Вся Камчатская область и Курильские острова, районы Чукотки, Магаданской области, части Дальнего Востока должны широко внедрять бинарные и комбинированные геотермальные электрические и тепловые станции, которые позволяют получать электроэнергию из горячей воды.
В 1965 г. советские ученые С.С. Кутателадзе и А.М.Розенфельд получили патент на получение электроэнергии из горячей воды с температурой более 80 °С [1]. Уже в 1967 г. на Камчатке была построена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом - Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт [2]. В ходе ее испытаний была доказана техническая возможность получения электроэнергии при использовании столь низкотемпературного источника тепла в традиционном цикле Ренкина на низкокипящем рабочем теле за счет тепла воды с температурой более 70 °С (рис. 1). Однако в СССР сооружение таких станций не получило должного развития из-за низкой стоимости органического топлива в стране. Сегодня бинарные ГеоЭС в России могут быть экономически эффективными при температуре термальной воды 70-200 °С. К настоящему времени бинарные ГеоЭС работают во многих странах, их суммарная мощность превышает 500 МВт. В настоящее время за рубежом несколько компаний (в первую очередь израильская фирма "Ормат") наладили серийное производство бинарных энергоустановок на органических рабочих телах (изобутан, изо-пентан) единичной мощностью 1,5-4 МВт.
Применение бинарных ГеоЭС позволяет быстро и надежно обеспечивать электроэнергией поселки и небольшие города, находящиеся вдали от центральных районов, особенно в северных районах страны.
Сегодня в России открываются большие перспективы использования бинарных ГеоЭС блочного типа мощностью от 100 кВт до 12 МВт для районов, где имеется горячая геотермальная вода.
В нашей стране в 1991 г. уже была разработана модульная транспортабельная бинарная энергоустановка мощностью 0,6-1,7 МВт на фреоне для использования термальных вод с температурой 80- 180 °С (ЭНИН, Кировский завод). В зависимости от температуры греющей воды удельная стоимость установленного киловатта составляет 400-1000 долл., стоимость электроэнергии 2-4 цент./кВт. Энергомодуль может быть поставлен в течение 18 месяцев после получения заказа.
Сегодня АО "Наука" по заказу АО "Геотерм" при поддержке Миннауки РФ и с участием МЭИ, ЭНИН и ИВТАН, активно разрабатывает ГеоЭС с бинарным и комбинированным циклами.
В тех случаях, когда на поверхность земли поступает геотермальный двухфазный (парвода) теплоноситель при температуре более 120 °С для Северных районов России, весьма желательным представляется применение ГеоЭС с комбинированным циклом (см. рис. 1).
Такие ГеоЭС имеют два типа турбин: работающая на геотермальном паре при начальном давлении 0,4-0,8 МПа; работающая па органическом низкокипящем рабочем теле.
Кроме дополнительной выработки электроэнергии, обеспечивается надежная зимняя эксплуатация, поскольку температура воды в цикле не опускается ниже 70-80 °С, а низкокипящие рабочие тела не замерзают вплоть до температуры -70 °С.
Климатические условия на Мутновском геотермальном месторождении уникальны в связи с его расположением в северном районе, на значительной высоте над уровнем моря. Среднегодовая температура воздуха -1,5 °С, в течение восьми месяцев (с октября по май) средняя температура ниже -5 °С. Это позволяет понизить температуру конденсации в энергетическом цикле до 10-20 °С, что дает большой прирост (на 20-40%) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого или умеренного климата.
Другим преимуществом низкой температуры конденсации является сравнительно небольшая потеря мощности станции при снижении со временем давления на устье эксплуатационных скважин. Реализация бинарного цикла при использовании только турбин на геотермальном паре неудобна из-за больших объемных расходов пара и больших высот лопаток на последних ступенях турбины, а также из-за значительных затрат энергии на удаление газов из конденсатора при давлениях насыщения воды, соответствующих 10-20 °С. Применение энергоустановок комбинированного цикла устраняет эти трудности. Станция комбинированного цикла состоит из энергоустановки с прямым использованием геотермального пара (верхняя часть цикла) и бинарной энергоустановки на низкокипящем рабочем теле (нижняя часть) (см. рис. 1). В свою очередь, бинарная энергоустановка может состоять из 1-3 параллельных турбогенераторных модулей.
Рабочие тела бинарной энергоустановки должны иметь низкую температуру замерзания для обеспечения нормальной зимней эксплуатации и предотвращения замерзания при аварийных остановах.
Геотермальная пароводяная смесь проходит через две ступени сепарации, отсепарированный пар подается на паровую турбину. За турбиной влажный пар конденсируется и конденсат дополнительно охлаждается в трубках конденсатораиспарителя. Давление на выхлопе паровой турбины может быть в интервале 0,11-0,03 МПа, т. е. используется турбина с противодавлением.
Подогрев и испарение низкокипящего рабочего тела происходит в межтрубном пространстве конденсатора-испарителя, давление испарения не должно превышать 3,0 МПа. Насыщенный пар рабочего тела поступает в межтрубное пространство пароперегревателя, где температура пара повышается за счет охлаждения отсепарированной геотермальной воды. Перегретый пар расширяется в турбине и в зависимости от термодинамических свойств рабочего тела покидает ее во влажном или перегретом состоянии. Если температура на выхлопе турбины существенно превышает температуру конденсации, перегретый пар охлаждается в рекуператоре и затем конденсируется в воздушном конденсаторе. После сжатия в питательном насосе конденсат нагревается в рекуператоре и направляется в испаритель.
С целью разработки и испытания оборудования ГеоЭС комбинированного цикла для условий Мутновского месторождения (низкие температуры, глубокий - до 12 м - снежный покров, частый сильный ветер, сейсмичность 9 баллов) АО "Геотерм" работает над созданием энергоблока с комбинированным циклом на Верхне-Мут-новской ГеоЭС, которая пускается в эксплуатацию [3].
В основу создания были положены новые принципы строительства электрических станций:
1. Применена блочная, при полной заводской готовности система подготовки пара, которая расположена в непосредственной близости к ГеоЭС.
2. ГеоЭС - модульного типа (рис. 2) при 100% заводской готовности основных блоков-модулей (турбогенераторы, электротехническое оборудование, главный щит управления и т. п).
3. Экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушными конденсаторами (ВК). Эта схема позволяет исключить прямой контакт рабочего тела с окружающей средой.
Двухфазный поток из трех продуктивных скважин направляется по трубопроводам в коллектор, а далее, после двухступенчатой системы разделения фаз (сепарации) пар поступает к трем энергоблокам мощностью по 4 МВт каждый.
Пар перед турбинами при давлении р0= 0,8 МПа и, соответственно, температуре около 170 °С практически полностью осушен (степень его влажности не превышает 0,05%) и поэтому достаточно чист. Качество пара перед турбинами находится на уровне обычных ТЭС средних параметров.
Для повышения эффективности использования энергии геотермального теплоносителя горячая вода (сепарат с t = 170 °С) после сепараторов направляется в расширитель, где испаряется при давлении около 0,4 МПа. Этот пар (около 10 т/ч) используется в эжекторах для отсоса неконденсирующихся газов и, в первую очередь, сероводорода (H2S). Сероводород, удаленный из конденсатора, поступает в абсорбер, где растворяется в конденсате, который закачивается в скважину закачки без контакта с внешней средой.
Конденсат - достаточно чистая вода с малым содержанием примесей и солей, поэтому принята более низкая температура конденсата (t = 50 °С), позволяющая закачивать его, предотвращая образование отложений в трубах и скважинах закачки.
Как уже отмечалось, пароводяная смесь (ПВС) от продуктивных скважин поступает в установку подготовки пара, которая производит до 110 т/ч пара и около 200 т/ч горячего сепарата.
Все тепломеханическое и электротехническое оборудование ГеоЭС смонтировано на АО "КТЗ" в однотипных модулях (вагонах), изготовленных на Тверском вагоностроительном заводе.
Рядом с Верхне-Мутновской ГеоЭС уже выбрана площадка для строительства IV энергоблока с комбинированным циклом.
На этот энергоблок Верхне-Мутновской ГеоЭС будет подаваться избыточная пароводяная смесь из существующих скважин, не используемая на первых трех энергоблоках [3]. В верхней части цикла будет использована противодавленческая паровая турбина мощностью 3 МВт модульного типа. Такие турбины, широко изготавливаются на АО "Калужский турбинный завод". Разработку и изготовление опытно-промышленного образца бинарной энергоустановки номинальной мощностью 6 МВт также готовы выполнить российские заводы и институты и израильская компания "ORMAT".
Для обеспечения зимней эксплуатации ГеоЭС разработаны и запатентованы схема и компоновка оборудования комбинированного энергомодуля (рис. 3) [4]. Турбины, генераторы, теплообмен-ное оборудование монтируются в укрытом от снега помещении на эстакаде высотой 5 м. Панели воздушного конденсатора наклонены наружу, что исключает налипание снега и образование льда на поверхностях теплопередачи. Вытяжные вентиляторы и приводные электромоторы будут находиться в потоке уже нагретого воздуха. Электротехническое оборудование и устройства АСУ будут располагаться в обогреваемом контейнере.