Научно-технические аспекты строительства Мутновской геотермальной электростанции на Камчатке

Трушин С. Г. , Земцов А. С., инженеры, Длугосельский В. И., канд. техн. наук ОАО «Институт Теплоэлектропроект»

Рассматриваются целесообразность и технико-экономическая эффективность строительства Мутновской геотермальной электростанции мощностью 50 МВт. Впервые предложены технические решения, обеспечивающие надежную и эффективную эксплуатацию ГеоЭС в суровых климатических условиях. Рассмотрены компоновочные решения и тепловая схема электростанции. Анализируются требования и конструктивные характеристики к оборудованию, работающему во влажном паре.

В 1997 г. установленная электрическая мощность Камчатскэнерго составляла 527 МВт, а выработка электроэнергии 1 471 МВт • ч. Кроме того, мелкие населенные пункты обеспечивались электроэнергией от местных небольших дизельных установок. Все энергоисточники работают на ввозимом жидком топливе — мазуте или дизельном, что существенно повышает стоимость производства электроэнергии и снижает его надежность.

В 1998 г. зима на Камчатке выдалась очень суровой, но не столько из-за погодных условий, сколько из-за нехватки топочного мазута, что сказалось на работе практически всех энергоемких предприятий и на обеспечении теплом жилищного сектора. Своевременная доставка жидкого топлива на Камчатку в настоящее время является основным условием бесперебойной работы всех крупных и мелких энергоисточников.

Тем не менее Камчатка обладает огромными запасами геотермальной энергии, часть из которых разведана и может являться серьезной альтернативой жидкому топливу уже сегодня.

По прогнозам прирост подготовленных к промышленному освоению запасов теплоносителя для снабжения ГеоЭС и объектов теплоснабжения Камчатки до 2010 г. мог бы обеспечить более 800 МВт электрической мощности при соответствующей экономии жидкого топлива. А это значит, что практически вся вырабатываемая в настоящее время электроэнергия могла бы вырабатываться за счет геотермальной энергии. Однако реализация этой проблемы требует значительных инвестиций, что приводит к поэтапному ее решению.

Так, в работе показана целесообразность строительства на базе Мутновского геотермального месторождения нескольких электростанций общей мощностью 200 МВт, а в качестве первого этапа — ГеоЭС мощностью 50 МВт в пос. Дачный.

1— здание энергокомплекса (в том числе здание энерго­блоков с пристройками, мастерские, склад и др.); 2 — здание КРУЭ-220 кВ и ЗРУ-22 кВ; 3 — вентиляторные градирни; 4 — сепараторная № 1 с трубопроводами к ней; 5 — закрытый переход с коммуникациями к сепараторной № 1; б — гостиница; 7 — закрытый переход с коммуникациями к гостинице; 8 — гараж; 9 — открытая стоянка автомашин; 10 — насосная ГСМ; 11 — склад ГСМ; 12 — баки запаса дизельного топлива V = 50 м 3 (2 шт.); 13 — баки запаса бензина V = 10 м 3 (2 шт.); 14 — склад масла; 15 — автозаправочный пункт; 16 — бак аварийного слива транс­форматорного масла; 17 — бак аварийного слива турбинного масла; 18 — насосная станция хозпитьевого и противопожарного водоснабжения; 19 • — баки противопожарного запаса воды; 20 — очистные сооружения хозяйственно-фекальных стоков; 21 — очистные сооружения ливневых стоков; 22 — продуктивные и наблюдательные скважины; 23 — внутриплощадные дороги; 24 — ограда

Как видно из схемы разбивочного плана ГеоЭС (см. рисунок) все здания и сооружения практически связаны в один общий комплекс, позволяющий персоналу иметь доступ в любую его точку внутри помещения. На открытом воздухе расположены только склад горюче-смазочных материалов (ГСМ) и противопожарное хозяйство. Вся площадка забетонирована, что обеспечивает удобную работу снегоуборочной техники. Интересно отметить, что даже автозаправочный пункт находится под навесом, являющимся продолжением кровли гаража. В главном корпусе (1 и 2) расположено практически все оборудование ГеоЭС, включая электротехнические устройства, центральный (ЦЩУ) и блочные щитыуправления (БЩУ), сепараторы и другое вспомогательное оборудование. К главному корпусу через переходный мостик примыкают гостиница и гараж с насосной ГСМ. Наличие закрытого перехода диктуется разломом, проходящим вдоль главного корпуса, что и не позволило сблизить эти сооружения с основным зданием

Стремление максимально сократить высоту главного корпуса в связи с высокой сейсмичностью района и трудностями при строительстве здания в условиях сильных ветров, а также исключить наличие глубоких приямков (например, для конденсатора) привело к необходимости изменить ранее разработанную конструкцию турбины и выполнить ее с боковым конденсатором без снижения экономичности. Благодаря этому высота главного корпуса сократилась более чем на 2 м (по сравнению с традиционным решением), а применение горизонтальных циркуляционных насосов отечественного производства (вместо вертикальных импортных) позволило устанавливать их практически на полу здания. Все оборудование ГеоЭС рассчитано на нормальную эксплуатацию при землетрясении 7 баллов, при 8 баллах оно должно быть отключено и находиться в состоянии готовности.Строительные конструкции рассчитываются на землетрясение 9 баллов.

Пар геотермальных источников после сепаратора № 1, установленного на геотермальном поле, поступает в сепараторы № 2, где происходит его дополнительная осушка, после чего поступает в паровую турбину.

Тепло конденсата сепараторов (сепарат) используется для собственных нужд электростанции и на уплотнения турбины, а избыток конденсата закачивается в скважину захоронения.

Начальные параметры пара перед стопорным кла­паном турбины: давление 0,638 МПа, температура 161,3 °С, давление в конденсаторе 0,0045 МПа. Пар в смешивающем конденсаторе конденсируется циркулирующим по замкнутому контуру (конденсатор — градирня) конденсатом. При нерасчетном увеличении расхода воды, циркулирующей в этом контуре, ее избыток закачивается в скважину захоронения.

Для поддержания на требуемом уровне рН в циркуляционной системе и в трубопроводах сброса воды на захоронение к ним подводятся химические реагенты.

В целях получения максимальной мощности и экономичности турбины и электростанции в целом паровые эжекторы были заменены водоструйными, а на уплотнения в турбине подводился не «острый» пар, а пар от расширителя сепарата. В этих условиях мощность турбины возросла примерно на 3 МВт, а ее КПД приблизительно на 3,7 % и составил 21,8 %.

Важным преимуществом конструкции турбины является замена обычного турбинного масла негорючим маслом ОМТИ, что существенно повышает пожаробезопасность главного корпуса.

Для обеспечения вакуума (0,0045 МПа) с учетом климатических условий района размещения ГеоЭС используются испарительные вентиляторные противоточные градирни отечественного производства, которые позволяют поддерживать температуру охлаждающей воды в пределах 13-15 °С во всем диапазоне отрицательных температур наружного воздуха. При максимальной летней температуре наружного воздуха 25 °С температура охлажденной воды после градирен составит 29 °С.

Управление основными элементами электрической части общестанционного назначения производится с ЦЩУ, а энергоблока и геотермального поля — с БЩУ.

В АСУ ТП используется программно-технический комплекс (ПТК) на базе аппаратуры фирмы «Сименс», представляющий собой единую распределенную многоуровневую систему управления на базе микропроцессорной техники.

Оригинальным строительным решением является устройство двускатных крыш зданий с крупными скатами кровли для обеспечения сползания снега. С учетом последнего, а также сильных ветров можно предположить, что кровли практически всегда будут чистыми от снега.

Электрическая мощность одной турбины (на клеммах генератора) достигает 25^34 МВт. Несмотря на на­личие водоструйных эжекторов и системы теплоснабжения ГеоЭС, расход электроэнергии на собственные нужды составляет всего около 8 %.

Полученные результаты по тепловой экономичности показывают высокую эффективность разработанной ГеоЭС, а принятые проектные решения обеспечивают ее высокую надежность, удобство эксплуатации и ремонта в суровых климатических условиях.

Исключительно суровые климатические условия района размещения ГеоЭС накладывают особые требования к разработке оборудования и проектированию электростанции. Так, средние минимальные температуры наружного воздуха достаточно умеренные: - 14,5 °С (средняя минимальная) и - 24 °С (для наиболее холодной пятидневки), зато толщина снегового покрова достигает 10 м, а скорость ветра до 35 м/с(иногда и выше) при сейсмической активности 9 баллов по шкале MSK -64.Надо отметить, что на Камчатке уже боле 20 лет работает Паужетская геотермальная электростанция мощностью 10 МВт, сооруженная по проекту института «Теплоэлектропроект». В 1998 г. пущена в опытную эксплуатацию экспериментальная Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт в составе трех энергоблоков. Однако с помощью этих электростанций не могут быть решены главные задачи — обеспечение потребителей электроэнергией и вытеснение из топливного баланса жидкого топлива. Поэтому дальнейшее строительство ГеоЭС целесообразно осуществлять энергоблоками большой мощности.

В настоящее время на АО «Калужский турбинный завод» ( KT 3) разработана паровая турбина мощностью около 25 МВт для работы на влажном насыщенном паре. Особенностью турбины является возможность максимального улавливания влаги в проточной части. Заводом разработаны и проверены в эксплуатации эффективные методы защиты лопаток последних ступеней от эрозии, с помощью которых удаляется от 8 до 12 % влаги. Применение специальной ступени-сепаратора, разработанной на кафедре паровых и газовых турбин МЭИ, повышает КПД турбины на 1,5...2 %.

Таким образом, все приведенные методы сепарации практически решают проблему эрозии лопаток. Надо подчеркнуть, что опыт работы турбин АО КТЗ на влажном паре проверен на десятках машин.

Отмеченные ранее суровые климатические условия рассматриваемого региона потребовали от проектировщиков нестандартных технических решений. К ним, в частности, относятся:
-максимальная блокировка зданий и сооружений для того, чтобы к любому оборудованию электростанции как в процессе эксплуатации, так и в период ремонтных работ был обеспечен доступ без выхода из помещения на улицу;
- отказ от приямков в полу и максимально возможное снижение высоты зданий;
-выполнение конструкции кровли, исключающей задержание на ней снега;
-обеспечение высокоэкономичной и надежной эксплуатации оборудования.