл имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся: более полное использование теплоты рассола и закачка 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. Недостаток цикла - усложнение схемы и некоторая потеря температурного (обычно и без того достаточно низкого) потенциала, поскольку для передачи тепла от флюида к рабочему телу необходима разность температур. Нижняя температура цикла в этом случае лимитируется возможностью выпадения из флюида по мере его охлаждения растворенных в нем солей [1].

Первая в мире бинарная электростанция (Паратунская ГеоЭС) была построена в 1967 г. на Камчатке. На энергетической установке мощностью 750 кВт в течение ряда лет проводились эксплуатационные исследования, подтвердившие ее надежную работу. Как

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком