Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408
Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для геотермальных месторождений камчатского края
# 09, сентябрь 2011
Файл статьи:
Бирюков_P.pdf
(329.71Кб)
УДК 621.165.438 МГТУ им. Н.Э. Баумана Камчатский край располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60…200 °C в платформенных и предгорных районах. Геотермальные станции базируются на источниках пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5…3 км. Пароводяная смесь имеет степень сухости 0,2…0,5 и удельную энтальпию 1500…2500 кДж/кг. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3…5 МВт. В качестве энергопреобразователей применяют паровые турбины. Характеристика геотермальных ресурсов Камчатки Камчатские месторождения теплоэнергетических вод трещинно-жильного типа горно-складчатых областей распространены в районах современного и недавнего вулканизма. В табл. 1 приведены основные характеристики Камчатского гидрогеотермального региона. Таблица 1 Основные характеристики гидрогеотермального региона
Высокотемпературные геотермальные месторождения Камчатки (по данным ОАО «Геотерм») приведены в табл. 2. Таблица 2 Технические характеристики действующих ГеоЭС (данные 2009 г.)
Оценка геотермальных потенциалов Камчатского края Гидротермальные конвективные системы Камчатского края разделяются условно на высокотемпературные (температура в недрах выше 150 °C) и низкотемпературные (температура ниже 150 °C). При оценке прогнозных геотермальных ресурсов высокотемпературных систем применялись два основных метода: по величине естественной тепловой разгрузки (выносу тепла поверхностными термопроявлениями); по данным определения тепловой энергии, содержащейся в горных породах, насыщенных флюидом и распространенных в пределах гидротермальных систем. Например, при расчете прогнозных ресурсов действующей Паужетской гидротермальной системы ее тепловая мощность по сумме выноса тепла естественными термопроявлениями была определена в 104 МВт. Увеличивая это значение в четыре раза и вводя коэффициент перехода в полезную работу тепловой энергии на устье скважин (0,23) и перевода ее в электрическую энергию (0,4), получим прогнозную электрическую мощность – 38 МВт. Оценка ресурсов по второму методу требует определения объема блока, слоя или резервуара нагретых горных пород, знание температуры и удельного теплосодержания горных пород. Результаты расчета Паужетской гидротермальной системы приведены в табл. 3. Таблица 3 Характеристика Паужетского месторождения
На основании проведенных оценок месторождений, выделены перспективные высокотемпературные геотермальные месторождения, на платформе которых возможна работа проектируемой паротурбинной установки. Характеристики месторождений представлены в табл. 4. Таблица 4 Прогнозные геотермальные ресурсы высокотемпературных систем
В настоящее время на Камчатке закончено строительство четвертого блока Верхне-Мутновской ГеоЭС электрической мощностью 6,5 МВт, комбинированного с бинарным циклом (отработанный теплоноситель не закачивается обратно в пласт, а используется для выработки электрической энергии). Предполагается, что добавление бинарного блока повысит мощность станции на 50 % без увеличения нагрузки на окружающую среду. Включение в схему ГеоЭС бинарного блока выполнено впервые в России. Проектирование паротурбинной установки геотермальной электростанции бинарного цикла В рамках проектирования паровой турбины решаются следующие научно- технические проблемы: выбор оптимального низкокипящего рабочего тела; определение минимальной температуры охлаждения конденсата, обеспечивающей предотвращение отложений в рабочем тракте турбины; выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора - испарителя; обеспечение экологических ограничений по выбросу сероводорода, основного загрязняющего атмосферу вещества, исследование теплофизических свойств рабочего тела бинарного энергоблока. Выбор низкокипящего рабочего тела В качестве низкокипящего теплоносителя второго контура выбран изобутан – углеводород класса алканов, изомер нормального бутана. При бурении геотермальных скважин выделяется большой объем попутных газов, в том числе изобутана. Его температура кипения минус 11,73 °C, температура плавления минус 159,6 °C. Выбор тепловой схемы геотермальной станции бинарного цикла Первым этапом выбора тепловой схемы ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка, был анализ принципов создания, упомянутой выше, Верхне‑Мутновской ГеоЭС. В основу создания Верхне‑Мутновской станции были положены новые технические решения: применена блочная, при полной заводской готовности, система подготовки пара, которая расположена в непосредственной близости к ГеоЭС; использован модульный тип ГеоЭС при 100 % заводской готовности основных блоков - модулей (турбогенераторы, электрическое оборудование); обеспечена экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушным конденсатором, которая позволяет отобрать энергию от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки в землю. В этом случае теплоноситель не попадает в атмосферу. Принципиально новые технические решения создания Верхне‑Мутновской ГеоЭС были учтены, в частности при выборе тепловой схемы проектируемой станции. На рис. 1 приведена схема ГеоЭС, для которой проектируется паротурбинная установка. Рис. 1. Тепловая схема геотермальной электростанции бинарного цикла:
Проектирование паротурбинной установки на геотермальном рабочем теле Как показано на рис. 1, комбинированная геотермальная станция бинарного цикла включает в себя два энергетических узла. Первый энергетический узел состоит из паротурбинной установки, работающей на геотермальном рабочем теле. На данном этапе исследовательской работы определены тепловые характеристики геотермального рабочего тела, низкокипящего рабочего агента, а также параметры сепараторной части и паровой турбины, для наиболее перспективного с экономической и технической точек зрения геотермального месторождения. По результатам оценок месторождений, представленных в настоящей работе, таким является Карымское геотермальное месторождение (см. табл. 4). При средней температуре резервуара 200 °C теплоносителем на поверхности является перегретый и насыщенный пар/термальная вода. В бинарной установке для электростанции предусмотрено использование пара, получаемого двухступенчатой сепарацией пароводяной смеси, которая забирается из геотермальных скважин, для выработки электроэнергии в двух паротурбинных агрегатах конденсационного типа, работающих в базовом режиме с начальным давлением пара 0,65 МПа. Для обеспечения экологической чистоты проекта в технологической схеме электростанции предусмотрена система закачки (реинжекции) конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также предотвращения выбросов сероводорода в атмосферу. Технико-экономические показатели ГеоЭС и паротурбинной установки: установленная мощность ГеоЭС – 50 МВт (два блока); расход пара на один блок – 47,5 кг/с; расход пара на всю ГеоЭС – 95 кг/с; мощность (нетто) блока – 23,03 МВт, ГеоЭС – 46,06 МВт. Работа сепаратора обеспечивает на выходе степень сухости пара более 0,9998 и общее солесодержание в паре менее 0,5 мг/л. Для обеспечения этих параметров пара сепаратор имеет промывочное устройство, в которое подается чистый конденсат. На номинальном режиме (по мощности) сепараторы пара работают при следующих параметрах: Параметры пара на входе в сепаратор: расход – 47,317 кг/с; давление (абс) –0,64 МПа; температура – 186,3 °C; влажность пара – 0,02 %. Параметры пара на выходе из сепаратора: расход – 47,5 кг/с; давление (абс) – 0,65 МПа; температура – 187 °C; влажность пара – 0,1 %. Активно‑реактивная двухпоточная турбина обеспечивает номинальную мощность 25 МВт. Она достигается при начальном давлении пара перед стопорной захлопкой 0,62 МПа, содержании в паре неконденсирующихся газов 0,4 % (по массе), давлении пара в конденсаторе 5 кПа. В каждом потоке турбины – восемь ступеней. Номинальные расчетные параметры пара перед турбиной: давление пара – 0,62 МПа; степень сухости пара перед турбиной – 0,9998; содержание в паре неконденсирующихся газов – 0,4 %; давление пара в конденсаторе – 5,0 кПа. Принципиальная схема установки второго контура Во втором энергетическом узле, включающем турбину, работающую на изобутане, тепловая энергия сепарата Qc передается органическому рабочему телу (ОРТ). Соответствующий тепловой баланс может быть записан в виде: QcCpc(T1c-T2c) = QортCpорт(T1орт-T2орт), где Cpc, Cpорт – средняя теплоемкость соответственно сепарата и ОРТ; T1c – температура сепарата на входе в теплообменник; T2c – температура сепарата на выходе из теплообменника; T1орт – температура ОРТ на входе в теплообменник; T2орт – температура сепарата на выходе из теплообменника. На рис. 2 приведена схема установки второго контура. Рис. 2. Принципиальная схема установки второго контура: Энергоустановка бинарного цикла имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся: более полное использование теплоты рассола и закачки 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. Недостатком установки является усложнение схемы и некоторая потеря температурного потенциала, поскольку для передачи тепла от геотермального флюида к рабочему телу необходим перепад температур. Особенностью выполнения данной работы является возможность практической реализации и применения в машиностроении результатов проведенного исследования. В работе определены температурные параметры геотермального и низкокипящего рабочих тел, состояние рабочего тела на поверхности скважин, давления скважин, параметры паровой турбины, давление перед стопорной захлопкой, расход пара и т.д. Кроме того, выполнен расчет и эскизное проектирование основного преобразователя энергии – паротурбинной установки. Исследование геотермальных месторождений и проектирование паротурбинных установок для Камчатского края носит стратегический характер, как в социальной, так и в экономической сферах. Литература 1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. М.: Высшая школа, 1980. 550 с. 2. Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: Физмалит, 2010. 256 с. 3. Берман Э. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 411 с. 4. Конструирование и расчет на прочность турбомашин газотурбинных и комбинированных установок / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, Э.А. Манушин и др. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2009. 519с. 5. Поваров О.А. Мутновский геотермальный электрический комплекс на Камчатке. М.: Теплоэнергетика, 2001. 154 с. 6. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева.– 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 1997. 684 с. 7. Теплотехника / Под ред. А.М. Архарова.– 3-е изд., переработ. и доп. М.: Изд-во МГТУ им Н.Э.Баумана, 2011.791 с. Публикации с ключевыми словами: геотермальная электростанция, бинарный цикл, тепловая схема, паротурбинная установка Публикации со словами: геотермальная электростанция, бинарный цикл, тепловая схема, паротурбинная установка Смотри также: Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|