Теплоэнергетика, 2022, № 5, стр. 49-57

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БИНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УРОВНЕЙ

Ресурсная база современной геотермальной электроэнергетики представлена теплоносителем в виде воды, пароводяной смеси и перегретого пара с характерным диапазоном температур от 90 до 300°С и более. В мире преобладают низкотемпературные геотермальные ресурсы. Так, в США подавляющее большинство (70%) составляют геотермальные источники с температурой ниже 150°С. Температуру менее 130°С имеют 59% всех известных геотермальных источников в США [5]. Мировые геотермальные ресурсы распределяются по температуре аналогичным образом.

На протяжении нескольких десятилетий коммерческое освоение производства электроэнергии в основном осуществлялось с помощью геотермальных энергоблоков, работающих на перегретом и влажном паре с температурой выше 300°С. Энергопотенциал такого теплоносителя позволяет получать относительно высокие значения эффективности и единичной мощности геотермальных энергоблоков. По мере освоения ограниченных мировых запасов высокотемпературных месторождений в целях расширения ресурсной базы геотермальной энергетики получили развитие бинарные технологии, способные утилизировать также тепло низкотемпературного геотермального теплоносителя в виде горячей воды.

Принципиальное отличие бинарных энергоустановок с органическим низкокипящим рабочим телом от традиционных геотермальных электростанций с паровыми турбинами заключается в возможности их применения для производства электроэнергии на основе использования низкотемпературных источников тепла (от 70°С). Такие геотермальные ресурсы имеются в различных регионах России [6]. На рис. 1 представлены данные по количеству действовавших в мире на 2015 г. бинарных энергоустановок с использованием геотермального теплоносителя с разными температурами.

Рис. 1.

Количество геотермальных бинарных энергоблоков, в которых используется теплоноситель с различными температурами. Температура теплоносителя, °С: 1 – менее 100; 2 – 100‒150; 3 – 150‒200; 4 – 200‒250; 5 – более 250

Физико-химические свойства органических низкокипящих рабочих тел существенно влияют на оптимальные значения основных параметров рабочей среды и технические характеристики бинарных энергоблоков и могут ограничивать возможности создания бинарных энергоблоков большой единичной мощности. Большинство бинарных установок в мире имеют единичную мощность от 5.0 до 50.0 МВт (рис. 2).

Рис. 2.

Распределение геотермальных бинарных электростанций в мире по единичной установленной мощности. Единичная установленная мощность: 1 – менее 500 кВт; 2 – от 500 кВт до 5 МВт; 3 – от 5 до 25 МВт; 4 – от 25 до 50 МВт; 5 – более 50 МВт

Средняя единичная мощность современных бинарных энергоблоков составляет 6.3 МВт [7]. За 10 лет суммарная установленная мощность геотермальных электростанций с бинарными энергоблоками в 25 странах увеличилась более чем на 50% и к 2015 г. достигла 1973 МВт.

Современный тренд в развитии экологически чистых технологий электрогенерации для получения “зеленого” водорода является дополнительным стимулом для выполнения работ по совершенствованию энергоустановок на органическом рабочем теле [8]. Одним из таких направлений может стать повышение эффективности бинарных технологий путем применения мультикаскадных бинарных энергокомплексов. Для этого целесообразно провести оптимизационные исследования по выбору рабочего тела для каждого отдельного энергоблока и их комбинации в нескольких последовательных каскадах.

С учетом того что высокотемпературные геотермальные источники в мире в основном уже освоены, а значительная часть ресурсов геотермального тепла имеет температуры менее 130°С, в рамках оптимизационных исследований мультикаскадных геотермальных комплексов были выполнены расчеты для исходного геотермального теплоносителя с температурой 120°С.

ПОДВОД ТЕПЛА ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ МУЛЬТИКАСКАДНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ

Основные допущения расчетного моделирования параметров и характеристик рабочих контуров двух- и трехкаскадных БЭК при проведении оптимизационных исследований представлены в [3, 4]. Базовое условие выполнения расчетов заключается в том, что удельный расход геотермального теплоносителя определялся из условия обеспечения на клеммах генератора мощности равной 10 МВт в одноконтурном бинарном энергоблоке на наименее эффективном рабочем теле. В расчетах гидравлические потери не учитывались, минимальные температурные напоры в теплообменном оборудовании принимались равными 10°С, перегрев пара за испарителем – 3°С, температура охлаждающей воды – 10°С.

Исследования процессов теплообмена в технологических контурах одно-, двух- и трехкаскадных БЭК были выполнены при участии специалистов ОИВТ РАН и поддержке Минобрнауки РФ. Результаты расчета влияния количества тепла геотермального теплоносителя, передаваемого через парогенератор в бинарные контуры, на значения температуры геотермального флюида и рабочего тела представлялись в виде t, Q-диаграммы.

В качестве примера на рис. 3 показана расчетная t, Q-диаграмма передачи тепла в теплообменниках при использовании низкотоксичных, пожаро- и взрывоопасных R-600 и циклобутана C₄H₈ в первом и втором контуре двухкаскадного энергокомплекса соответственно. Важной характеристикой, в значительной степени определяющей проектные параметры теплообменного оборудования, является минимальный температурный напор между греющим и подогреваемым теплоносителями. Значение этой величины задавалось авторами при моделировании постоянным для всех рассмотренных рабочих тел, однако для более детальной оптимизации могут использоваться численные методы оценки, например [9].

Рис. 3.

t, Q-диаграмма теплообменников одно- (кривые 1, 2, 3 и 4) и двухкаскадной (кривые 5, 6 и 7) схемы утилизации тепла геотермального теплоносителя с использованием R-600 и циклобутана C₄H₈ в качестве рабочих тел первого и второго каскада соответственно. Теплоноситель: 1, 3, 5 – геотермальный; 2 – R-600; 4 – циклобутан C₄H₈; 6 – R-600 в первом каскаде двухкаскадной схемы; 7 – циклобутан C₄H₈ во втором каскаде двухкаскадной схемы

Использование в двухкаскадной схеме R-600 и C₄H₈ позволяет, по сравнению с однокаскадной схемой, существенно увеличить количество передаваемого в бинарный цикл тепла (на 24%) и снизить температуру геотермального теплоносителя на выходе бинарной установки с 69.5 до 57.3°C (см. рис. 3). Так, применение двухкаскадной схемы при температуре исходного теплоносителя 180°С дает возможность увеличить количество тепла, передаваемого в бинарный цикл, по сравнению с однокаскадной схемой, только на 15% [3].

Использование в качестве рабочего тела R-600 во всех трех контурах трехкаскадной схемы позволяет, по сравнению с однокаскадной схемой, увеличить количество передаваемого в бинарный цикл тепла на 36.5% и снизить температуру геотермального теплоносителя на выходе бинарной установки с 69.5 до 50.9°C (см. рис. 3). На рис. 4 показана расчетная t, Q-диаграмма передачи тепла в теплообменниках при использовании низкотоксичного, пожаро- и взрывоопасного н-бутана. Согласно результатам ранее опубликованных исследований [3], применение трехкаскадной схемы (в первом и втором каскадах блочно-каскадного энергокомплекса использовался RC-270, в третьем ‒ R-601a) при температуре исходного теплоносителя 180°С позволяет увеличить количество тепла, передаваемого в бинарный цикл, по сравнению с однокаскадной схемой, на 19% и снизить температуру геотермального теплоносителя на выходе бинарной установки до 48.6°C.

Рис. 4.

t, Q-диаграмма теплообменников одно- (кривые 1, 2) и трехкаскадной (кривые 3, 4, 5 и 6) схемы утилизации тепла геотермального теплоносителя с использованием R-600 в качестве рабочего тела первого, второго и третьего каскадов трехкаскадной схемы и рабочего тела однокаскадной бинарной энергоустановки. Теплоноситель: 1, 3 – геотермальный; 2 – R-600; 4 ‒ R-3110 в первом каскаде трехкаскадной схемы; 5 – R-600 во втором каскаде трехкаскадной схемы; 6 – R-600 во третьем каскаде трехкаскадной схемы

Полученные результаты показывают, что в зависимости от выбора рабочих тел в бинарных контурах и конфигурации тепловой схемы эффективность утилизации сепарата, индикатором которой является увеличение количества передаваемого тепла от геотермального теплоносителя в бинарный цикл, может быть существенно различной.

ОПТИМИЗАЦИЯ МУЛЬТИКАСКАДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПО ИХ МОЩНОСТИ И УДЕЛЬНОМУ РАСХОДУ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В рамках комплексных исследований при использовании различных комбинаций выбранных рабочих тел в бинарных контурах было изучено влияние температуры геотермального теплоносителя на выходе из первого (для двухкаскадной схемы) и второго (для трехкаскадной схемы) каскадов на значения мощности (брутто и нетто) и собственных нужд, а также на удельный расход исходного геотермального флюида с температурой 120°С. Расчеты показали, что при использовании различных нетоксичных, пожаро- и взрывобезопасных органических веществ в двухкаскадной схеме наименьшее значение удельного расхода (нетто) геотермального теплоносителя на входе в установку, равное 48.2 (кг/с)/МВт, достигается при его температуре на выходе из первого каскада около 62°С, когда в первом и втором каскаде применяются органические вещества R-3110 и C₇F₁₆ соответственно (рис. 5). При этом расчеты показали, что минимальные значения удельного расхода геотермального теплоносителя с температурой 120°С (нетто и брутто) в трехкаскадной схеме бинарного энергокомплекса достигаются при использовании R-600 в качестве рабочего тела первого, второго и третьего каскада и составляют 44.6 и 42.7 (кг/с)/МВт соответственно.

Рис. 5.

Зависимость удельного расхода (нетто) b_нетто геотермального теплоносителя (ГТН) с температурой 120°С от его температуры на выходе из первого каскада блочно-каскадного энергокомплекса t₁ при использовании в качестве рабочего тела в первом и втором контуре веществ R-3110 и C₇F₁₆ соответственно. Расход: 1 – в двухкаскадной схеме; 2 – минимальный возможный удельный расход в однокаскадной схеме, достигаемый при использовании в качестве рабочего тела C₇F₁₆; 3 – минимальный возможный удельный расход в однокаскадной схеме, достигаемый при использовании в качестве рабочего тела R-3110

Расчетные зависимости мощности от температуры геотермального теплоносителя для такого двухкаскадного бинарного энергоблока представлены на рис. 6. С ростом температуры на выходе из первого каскада наблюдается увеличение мощности (брутто) второго контура. При этом значение мощности (брутто) первого контура имеет максимум (11.8 МВт) при температуре около 57°С и затем с ее ростом снижается. В результате наибольшую суммарную мощность (12.5 МВт) двухкаскадный энергоблок достигает при температуре геотермального теплоносителя 62°С на выходе из первого каскада. Из-за низкой плотности и относительно небольшого давления органического рабочего тела R-3110 мощность питательных насосов первого каскада значительно меньше, чем второго.

Рис. 6.

Зависимость мощности брутто ${{N}_{{{\text{брутто}}}}}$ (кривые 1, 2, 3, 4 и 5), нетто ${{N}_{{{\text{нетто}}}}}$ (кривые 6, 7, 8, 9 и 10) и собственных нужд ${{N}_{{{\text{с}}{\text{.н}}}}}$ (кривые 11, 12 и 13) блочно-каскадного энергокомплекса, использующего тепло геотермального теплоносителя с температурой 120°С, от температуры теплоносителя на выходе из первого каскада ${{t}_{1}}$ бинарного энергоблока (БЭ) при применении в качестве рабочего тела в первом и втором каскаде веществ R-3110 и C₇F₁₆ соответственно. 1, 2 – ${{N}_{{{\text{брутто}}}}}$ турбин первого и второго каскадов БЭ; 3 – суммарная мощность брутто $\sum {{{N}_{{{\text{брутто}}}}}} $ двухкаскадного бинарного энергоблока; 4 – максимально возможная ${{N}_{{{\text{брутто}}}}}$ однокаскадного БЭ при использовании в качестве рабочего тела R-3110; 5 – максимально возможная ${{N}_{{{\text{брутто}}}}}$ однокаскадного БЭ при использовании в качестве рабочего тела C₇F₁₆; 6, 7 – ${{N}_{{{\text{нетто}}}}}$ турбин первого и второго каскадов бинарного энергоблока; 8 – суммарная мощность нетто $\sum {{{N}_{{{\text{нетто}}}}}} $ двухкаскадного БЭ; 9 – максимально возможная ${{N}_{{{\text{нетто}}}}}$ однокаскадного БЭ при использовании в качестве рабочего тела C₇F₁₆; 10 – максимально возможная ${{N}_{{{\text{нетто}}}}}$ однокаскадного БЭ при использовании в качестве рабочего тела R-3110; 11, 12 – мощности питательных насосов первого и второго каскадов двухкаскадного БЭ; 13 – ${{N}_{{{\text{с}}{\text{.н}}}}}$ двухкаскадного БЭ

При исходной температуре геотермального теплоносителя 120°C и использовании нетоксичных, пожаро- и взрывобезопасных органических веществ в трехкаскадной схеме (в первом, втором и третьем каскаде используется R-3110) оптимальное (для обеспечения наибольшей мощности энергокомплекса) значение температуры геотермального теплоносителя на выходе из второго контура составляет 55°C (при его температуре на выходе из первого каскада 65°С) (рис. 7).

Рис. 7.

Зависимость мощности нетто БЭК, использующего тепло геотермального теплоносителя с температурой 120°С, состоящего из трех каскадов, от температуры геотермального теплоносителя на выходе из первого ${{t}_{1}}$ и второго ${{t}_{2}}$ каскада БЭ при использовании в качестве рабочего тела трех каскадов вещества R-3110. Мощность при ${{t}_{1}},$ °С: 1 – 100; 2 – 90; 3 – 85; 4 – 80; 5 –70; 6 – 65; 7 – 60; 8 – 55

На рис. 7 кривая 1 соответствует температуре на выходе из первого контура 100°С. При этом если температура на выходе из второго контура составляет 100°С, то мощность энергокомплекса равняется 10.3 МВт, при температуре 50°С мощность минимальна (около 10 МВт).

Расчетное поле значений удельного расхода исходного геотермального теплоносителя (нетто) в зависимости от его температуры после первого и второго каскадов для трехкаскадной схемы при использовании в качестве рабочего тела во всех каскадах R-3110 представлено на рис. 8. Из этой диаграммы видно, что минимальное значение удельного расхода (нетто) однофазного геотермального теплоносителя составляет 47.4 (кг/с)/МВт, что соответствует значениям температуры геотермального теплоносителя на выходе из первого каскада 65°С и на выходе из второго каскада 55°С. Имеются две зоны наибольших значений удельного расхода исходного геотермального теплоносителя, где его значение достигает 55.0 (кг/с)/МВт.

Рис. 8.

Зависимость удельного расхода (нетто) b_нетто, геотермального теплоносителя с температурой 120°С от его температуры после первого ${{t}_{1}}$ и второго ${{t}_{2}}$ каскадов при использовании в качестве рабочего тела в трех каскадах вещества R-3110

Как правило, основной оптимизационной задачей проектирования геотермальных энергоблоков является достижение наибольшей мощности при минимальном удельном расходе теплоносителя. Результаты расчетных исследований свидетельствуют о том, что одновременное достижение оптимальных значений этих параметров для двух- и трехкаскадных энергоблоков невозможно. Поэтому при разработке мультикаскадных БЭК заказчику необходимо определить приоритеты для принятия компромиссного решения.

На рис. 9 представлена гистограмма, демонстрирующая влияние выбора рабочего тела на удельный расход геотермального теплоносителя в двух- и трехкаскадных БЭК. Минимальное расчетное значение удельного расхода геотермального теплоносителя (брутто), равное 37.0 (кг/с)/МВт, достигается в двухкаскадном энергокомплексе при использовании в качестве рабочего тела в первом каскаде C₇F₁₆ и во втором R-218 (см. рис. 9). Минимальное значение удельного расхода (нетто) геотермального теплоносителя, равное 47.4 (кг/с)/МВт, обеспечивает использование в качестве рабочего тела R-3110 во всех каскадах трехкаскадного энергокомплекса. В этом случае повышение эффективности утилизации геотермального теплоносителя составляет 6.1%.

Рис. 9.

Гистограмма расчетных значений удельного расхода (брутто) b_брутто геотермального теплоносителя с температурой 120°С для различных рабочих тел, используемых в БЭК

Для бинарных технологий характерны значительные расходы охлаждающей воды и, как следствие, большие затраты на собственные нужды. Расчеты показали, что наибольший расход охлаждающей воды в исследуемых мультикаскадных схемах составляет 3519.3 кг/с при использовании C₇F₁₆ и R-218 в качестве рабочих тел в первом и втором каскаде соответственно (рис. 10). Применение органических веществ C₇F₁₆ и R-3110 в первом и втором контуре соответственно позволяет снизить расход охлаждающей воды по сравнению с вышеупомянутым вариантом на 36%, т.е. до 2250 кг/с.

Рис. 10.

Гистограмма расчетных значений расхода охлаждающей воды $\sum {{{G}_{{{\text{о}}{\text{.в}}}}}} $ при использовании различных органических веществ в БЭК при температуре геотермального теплоносителя на входе 120°С

Предварительная укрупненная оценка влияния на капитальные вложения и выработку электроэнергии при сооружении однокаскадного энергоблока и мультикаскадных БЭК была проведена на основе стоимостных показателей, представленных в [10]. В соответствии с этими данными удельная стоимость буровых работ и обустройства скважин ориентировочно равна 100.5 тыс. дол. (здесь и далее стоимость работ и выработанной электроэнергии приводится в долларах США) за 1.0 л/с геотермального теплоносителя. Стоимость 1 кВт установленной мощности однокаскадного бинарного энергоблока составляет 3500 дол., двухкаскадного ‒ 4200 дол., а трехкаскадного может быть оценена в 4700 дол.

Расчеты, выполненные с учетом буровых работ, обустройства скважин и стоимости бинарных энергоблоков, показали, что при температуре геотермального теплоносителя 120°С ориентировочная стоимость геотермальной электростанции с однокаскадным бинарным энергоблоком на рабочем теле R32 (мощностью брутто 15.0 МВт) будет равна 91.4 млн дол., а с двухкаскадным БЭК на рабочем теле R32 в двух контурах (мощностью брутто 16.7 МВт) – 105.4 млн дол., с трехкаскадным БЭК на рабочем теле R600 (мощностью брутто 136 МВт) – 103.0 млн дол. Из этого следует, что при переходе от однокаскадной к двухкаскадной схеме капитальные вложения в сооружение геотермальной электростанции вырастут на 15.3%, а выработка электроэнергии при этом увеличится на 13.7%. При переходе от однокаскадной к трехкаскадной схеме капитальные вложения в строительство геотермальной электростанции вырастут на 12.6%, а выработка электроэнергии увеличится на 22.4%.

ВЫВОДЫ

1. Определенные с помощью оптимизационного математического моделирования органические низкокипящие вещества, применяемые в качестве теплоносителей, а также значения температуры геотермальной среды в каскадах, позволяющие достичь максимальной мощности и минимального удельного расхода флюида, могут быть использованы при разработке мультикаскадных бинарных энергокомплексов с температурой геотермального теплоносителя 120°С.

2. Применение трехкаскадной схемы при использовании геотермального теплоносителя с температурой 120°С (когда во всех трех контурах используется R-600) может обеспечить прирост передаваемого в бинарный цикл тепла на 36.5% по сравнению с однокаскадной схемой. При использовании геотермального теплоносителя с температурой 180°С прирост передаваемого тепла составил 15.0%.

3. Минимальные значения удельного расхода геотермального теплоносителя с температурой 120°С (нетто и брутто) в трехкаскадной схеме достигаются при использовании в качестве рабочего тела первого, второго и третьего каскадов вещества R-600 и составляют 44.6 и 42.7 (кг/с)/МВт соответственно.

4. Удельный расход геотермального теплоносителя с температурой 120°С в двухкаскадной схеме более “чувствителен” к выбору нетоксичных, пожаро- и взрывобезопасных веществ (изменение может достигать 51%), чем расход геотермального теплоносителя с температурой 180°С (изменение не превышает 15.5%).