Геотермальная энергетика.Состояние отрасли и перспективы её развития в странах СНГ

Одно из перспективных  направлений использования тепла  высокоминерализованных подземных  термальных вод преобразование его  в электрическую энергию. С этой целью была разработана технологическая схема для строительства ГеоТЭС, состоящая из геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и паротурбинной установки (ПТУ), схема которой приведена на рис. Отличительной особенностью такой технологической схемы от известных является то, что в ней роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник, расположенный в верхней части нагнетательной скважины, куда по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода, которая после передачи тепла вторичному теплоносителю закачивается обратно в пласт. Вторичный теплоноситель из конденсатора паротурбинной установки самотёком поступает в зону нагрева по трубе, спущенной внутри теплообменника до днища.

В основе работы ПТУ лежит  цикл Ренкина; t,s диаграмма этого цикла и характер изменения температур теплоносителей в теплообменнике испарителе.

Наиболее важным моментом при строительстве ГеоТЭС является выбор рабочего тела во вторичном контуре. Рабочее тело, выбираемое для геотермальной установки, должно обладать благоприятными химическими, физическими и эксплуатационными свойствами при заданных условиях работы, т.е. быть стабильным, негорючим, взрывобезопасным, нетоксичным, инертным по отношению к конструкционным материалам и дешёвым. Желательно выбирать рабочее тело с более низким коэффициентом динамической вязкости (меньше гидравлические потери) и с более высоким коэффициентом теплопроводности (улучшается теплообмен).

Все эти требования одновременно выполнить практически невозможно, поэтому всегда приходится оптимизировать выбор того или иного рабочего тела.

Невысокие начальные параметры  рабочих тел геотермальных энергетических установок приводят к поиску низкокипящих рабочих тел с отрицательной  кривизной правой пограничной кривой в t, s диаграмме, поскольку использование воды и водяного пара приводит в этом случае к ухудшению термодинамических показателей и к резкому увеличению габаритов паротурбинных установок, что существенно повышает их стоимость.

В качестве сверхкритического  агента вторичного контура бинарных энергетических циклов предложено применять  смесь изобутан + изопентан в сверхкритическом состоянии. Использование сверхкритических смесей удобно тем, что критические свойства, т.е. критическая температура tк(x), критическое давление pк(x) и критическая плотность qк (x) зависят от состава смеси x. Это позволит путём подбора состава смеси выбрать сверхкритический агент с наиболее благоприятными критическими параметрами для соответствующей температуры термальной воды конкретного геотермального месторождения.

В качестве вторичного теплоносителя  используется легкокипящий углеводородизобутан, термодинамические параметры которого соответствуют требуемым условиям. Критические параметры изобутана:tк = 134,69° C; pк = 3,629МПа; qк =225,5кг/м³. Кроме того, выбор изобутана в качестве вторичного теплоносителя обусловлен его относительно невысокой стоимостью и экологической безвредностью (в отличие от фреонов). Изобутан в качестве рабочего тела нашёл широкое распространение за рубежом, а также предлагается использовать его в сверхкритическом состоянии в бинарных геотермальных энергетических циклах.

Энергетические характеристики установки рассчитаны для большого диапазона температур добываемой воды и различных режимов её работы. При этом во всех случаях принималось, что температура конденсации  изобутана tкон =30° C.

Возникает вопрос о выборе наименьшего температурного напораêt рис.2. C одной стороны, уменьшение êt приводит к увеличению поверхности теплообменника испарителя, что может быть экономически не оправдано. С другой стороны, увеличение êt при заданной температуре термальной воды tт приводит к необходимости понизить температуру испарения tз (а, следовательно, и давление), что отрицательно скажется на КПД цикла. В большинстве практических случаев рекомендуется принимать êt = 10÷25ºС.

Полученные результаты показывают, что существуют оптимальные параметры  работы паросиловой установки, которые  зависят от температуры воды, поступающей  в первичный контур парогенератора теплообменника. С увеличением температуры  испарения изобутана tз возрастает мощность N вырабатываемая турбиной на 1кг/с расхода вторичного теплоносителя. При этом по мере увеличения tз уменьшается количество испаряемого изобутана на 1кг/с расхода термальной воды.

С повышением температуры  термальной воды увеличивается и  оптимальная температура испарения.

На рис.3 представлены графики  зависимости мощности N, вырабатываемой турбиной, от температуры испарения  tз вторичного теплоносителя при различных температурах термальной воды.

Для высокотемпературной  воды (tт = 180ºС) рассмотрены сверхкритические циклы, когда начальное давление пара pн= 3,8; 4,0; 4,2; и 5,0МПа. Из них наиболее эффективны с точки зрения получения максимальной мощности является сверхкритический цикл, приближенный к так называемому «треугольному» циклу с начальным давлением pн= 5,0Мпа. При этом цикле вследствие минимальной разности температур между теплоносителем и рабочим телом температурный потенциал термальной воды используется наиболее полно. Сравнение этого цикла с докритическим (pн=3,4Мпа) показывает ,что мощность, вырабатываемая турбиной при сверхкритическом цикле, увеличивается на 11%, плотность потока вещества, поступающего на турбину, в 1,7 раза выше, чем в цикле с pн= 3,4Мпа, что приведёт к улучшению транспортных свойств теплоносителя и уменьшению размеров оборудования (подводящих трубопроводов и турбины) паротурбинной установки. Кроме того, в цикле с pн= 5,0Мпа температура отработанной термальной воды tн, нагнетаемой обратно в пласт, составляет 42ºС, тогда как в докритическом цикле с pн= 3,4 МПа температура tн= 55ºС.

В то же время повышение  начального давления до 5,0 МПа в сверхкритическом цикле влияет на стоимость оборудования, в частности на стоимость турбины. Хотя с ростом давления размеры проточной  части турбины уменьшаются, одновременно возрастает число ступеней турбины, требуется более развитое концевое уплотнение и, главное, увеличивается  толщина стенок корпуса.

Для создания сверхкритического  цикла в технологической схеме  ГеоТЭС необходима установка насоса на трубопроводе, связывающем конденсатор с теплообменником.

Однако такие факторы, как увеличение мощности, уменьшение размеров подводящих трубопроводов  и турбины и более полное срабатывание температурного потенциала термальной воды, говорят в пользу сверхкритического  цикла.

В дальнейшем следует искать теплоносители с более низкой критической температурой, что позволит создавать сверхкритические циклы  при использовании термальных вод  с более низкой температурой, так  как тепловой потенциал подавляющего большинства разведанных месторождений  на территории России не превышает 100÷120ºС. В этом отношении наиболее перспективным  является R13B1(трифторбромметан) со следующими критическими параметрами: tк= 66,9ºС; pк= 3,946МПа; qк= 770кг/м³.

Результаты оценочных  расчетов показывают, что применение в первичном контуре ГеоТЭС термальной воды с температурой tк= 120ºС и создание во вторичном контуре на хладоне R13B1 сверхкритического цикла с начальным давлением pн= 5,0МПа также позволяют увеличить мощность турбины до 14% по сравнению с докритическим циклом с начальным давлением pн= 3,5МПа.

Для успешной эксплуатации ГеоТЭС необходимо решать проблемы, связанные с возникновением коррозии и солеотложений, которые, как правило, усугубляются с увеличением минерализации термальной воды. Наиболее интенсивные солеотложения образуются из-за дегазации термальной воды и нарушения в результате этого углекислотного равновесия.

 В предложенной технологической  схеме первичный теплоноситель  циркулирует по замкнутому контуру:  пласт - добычная скважина - наземный  трубопровод - насос - нагнетательная  скважина - пласт, где условия  для дегазации воды сведены  к минимуму. В то же время  следует придерживаться таких  термобарических условий в наземной  части первичного контура, которые  препятствуют дегазации и выпадению  карбонатовых отложений (в зависимости от температуры и минерализации давление необходимо поддерживать на уровне 1,5МПа и выше).

Снижение температуры  термальной воды приводит к выпаданию и некарбонатных солей, что было подтверждено исследованиями, проведенными на Каясулинском геотермальном полигоне. Часть выпадающих в осадок солей будет отлагаться на внутренней поверхности нагнетательной скважины, а основная масса выносится в призабойную зону. Отложение солей на забое нагнетательной скважины будет способствовать снижению приёмистости и постепенному уменьшению циркулярного дебита, вплоть до полной остановки ГЦС.

Для предотвращения коррозии и солеотложений в контуре ГЦС можно использовать эффективный реагент ОЭДФК (оксиэтили-дендифосфоновая кислота), обладающий длительным антикорро-ионным и антинакипным действием пассивации поверхности. Восстановление пассивирующего слоя ОЭДФК осуществляется путём периодического импульсного ввода раствора реагента в термальную воду у устья добычной скважины.

Для растворения солевого шлама, который будет скапливаться в призабойной зоне, а следовательно и для восстановления приёмистости нагнетательной скважины весьма эффективным реагентом является НМК (концентрат низкомолекулярных кислот), который также можно вводить периодически в циркулируемую термальную воду на участке до нагнетательного насоса.

Следовательно, из выше сказанного можно предложить, что одним из перспективных направлений освоения тепловой энергии земных недр является её преобразование в электрическую  путём строительства двухконтурных  ГеоТЭС на низкокипящих рабочих агентах. Эффективность такого преобразования зависит от многих факторов, в частности от выбора рабочего тела и параметров термодинамического цикла вторичного контура ГеоТЭС.

Результаты проведенного расчетного анализа циклов с использованием различных теплоносителей во вторичном  контуре показывают, что наиболее оптимальными являются сверхкритические циклы, которые позволяют повысить мощность турбины и КПД цикла, улучшить транспортные свойства теплоносителя  и более полно срабатывать  температуру исходной термальной воды, циркулирующей в первичном контуре  ГеоТЭС.

Установлено также, что для  высокотемпературной термальной воды (180ºС и выше) наиболее перспективным является создание сверхкритических циклов во вторичном контуре ГеоТЭС с использованием изобутана, тогда как для вод с более низкой температурой (100÷120ºС и выше) при создании таких же циклов наиболее подходящим теплоносителем является хладон R13В1.

В зависимости от температуры  добываемой термальной воды существует оптимальная температура испарения  вторичного теплоносителя, соответствующая  максимальной мощности, вырабатываемая турбиной.

В дальнейшем необходимо изучать  сверхкритические смеси, использование  которых в качестве рабочего агента для геотермальных энергетических циклов является наиболее удобным, так  как путём подбора состава смеси можно легко менять их критические свойства в зависимости от внешних условий.

Другое направление использование  геотермальной энергии геотермальное  теплоснабжение, которое уже давно  нашло применение на Камчатке и Северном Кавказе для обогрева теплиц, отопления  и горячего водоснабжения в жилищно-коммунальном секторе. Анализ мирового и отечественного опыта свидетельствует о перспективности  геотермального теплоснабжения. В настоящее  время в мире работают геотермальные  системы теплоснабжения общей мощностью 17175 МВт, только в США эксплуатируется  более 200 тысяч геотермальных установок. По планам Европейского союза мощность геотермальных систем теплоснабжения, включая тепловые насосы, должна возрасти с 1300 МВт в 1995г до 5000 МВт в 2010г.

В СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском  и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено--Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988г добывалось 60,8 млн. м³ геотермальной воды, сейчас в России её добывается до 30млн. м³ в год, что эквивалентно 150÷170 тыс. т. условного топлива. Вместе с тем технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минэнерго РФ, составляет 2950 млн. т. условного топлива.

За минувшие 10 лет в  нашей стране распалась система  разведки, разработки и эксплуатации геотермальных ресурсов. В СССР научно исследовательскими работами по данной проблеме занимались институты Академии наук, министерств геологии и газовой  промышленности. Разведку, оценку и  утверждение запасов месторождений  выполняли институты и региональные подразделения министерства геологии. Бурение продуктивных скважин, обустройство месторождений, разработку технологий обратной закачки, очистки геотермальных  вод, эксплуатацию геотермальных систем теплоснабжения осуществляли подразделения  Министерства газовой промышленности. В его составе работало пять региональных эксплуатационных управлений, научно-производственное объединение «Союзгеотерм» (Махачкала), которым была разработана схема перспективного использования геотермальных вод СССР. Проектированием систем и оборудования геотермального теплоснабжения занимался Центральный научно-исследовательский и проектно-эксперементальный институт инженерного оборудования.

В настоящее время прекратились комплексные научно-исследовательские  работы в области геотермии: от геолого-гидрогеологических исследований до проблем очистки  геотермальных вод. Не ведётся разведочное  бурение, обустройство ранее разведанных  месторождений, не модернизируется  оборудование существующих геотермальных  систем теплоснабжения. Роль государственного управления в развитии геотермии  ничтожна. Специалисты по геотермии  разрознены, их опыт не востребован. Анализ существующего положения и перспектив развития в новых экономических  условиях России выполним на примере  Краснодарского края.

Для данного региона из всех НВИЭ наиболее перспективно использование  геотермальных вод. На рис.4 представлены приоритеты использования НВИЭ для  теплоснабжения объектов Краснодарского края.

В Краснодарском крае ежегодно добывается до 10 млн. м³/год геотермальной  воды с температурой 70÷100º С, что замещает 40÷ 50 тыс. т. органического топлива (в пересчете на условное топли-во). Эксплуатируется 10 месторождений, на которых работает 37 скважин, в стадии освоения находятся 6 месторождений с 23 скважинами. Общее количество геотермальных скважин77. Геотермальными водами отапливается 32 га. теплиц, 11 тыс. квартир в восьми населённых пунктах, горячим водоснабжением обеспечивается 2 тыс. чел. Разведанные эксплуатационные запасы геотермальных вод края оцениваются в 77,7тыс. м³/сут, или при эксплуатации в течение отопительного сезона-11,7млн. м³ в сезон, прогнозные запасы соответственно 165тыс. м³/сут и 24,7млн. м³ в сезон.