Геотермальные энергетические технологии и оборудование России

За последние годы создано отечественное геотермальное машиностроение и Россия вошла в число передовых стран мира, производящих и эксплуатирующих геотермальные электростанции. Специалистами МЭИ, ЦНИИТмаш, АО «Наука» и других научно-исследовательских организаций выполнены фундаментальные исследования гидродинамики многокомпонентных сред и их физико-химического взаимодействия с металлами, что позволяет решать сложные научно-технические задачи при проектировании и разработке геотермального энергетического оборудования.

На заводах АО КТЗ, АО «ЗиО-Подольск», АО ЧЗЭМ изготовлены 12 геотермальных энергоблоков мощностью 0,5–2,5 МВт для эксплуатации на Курильских островах, Камчатке и в Никарагуа[4–5].

Впервые в России по заказу АО «Интергеотерм» и АО «Геотерм» разработано и изготовлено (АО ЧЗЭМ) специальное оборудование для обустройства геотермальных скважин для ГеоЭС Сан-Хасинто (Никарагуа), Верхнемутновской и Мутновской ГеоЭС (Камчатка), включая шиберную задвижку (D_у=259 мм) в антикоррозионном исполнении, запорно-регулирующий сбросной быстродействующий клапан (D=300/400 мм), дисковый регулирующий затвор (Z)=250 мм) с антикоррозионным покрытием проточной части, устьевой компенсатор и др.

В АО «Наука» при участии специалистов НУЦ Гео-МЭИ, ВНИИАМ и других организаций созданы высокоэффективные гравитационные сепараторы, рассчитанные на расход пара до 180 т/ч, которые обеспечивают надежную и эффективную работу турбин ГеоЭС. Эти сепараторы гарантируют степень влажности пара на входе в турбину не более 0,05 %, что позволяет существенно снизить вероятность коррозионного растрескивания металла и уменьшить интенсивность образования отложений в проточных частях турбин.

Наряду с высокой эффективностью влагоудаления отечественные сепараторы обладают другими очевидными преимуществами по сравнению с зарубежными центробежными сепараторами: компактностью и низкой металлоемкостью, нечувствительностью к исходному паросодержанию и изменению нагрузки. Применение двухступенчатой системы сепарации с промывкой пара чистым конденсатом в сепараторе второй ступени на Мутновской ГеоЭС обеспечивает максимальную очистку рабочего пара от примесей.

Кроме того, на основе сепараторов разработаны и изготовлены в АО «ЗиО» расширители, паросборники и шумоглушители, которые хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации на Верхнемутновской и Мутновской ГеоЭС мощностью 12 и 50 МВт.

В 1990 г. при поддержке России по проекту государственной научно-технической программы России специалисты АО КТЗ, НУЦ ГеоМЭИ, ВНИИАМ начали разработку блочно-модульных ГеоЭС, а уже в 1993 г. на о. Кунашир (Курильские острова) была пущена в эксплуатацию первая такая ГеоЭС Омега-500 мощностью 500 кВт, изготовленная в АО КТЗ. Здесь также выпускают турбоустановки с противодавлением мощностью 0,5 – 2,5 МВт с генераторами на 50 и 60 Гц.

В 2003 г. на о. Кунашир введена в эксплуатацию первая очередь Менделеевской ГеоТЭС мощностью 1,8 МВт, а в 2005 г. – пущена ее вторая очередь. На о. Итуруп у подножия вулкана Барановского завершается строительство ГеоЭС с турбоустановкой мощностью 1,8 МВт. Для поставки в Никарагуа были изготовлены турбоустановки мощностью 2,5 МВт на 60 Гц.

По заказу АО «Геотерм» на АО КТЗ изготовлены и после стендовых заводских испытаний в полной готовности поставлены три конденсационные турбины мощностью по 4,0 МВт для Верхнемутновской ГеоЭС, которые успешно эксплуатируются с 1999 г.

Турбина располагается в модуле размером 10,5x3,2x2,4 м и обладает следующими конструктивными особенностями: в системе парораспределения применена поворотная заслонка типа «баттерфляй», все 10 ступеней имеют бандаж, развитую систему сепарации влаги и пусковой турбомасляный насос.

В АО КТЗ разработаны и производятся турбоустановки средней мощности (в том числе для ГеоЭС Сан-Хасинто), мощностью 23 МВт со смешивающими конденсаторами. Кроме того, коллектив этого завода выиграл в 2000 г. международный тендер на изготовление для Мутновской ГеоЭС двух двухпоточных турбин мощностью по 25 МВт с рабочей лопаткой последней ступени высотой 450 мм. Развитая система внутриканальной сепарации и специальная ступень-сепаратор позволили на 1,7 % увеличить КПД турбины, что обеспечило наименьший удельный расход пара и наивысший КПД энергоблоков Мутновской ГеоЭС по сравнению с зарубежными аналогами.

В настоящее время на полуострове Камчатка работает Паужетская геотермальная ТЭС мощностью 11 МВт. Структурная схема геотермальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 7.2. Схема электростанции для районов, располагающих ресурсами термальных вод с температурой ниже 100 °С на глубинах, доступных для современной буровой технике, приведена на рис. 7.3.

В более отдаленном будущем предполагается использование высокотемпературных слоев мантии (до 1000 °С) для получения пара, в который будет превращаться вода, закачиваемая в искусственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии практически исключает влияние на ее состояние отбираемой теплоты).

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, необходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все действующие в настоящее время геотермальные электростанции располагаются в таких районах Земли, в которых температура теплоносителя достигает 150-360 °С на глубинах, не превышающих 2 - 5 км.

Развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах России позволяет уже сегодня решать проблему электро- и теплоснабжения, в частности, на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе и в отдельных районах Сибири и Европейской части России.

По данным Института вулканологии ДВО РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электричеством и теплом более чем на 100 лет. Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением мощностью 300 МВт(э) на юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, БольшеБанном, а на севере – на Киреунском месторождениях. Всего на этих месторождениях можно получить около 2 000 МВт. Запасы тепла геотермальных вод Камчатки оцениваются в 5 000 МВт (тепловых).

Рис. 7.2. Схема геотермальной электростанции для вулканических районов: 1 - скважина; 2 - паропреобразователь; 3 - турбина; 4 - конденсатор; 5 - насос; 6 - водяной теплообменник

На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью), часть из них уже открыта и может активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.

Курильские острова тоже богаты запасами тепла земли, их вполне достаточно для тепло- и электрообеспечения этой территории в течении 100–200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого – 30 МВт(э) достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова в ближайшие 100 лет.

На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 95 ^оС. Здесь также строится ГеоЭС мощностью 20 МВт.

На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180 ^оС, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Рис. 7.3. Схема геотермальной вакуумной электростанции с одним расширителем:

1 - скважина; 2 - бак-аккумулятор; 3 - расширитель; 4 - турбина; 5 - генератор;

6 - градирня; 7 - насос; 8 - смешивающий конденсатор; 9, 10 - насос

В условиях ожидаемого глобального потепления, вызванного воздействием промышленных выбросов в атмосферу, в первую очередь диоксида углерода (СО₂), перевооружение отечественной энергетики должно базироваться на наиболее экологически чистых технологиях производства электроэнергии и тепла. Создание геотермальных систем теплоснабжения позволит сократить количество котельных, работающих на органическом топливе и снизить вредные выбросы в атмосферу.

Геотермальные электростанции – самое экологически чистое производство электроэнергии и тепла. Сегодня в России создана первая в мире экологически чистая геотермальная электрическая станция – опытно-промышленная Верхне-Мутновская ГеоЭС, которая не имеет практически никаких выбросов в атмосферу, так как геотермальный теплоноситель, совершив работу в технологической схеме станции, полностью (вместе с газами) закачивается в землю.

Сегодня в мире активно обсуждается размер налога на 1 т СО₂, выбрасываемого в атмосферу; по оценкам разных авторов он колеблется от 1 до 30 дол. за 1 т СО₂. Некоторые страны в ближайшие годы не смогут снизить количество выбросов в атмосферу до уровня 1990 г. и в соответствии с Киотским соглашением 2004 г. вынуждены будут покупать квоты у других стран. В связи с этим они стремятся установить минимальный налог на выброс СО₂ в атмосферу. У России есть все условия для сохранения общего объема выбросов на современном уровне и активного участия на рынке квот СО₂.

При введении налога на выброс СО₂ в атмосферу принципиальным образом меняются технико-экономическое обоснования выбора электростанции (КЭС, ТЭЦ и ГеоЭС) в пользу геотермальных станций.

Расходы на исследования и разработку (бурение) геотермальных полей составляют до 50 % всей стоимости ГеоЭС. Так, стоимость всей опытно-промышленной Верхне-Мутновской ГеоЭС (мощность 12(3х4) МВт) составила около 300 млн руб. Однако отсутствие транспортных расходов на топливо, возобновляемость геотермальной энергии и экологическая чистота производства электроэнергии и тепла позволяют геотермальной энергетике успешно конкурировать на энергетическом рынке и в некоторых случаях производить более дешевую электроэнергию и тепло, чем на традиционных КЭС и ТЭЦ. Для удаленных районов (Камчатка, Курильские острова) ГеоЭС имеют безусловное преимущество перед ТЭЦ и дизельными станциями, работающими на привозном топливе.

Если в качестве примера рассматривать Камчатку, где более 80 % электроэнергии производится на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, работающих на привозном мазуте , то использование геотермальной энергии более выгодно. Даже сегодня, когда идет процесс строительства новых ГеоЭС на Мутновском геотермальном поле, себестоимость электроэнергии на Верхнее-Мутновской ГеоЭС более чем в 2 раза ниже, чем на ТЭЦ в Петропаловске-Камчатском. Стоимость 1 кВт/ч(э) на старой Паужетской ГеоЭС в 2 – 3 раза ниже, чем на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2.

Совершенно ясно, что экономика Камчатки не может успешно развиваться без снижения стоимости потребляемой электроэнергии, а это можно достичь только путем использования геотермальных ресурсов.

В то же время почти вся Камчатка и другие регионы России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85 ^оС, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири эликтричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока ВМГеоЭС и исследования комбинированной ГеоЭС с бинарным циклом.