Теплоэнергетика, 2022, № 9, стр. 89-96

СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ БИНАРНЫЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИИ

Суммарная установленная мощность геотермальных электростанций в мире с 2010 по 2020 г. возросла на 41% и достигла 15 950 МВт [3]. Прирост мощности ГеоЭС в значительной степени был обеспечен вводом в эксплуатацию бинарных энергоблоков. Труднодоступность высокотемпературных геотермальных ресурсов, расположенных в основном в активных зонах молодого вулканизма, послужила одной из причин активного освоения в последние годы низкотемпературных геотермальных источников с использованием бинарных энерготехнологий. Например, в США за прошедшие 10 лет суммарная установленная мощность N_уст геотермальных бинарных электростанций увеличилась более чем в 2 раза (рис. 1) [4].

Рис. 1.

Рост установленной мощности N_уст ГеоЭС в США за 1970–2020 гг. ГеоЭС: 1 – на перегретом (насыщенном) паре; 2, 3, 4 – с одним, двумя и тремя давлениями расширения соответственно; 5 – бинарные (графики 2–5 построены накопительным итогом от графика 1)

Этот результат достигнут благодаря сооружению бинарных энергоблоков на действующих ГеоЭС. В период с 2015 по 2019 г. новые геотермальные месторождения не разрабатывались. Усилия были направлены на повышение эффективности утилизации сбросного геотермального теплоносителя на основе применения бинарных энерготехнологий, а также на увеличение производительности месторождений, находящихся в эксплуатации. На геотермальную энергетику США в настоящее время приходится около 2% всех возобновляемых источников энергии и около 0.4% общего объема производства электроэнергии в стране. Следует отметить, что развитие возобновляемых источников энергии в странах-лидерах осуществляется при государственной поддержке, в том числе благодаря стимулирующим повышенным тарифам [5].

Широкое распространение бинарных энергоблоков в геотермальной энергетике также обусловлено их постоянным совершенствованием и достижением эффективности, сопоставимой с традиционными ГеоЭС, включая геотермальные электростанции прямого цикла. На рис. 2 представлены сведения об эффективности геотермальных электростанций прямого и бинарного циклов [6]. Термодинамическая эффективность (КПД η) ГеоЭС находится в диапазоне от 4 до 20%, причем при высоких температурах t геотермального теплоносителя эти показатели увеличиваются.

Рис. 2.

Термодинамическая эффективность некоторых геотермальных электростанций прямого цикла с одним давлением расширения (а) и бинарного цикла (б). 1 – Nesjavallavirkjun, 120 МВт (установленная мощность) (Исландия); 2 – Uenotai, 28.8 МВт (Япония); 3 – Olkaria, 45 МВт (Кения); 4 – Los Asufres, 195 МВт (Мексика); 5 – Kızıldere, 20 МВт (Турция); 6 – Dieng, 60 МВт (Индонезия); 7 – Sabalan, 36 МВт (Иран); 8 – Takigami, 28 МВт (Япония); 9 – Matsukawa, 50 МВт (Япония); 10 – Onikobe, 12.5 МВт (Япония); 11 – Krafla, 28 МВт (Исландия); 12 – Rotokava, 34 МВт (Новая Зеландия); 13 – Wairakei, 171 МВт (Новая Зеландия); 14 – Miravalles, 15.5 МВт (Коста-Рика); 15 – Ngawa, 75 МВт (Новая Зеландия); 16 – Las Pailas, 41.6 МВт (Коста-Рика); 17 – Heber-1, 6.9 МВт (США); 18 – Heber-2, 48 МВт (США); 19 – Raft River, 6.1 МВт (США); 20 – Amatitlan, 25.2 МВт (Гватемала); 21 – Tuzla, 7.5 МВт (Турция); 22 – Brady, 4.3 МВт (США); 23 – Wabuska, 0.8 МВт (США); 24 – Chena, 2 МВт (США); 25 – Паратунская, 0.7 МВт (СССР); 26 – Dora-2, 9.8 МВт (Турция); 27 – Dora-1, 7.3 МВт (Турция)

Следует отметить, что в бинарных энергоблоках используется геотермальный теплоноситель в широком температурном диапазоне (80–325°С), по этому показателю бинарные энергоблоки не уступают геотермальным с прямым циклом.

Несмотря на достигнутые в этом направлении успехи, в настоящее время продолжается поиск новых решений по повышению эффективности бинарных энерготехнологий на основе геотермальных ресурсов [7, 8], в том числе мультикаскадных бинарных энергокомплексов [9–11]. Практически важно определить, как количество каскадов влияет на мощность мультикаскадных бинарных энергокомплексов, т.е. какое приращение мощности может обеспечить включение в схему каждого последующего каскада. Результаты такой оценки позволят определить количество каскадов, которым целесообразно ограничиться при выполнении оптимизационных расчетов и решении практических задач.

На рис. 3 представлены расчетные зависимости относительной мощности мультикаскадных бинарных энергокомплексов и относительной мощности (нетто) каждого отдельного каскада от их количества. Исследования выполнены для геотермального теплоносителя температурой 70 и 120°С, причем рабочим телом во всех контурах в первом случае являлся R601a, а во втором ‒ R600a. Следует отметить, что эти результаты представляют собой оценку зависимости мощности мультикаскадных бинарных энергокомплексов и каждого каскада отдельно от количества каскадов, проведенную без оптимизации выбора рабочего тела в отдельных контурах и разности температур геотермального теплоносителя на входе в каждый каскад и выходе из него.

Рис. 3.

Расчетные зависимости влияния количества каскадов на относительную мощность мультикаскадных бинарных энергокомплексов (кривые 1, 2) и относительную мощность (нетто) каждого каскада (кривые 3, 4). Кривые: 1, 4 – температура геотермального теплоносителя 70°C (рабочее тело во всех контурах R601a); 2, 3 – температура геотермального теплоносителя 120°C (R600a)

Как видно на рис. 3, приращение мощности с присоединением каждого дополнительного каскада при утилизации геотермального теплоносителя температурой 70°С существенно больше, чем теплоносителя температурой 120°С. Так, разница в увеличении относительной мощности для двухкаскадного бинарного комплекса составляет около 30%, а для четырехкаскадного – более 50%. При этом очевидна тенденция уменьшения прибавки относительной мощности с ростом количества каскадов. Это наглядно отражают кривые 3 и 4 на рис. 3, которые показывают, какую относительную мощность (нетто) добавляет каждый последующий присоединенный каскад. Так, прибавка относительной мощности с ростом количества каскадов снижается особенно активно для геотермального теплоносителя температурой 120°С и при восьми каскадах составляет менее 10%.

Исходя из вышеизложенного, целесообразно проводить оптимизационные исследования прежде всего для двух- и трехкаскадных бинарных энергокомплексов, некоторые результаты которых рассмотрены далее.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ 70°С

Важная характеристика геотермальных бинарных энергоблоков – количество тепла, передаваемого от первоисточника (геотермального теплоносителя) рабочему телу бинарного контура в подогревателе-испарителе-пароперегревателе. Применение мультикаскадных бинарных энергокомплексов позволяет увеличить эффективность передачи геотермального тепла в органический цикл. Авторами данной работы совместно со специалистами ОИВТ РАН при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ были выполнены расчетные оптимизационные исследования технологических схем мультикаскадных бинарных энергокомплексов.

На рис. 4 представлены результаты расчетов в виде t, Q-диаграммы теплообменников (подогревателей-испарителей-пароперегревателей) одно- (кривые 1 и 2) и двухкаскадного (кривые 3–5) энергокомплексов, предназначенных для утилизации тепла однофазного геотермального теплоносителя температурой 70°C с использованием в качестве рабочего тела в обоих каскадах низкотоксичного пожаро- и взрывоопасного вещества R601a. Установлено, что в данном случае применение двухкаскадной схемы при температуре геотермального теплоносителя 70°С, по сравнению с однокаскадной схемой с теплоносителем, имеющим температуру 120°С, позволяет увеличить количество передаваемого тепла от исходного геотермального теплоносителя в бинарный контур на 140% и снизить температуру геотермального флюида на выходе из энергокомплекса с 67 до 49°C. Прирост передаваемого количества тепла в двухкаскадном бинарном энергокомплексе показан на рис. 4 отрезком ΔQ.

Рис. 4.

t, Q-диаграмма теплообменников одно- (кривые 1 и 2) и двухкаскадной (кривые 3–5) схемы утилизации тепла однофазного геотермального теплоносителя температурой 70°С с использованием во всех каскадах вещества R601a. 1 – геотермальный теплоноситель температурой 120°С в однокаскадной схеме; 2 – R601a в однокаскадной схеме (120°С); 3 – геотермальный теплоноситель температурой 70°С в двухкаскадной схеме; 4 – R601a в первом каскаде двухкаскадной схемы; 5 – R601a во втором каскаде двухкаскадной схемы. ΔQ – прирост передаваемого количества тепла в двухкаскадном бинарном энергокомплексе

Применение трехкаскадной схемы, по сравнению с традиционной однокаскадной, дает возможность в большей степени увеличить приращение передаваемого количества тепла от геотермального теплоносителя к рабочему телу. На рис. 5 представлена расчетная t, Q-диаграмма теплообменников однокаскадного (кривые 1 и 2) и трехкаскадного (кривые 3–6) энергокомплексов утилизации тепла однофазного геотермального теплоносителя с температурой 70 и 120°С при использовании в качестве рабочего тела в трех каскадах вещества R601a.

Рис. 5.

t, Q-диаграмма теплообменников одно- (кривые 1 и 2) и трехкаскадной (кривые 3–5) схемы утилизации тепла однофазного геотермального теплоносителя температурой 70°С с использованием вещества R601a в качестве рабочего тела в трех каскадах. 1 – геотермальный теплоноситель температурой 120°С в однокаскадной схеме; 2 – R601a в однокаскадной схеме; 3 – геотермальный теплоноситель температурой 70°С в трехкаскадной схеме; 4, 5, 6 – R601a в первом, втором и третьем каскаде соответственно

Трехкаскадная схема при температуре геотермального теплоносителя 70°С позволяет увеличить количество геотермального тепла, передаваемого в бинарный цикл, на 166% по сравнению с однокаскадной схемой с геотермальным теплоносителем температурой 120°С. При этом температура геотермального теплоносителя на выходе из трехкаскадного энергокомплекса по сравнению с однокаскадным бинарным энергоблоком уменьшается с 67 до 47°C, что существенно снижает тепловое загрязнение окружающей среды.

Анализ полученных результатов и ранее выполненных комплексных исследований параметров, влияющих на эффективность утилизации геотермального теплоносителя [1, 2], показал, что с повышением температуры исходного геотермального теплоносителя эффективность передачи тепла в бинарный цикл мультикаскадных энергокомплексов снижается. Для сравнения, при начальной температуре исходного геотермального теплоносителя 120°C применение двухкаскадной схемы позволяет увеличить количество тепла, передаваемого в бинарный цикл, на 37% по сравнению с однокаскадной, а при 180°C – только на 15%. Аналогичная тенденция снижения прироста количества тепла сохраняется и при использовании трехкаскадной схемы.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ЕГО УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД И МОЩНОСТЬ МУЛЬТИКАСКАДНЫХ БИНАРНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ

Одна из основных технических характеристик геотермальных энергоблоков, определяющих эффективность использования первичного источника тепла, – удельный расход геотермального теплоносителя на единицу вырабатываемой мощности. При выполнении расчетных исследований была проведена оценка изменения удельного расхода геотермального теплоносителя при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к двух- и трехкаскадным бинарным энергокомплексам. При этом для сравнения предварительно определялся и принимался в качестве базового однокаскадный бинарный энергоблок с наиболее эффективным рабочим телом, применение которого позволяет максимально снизить удельный расход геотермального теплоносителя.

На рис. 6 представлена гистограмма расчетных значений изменения удельного расхода (нетто) исходного геотермального теплоносителя температурой 70°С при использовании в качестве рабочего тела в мультикаскадных бинарных энергокомплексах различных органических низкотоксичных, пожаро- и взрывобезопасных веществ. Применение двух- и трехкаскадной схем с хладагентом R601a в качестве рабочего тела в контурах обеспечивает снижение удельного расхода геотермального теплоносителя температурой 70°С. В данном случае базовым был определен однокаскадный бинарный энергоблок с рабочим телом R601a.

Рис. 6.

Гистограмма расчетных значений изменения удельного расхода (нетто) Δb исходного геотермального теплоносителя температурой 70°С при использовании различных органических низкотоксичных пожаро- и взрывобезопасных веществ в качестве рабочего тела в мультикаскадных бинарных энергокомплексах. 2×R601a – изопентан использован в качестве рабочего тела в и в первом, и во втором каскаде двухкаскадной схемы; 3×R601a – изопентан использован в каждом каскаде трехкаскадной схемы

Анализ полученных ранее [1, 2] и представленных в данной работе результатов расчетных исследований при температурах геотермального теплоносителя 70, 120 и 180°С показывает, что наибольшее снижение удельного расхода (нетто) при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к двухкаскадному при использовании эффективного рабочего тела R601a почти на 21% достигается при температуре геотермального теплоносителя 70°С (рис. 7). При температуре исходного геотермального теплоносителя 120°С при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока (рабочее тело R143a) к двухкаскадному (рабочее тело R32) снижение удельного расхода теплоносителя составит около 3%. Наименьший эффект снижения удельного расхода (нетто) при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока (эффективное рабочее тела R600a) к двухкаскадному бинарному энергоблоку (рабочее тело в первом контуре R600a, во втором – R143a), составляющий около 1.0%, отмечается при температуре геотермального теплоносителя 180°С.

Рис. 7.

Зависимость расчетных значений изменения удельного расхода (нетто) Δb (кривая 1) и мощности (нетто) ΔN (кривая 2) двухкаскадного бинарного энергокомплекса от температуры исходного геотермального однофазного теплоносителя t₁ по сравнению с однокаскадным бинарным энергоблоком

Аналогичная тенденция наблюдается при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к трехкаскадному бинарному энергокомплексу. Наибольшее расчетное значение снижения удельного расхода (нетто) геотермального теплоносителя температурой 70°С, превышающее 27%, достигается при использовании в качестве рабочего тела R601a во всех контурах трехкаскадного бинарного энергокомплекса (рис. 8). В данном случае сравнение выполнено для базового однокаскадного бинарного энергоблока с этим же рабочим телом.

Рис. 8.

Зависимость расчетных значений изменения удельного расхода (нетто) Δb (кривая 1) и мощности (нетто) ΔN (кривая 2) трехкаскадного бинарного энергокомплекса от температуры исходного геотермального однофазного теплоносителя t₁ по сравнению с однокаскадным бинарным энергоблоком

При температуре исходного геотермального теплоносителя 120°С снижение его удельного расхода (нетто) в трехкаскадном бинарном энергокомплексе с рабочим телом R600 во всех контурах составило более 18%. В качестве базового был принят однокаскадный бинарный энергоблок, в котором используется то же рабочее тело R600.

Наименьшее расчетное значение снижения удельного расхода (нетто) (около 1%) при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к трехкаскадному бинарному энергокомплексу отмечается для исходного геотермального теплоносителя температурой 180°С при использовании в качестве рабочего тела в первом и втором контурах R601a, в третьем – R143a. Базовым энергоблоком был принят однокаскадный бинарный, в котором применяется рабочее тело R600a.

Таким образом, наиболее выгодным в отношении минимизации удельного расхода (нетто) геотермального теплоносителя является переход от однокаскадного бинарного энергоблока к мультикаскадному бинарному энергокомплексу при низких значениях его (теплоносителя) температуры. Причем большее снижение его удельного расхода (нетто) достигается в трехкаскадном бинарном энергокомплексе. Уменьшение удельного расхода геотермального теплоносителя способствует продлению срока эксплуатации геотермального месторождения.

Авторами данной работы был выполнен анализ результатов расчетных исследований влияния перехода от однокаскадного бинарного энергоблока к мультикаскадному бинарному энергокомплексу установленной мощности (нетто) при различных температурах исходного геотермального теплоносителя 70, 120 [2] и 180°С [1]. Было определено, что при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока мощностью 10.0 МВт к двухкаскадному бинарному энергокомплексу мощность (нетто) энергоустановки увеличивается на 2.3 МВт (т.е. на 23%) при температуре исходного геотермального теплоносителя 70°С, на 0.35 МВт – при 120°С и на 0.17 МВт – при 180°С (см. рис. 7), а при переходе к трехкаскадному бинарному энергокомплексу – на 3.15 МВт при 70°С и на 2.2 МВт при 120°С (см. рис. 8). Наименьший прирост мощности (нетто), равный 0.18 МВт, наблюдается при переходе к трехкаскадному бинарному энергокомплексу при температуре исходного геотермального теплоносителя 180°С.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАПИТАЛЬНЫХ ВЛОЖЕНИЙ И ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Предварительная оценка влияния применения мультикаскадных бинарных энергокомплексов по сравнению с однокаскадными на капитальные затраты на сооружение ГеоЭС и выработку ими электроэнергии проводилась с учетом тенденций изменения стоимостных показателей, приведенных в [12]. По этим данным удельная стоимость работ по бурению и обустройству скважин составляет ориентировочно 100.5 тыс. дол. США за 1.0 дм³/с производимого геотермального теплоносителя. При этом стоимость 1 кВт установленной мощности однокаскадного бинарного энергоблока равняется 3500 дол., двухкаскадного бинарного энергокомплекса – 4200 дол., а трехкаскадного может быть оценена в 4700 дол.

С учетом сказанного при температуре исходного геотермального теплоносителя 70°С капиталовложения (с учетом работ по бурению и обустройству скважин, а также стоимости энергетического оборудования) в сооружение ГеоЭС с однокаскадным бинарным энергоблоком на рабочем теле R601a (мощностью брутто 9.0 МВт) составят 370 млн дол., с двухкаскадным бинарным энергокомплексом на том же рабочем теле (мощностью брутто 11.4 МВт) – 387 млн дол., а с трехкаскадным бинарным энергокомплексом с тем же рабочим телом (мощностью брутто 12.4 МВт) – 397 млн дол. Таким образом, капитальные затраты на сооружение ГеоЭС (с учетом всех дополнительных затрат) при использовании двухкаскадного бинарного энергокомплекса возрастут на 4.4% по сравнению с однокаскадным, выработка электроэнергии увеличится более чем на 26%.

Строительство геотермальной электростанции с трехкаскадным бинарным энергокомплексом приведет к росту капиталовложений, по сравнению с однокаскадным энергоблоком, примерно на 7%, а выработка электроэнергии увеличится на 37%. Из этого следует, что при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к двух- или трехкаскадному бинарному энергокомплексу срок окупаемости проекта по сооружению ГеоЭС не увеличится.

Нужно отметить, что проведенные расчеты отражают укрупненную предварительную оценку, позволяющую качественно судить о возможной целесообразности применения мультикаскадных бинарных энергокомплексов в геотермальной энергетике. Безусловно, для определения экономической эффективности конкретного проекта ГеоЭС с мультикаскадными бинарными энергокомплексами потребуется более детальный расчет, в котором будут учитываться условия залегания подземных вод, сложности проведения буровых и строительных работ, а также качество геотермального теплоносителя, доступность холодного источника, структура финансирования и др.

ВЫВОДЫ

1. Расчетные исследования показывают, что переход от однокаскадного бинарного энергоблока мощностью 10 МВт к двух- и трехкаскадным бинарным энергокомплексам позволяет повысить эффективность использования тепла геотермального теплоносителя, особенно при утилизации низкотемпературных геотермальных источников. Так, при переходе от однокаскадного бинарного энергоблока к двухкаскадному бинарному энергокомплексу наибольшее снижение удельного расхода (нетто) геотермального теплоносителя – на 21% достигается при его температуре 70°С, на 3% при 120°С и на 1% при 180°С. Трехкаскадный бинарный энергокомплекс, по сравнению с однокаскадным, дает возможность снизить удельный расход теплоносителя на 27% при его температуре 70°С, на 18% при 120°С и на 1% при 180°С.

2. Использование двухкаскадной схемы с геотермальным теплоносителем температурой 70°С вместо однокаскадной схемы с теплоносителем температурой 120°С позволяет увеличить количество передаваемого в бинарный контур тепла на 140% и снизить температуру геотермального флюида на выходе из энергокомплекса с 67 до 49°C, а применение трехкаскадной схемы при температуре геотермального теплоносителя 70°С – увеличить количество геотермального тепла, передаваемого в бинарный цикл, на 166% и снизить температуру геотермального флюида на выходе из энергокомплекса с 67 до 47°C.

3. Наибольший прирост мощности (нетто) при использовании двухкаскадного бинарного энергокомплекса вместо однокаскадного мощностью 10 МВт составляет 2.3 МВт при температуре исходного геотермального теплоносителя 70°С, а при применении трехкаскадного бинарного энергокомплекса – 3.15 МВт.