Мутновский геотермальный энергетический комплекс на Камчатке

Бритвин О. В. , канд. техн. наук, Поваров О. А., доктор техн. наук, Клочков Е. Ф., инж., Томаров Г.В ., канд. техн. наук,
Кошкин Н. Л., Лузин В. Е., инженеры
РАО «ЕЭС России» — МЭИ — АО «Камчатскэнерго» — Миннауки России — АО «Геотерм»

Представлены данные о геотермальных ресурсах Камчатской области и опыте их использования. Дается описание объектов геотермального энергетического комплекса на Мутновском месторождении. Представлены основные направления и этапы перспективного развития геотермальной энергетики в этом регионе.

Камчатская область испытывает большие трудности с энергообеспечением населения и промышленности региона. Это обусловлено тем, что в соответствии с прежней концепцией энергоснабжения энергетика Камчатки работает на привозном топливе, стоимость которого в условиях рыночной экономики страны зна­чительно возросла. Так, в последние годы стоимость электроэнергии в регионе достигала 10-25 центов за 1 кВт/ч, что существенно превышает мировые цены (3-6 центов за 1 кВт/ч).

Радикальным решением энергетической проблемы Камчатской области является создание энергогенерирующих мощностей, независимых от привозного топлива, путем перехода на собственные нетрадиционные источники и в первую очередь на широкое освоение геотермальных ресурсов.

Этот регион обладает уникальными колоссальными запасами геотермального тепла, которые по разным оценкам способны обеспечить суммарную электрическую и тепловую мощность, превышающую 2 ООО МВт.

Геотермальные ресурсы Мутновского месторождения

Вулканические районы Камчатки обладают геотермальными ресурсами различного типа. Потенциал высокотемпературных (свыше 150 °С) геотермальных полей в Камчатской области достигает 1 130 МВт э , а низкотемпературных полей (температура ниже 150 °С) — 1 345 МВт т .

До настоящего времени на Камчатке было исследовано более 20 геотермальных месторождений, среди которых: Паужетское, Большебанное и др. Мутновское геотермальное месторождение является самым крупным и наиболее хорошо изученным. Его резервы были оценены и измерены в 1988—1990 гг., и в настоящее время оно готово для промышленного применения. Мутновское геотермальное поле расположено в 70 км к юго-западу от г. Петропавловска-Камчатского. На этом участке было пробурено около 90 скважин, треть из которых составляют продуктивные скважины. Запасы геотермального теплоносителя способны обеспечить работу электростанций мощностью более 300 МВт. Геотермальный теплоноситель Мутновского месторождения представляет собой влажный пар температурой 240 °С при энтальпии до 2 800 кДж/кг. По химическому составу его источники представляют собой хлористую и хлористо-сульфатную среду при превалирующих ка­тионах натрия и кальция [1,2].

Формула солевого состава для пароводяного теплоносителя Мутновского месторождения имеет следующий вид:

Газовый состав геотермального теплоносителя преимущественно углекислый (С0 2 до 70 % объемных). Присутствуют также сероводород (до 10 %), азот, кислород, метан и водород.

Опыт использования геотермальных ресурсов на Камчатке

В России первый опыт получения электроэнергии на основе использования геотермального теплоносите­ля был получен на Паратунском геотермальном поле на Камчатке в 1967 г., когда была создана первая экспериментальная бинарная электростанция мощностью около 600 кВт .

Первая промышленная геотермальная электростанция была построена в России в 1967 г. на Паужетском геотермальном поле. Установленная мощность первой очереди Паужетской ГеоЭС составила 5 МВт. После строительства второй очереди электростанции в 1982 г. ее общая мощность была увеличена до 11 МВт.

Для электроснабжения геологоразведочной базы на Мутновском геотермальном поле в 1987 г. была установлена и до настоящего времени работает турбоустановка с противодавлением мощностью 300 кВт.

Низкотемпературные геотермальные ресурсы Кам­чатки в основном используются для отопления, в оздоровительных целях (пос. Паратунка, Эссо, Анагвай), а также для тепличных хозяйств (пос. Термальный, Озерное) и рыбоводства (пос. Малки, Паратунка).

С 1989 г. в рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» разработано и создано оборудование для геотермальных электрических и тепловых станций, поставляемое в Никарагуа, Камчатскую область и на Курильские острова.

Верхне-Мутновская геотермальная электростанция

Для обеспечения энергетической независимости Камчасткой области на основе использования собственных геотермальных источников энергии в 1994 г. было создано АО «Геотерм» (при участии РАО «ЕЭС России», Администрации Камчатской области, АО «Камчатскэнерго» и АО «Наука»), которое успешно реализует ряд геотермальных проектов.

Проектирование, изготовление оборудования и строительство первой опытно-промышленной экологически чистой электростанции — опытно-промышленная Верхне-Мутновской ГеоЭС (В-МГеоЭС) мощностью 12 МВт (рис. 1) было организовано АО «Геотерм» при активной поддержке Миннауки России. Опытно-промышленная Верхне-Мутновская ГеоЭС была пущена в эксплуатацию в 1999 г. Оборудование для нее было изготовлено АО «Калужский турбинный завод» (АО КТЗ), АО «Подольский машиностроительный завод» и другими отечественными заводами.

Концепция создания В-МГеоЭС была разработана с учетом суровых климатических условий и короткого летнего строительного сезона на Камчатке:
-использована блочно-модульная система подготов­ки пара, которая была поставлена при полной заводской готовности;
-основные блоки-модули (турбогенераторы, электротехническое оборудование, пульт управления и т.д.) поставляются при 100 %-ной сборке и заводских испытаниях (см. рис. 1);
-технологическая схема ГеоЭС позволяет реализовать экологически чистое использование геотермального теплоносителя (исключая его прямой контакт с окружающей средой) применением воздушных конденсаторов и системы закачки отработавшего рабочего тела.

Геотермальный теплоноситель, поступающий из трех продуктивных скважин, по трубопроводу подается к коллектору и затем после двухступенчатой системы сепарации очищенный пар поступает к трем энергоблокам мощностью по 4 МВт (рис. 2). Давление пара на входе в турбину р 0 составляет 0,8 МПа (при температуре около 170 °С), степень влажности — не выше 0,05 %, что обеспечивает низкое содержание солей в паре турбины. Для повышения эффективности использования энергии геотермального теплоносителя горячий сепарат (примерно 170 °С) после сепараторов транспортируется к испарителю, работающему при давлении около 0,4 МПа. Производимый в испарителе пар (около 10 т/ч) применяется в эжекторах для удаления из конденсатора неконденсирующихся газов и в первую очередь сероводорода. Далее в адсорбере эти газы растворяются в отработавшем геотермальном теплоносителе, который затем закачивается в скважины закачки. В конденсате пара после турбины все же присутствует небольшое количество примесей.

Управление тремя энергоблоками осуществляется из модуля главного щита управления. На высоте 6 м от уровня платформ турбогенераторов расположены шесть секций воздушных конденсаторов с электровентиляторами, которые спроектированы и произведены на АО КТЗ. Каждая секция состоит из восьми блоков со стальными оцинкованными трубками, обвитыми ребристой алюминиевой лентой высотой 15 мм.

Установка подготовки пара (УПП) для В-МГеоЭС была разработана в АО «Наука» при участии специалистов НУЦ Гео МЭИ, ЭНИН, ВНИИАМ и других организаций, а изготовлена на АО «Подольский машиностроительный завод» в виде модуля, полностью собранного на заводе. После заводских испытаний установка была отправлена на Камчатку самолетами АН-124. Натурные испытания УПП на Камчатке в 1998—1999 гг. прошли успешно.

Насосы системы закачки отработавшего теплоносителя, пожарные и вспомогательные насосы, электрощиты управления ими, а также система защиты рабочего тракта ГеоЭС от коррозии металла в период простоя и ремонта находятся в насосном отсеке УПП.

Турбоустановки для В-МГеоЭС были разработаны и изготовлены на АО КТЗ. Турбина и генератор размещены на одной раме вместе с масляным баком. Они соединены между собой (без понижающей передачи) посредством соединительной муфты. Турбоагрегаты установлены отдельно в блочных модулях и имеют гибкую опору на переднем стуле. Блок гидрорегуляции и масляный насос также расположены на переднем стуле.

Конструкция турбины для В-МГеоЭС имеет несколько специфических отличий: развитую внутрика-нальную систему сепарации, регулирование расхода пара на входном трубопроводе, осуществляемое с по­мощью вращательной захлопки типа «баттерфляй», выхлоп пара из турбин, происходящий вертикально вверх. Все 10 ступеней турбины имеют наружный обод.

Верхне-Мутновская ГеоЭС предназначена для производства и поставки электроэнергии для АО «Камчатскэнерго», а также для обеспечения электроэнергией строительно-монтажных работ при создании серии ГеоЭС на Мутновском геотермальном месторождении.

Мутновская геотермальная электростанция (первая очередь)

Успешное завершение строительства В-МГеоЭС, высокая эффективность и экологическая чистота геотермальных энергетических проектов на Камчатке позволили привлечь к ним внимание и интерес зарубежных финансовых организаций. В 1997 г. Европейский банк реконструкции и развития (ЕБРР) выделил грант, на который японскими, новозеландскими и российскими специалистами АО «Наука» было подготовлено технико-экономическое обоснование по созданию Мутновского геотермального энергетического комплекса.

В ближайшее время планируется построить на Мутновском месторождении ряд объектов геотермального энергетического комплекса, среди которых — расширение В-МГеоЭС четвертым энергоблоком (6,5 МВт), первая (50 МВт) и вторая (60 МВт) очереди Мутновской ГеоЭС, стройдвор, вахтовый поселок и др. (рис. 3).

Международный инвестиционный проект создания первой очереди Мутновской ГеоЭС мощностью 50 МВт (два энергоблока по 25 МВт) осуществляет в настоящее время АО «Геотерм» (рис. 4). Ее пуск в эксплуатацию планируется в конце 2001 г. Финансирование этого проекта обеспечивается средствами займа ЕБРР (99,9 млн долл. США), а также российских инвесторов: администрации Камчатской области, РАО «ЕЭС России» и АО «Камчатскэнерго».

В настоящее время завершены работы по контрактам на подготовительные строительные работы на площадке ГеоЭС, а также предварительные работы по обустройству геотермального поля. Проект вступил в решающую стадию. По результатам международных тендеров заключены и выполняются все основные контракты: с ГУП «ВО Технопромэкспорт» — на проектирование, изготовление, поставку и строительство Мутновской ГеоЭС «под ключ», с АО «Камчатагропромстрой» — на обустройство геотермального поля, с АО «Востокгеология» на бурение и ремонт скважин. Выполнен технический проект, изготовляется энергетическое оборудование на АО КТЗ, АО ПМЗ и др., ведутся строительно-монтажные работы на площадке ГеоЭС.

В состав первой очереди Мутновской ГеоЭС входят: главное здание с турбинным оборудованием, сепа­раторная с насосной станцией, градирни, объединенно­вспомогательный корпус, здание с комплексным распредустройством элегазовым (КРУЭ-220 кВ), оборудование для выдачи электроэнергии, очистные сооружения и др. (рис. 5).

По контракту на буровые работы и восстановление скважин по данному проекту предусматривается обеспечение подачи геотермального пара в технологическую схему ГеоЭС в количестве не менее 320 т/ч при давлении 0,7 МПа.

В систему подготовки пара ГеоЭС входят сепараторы первой ступени, шумоглушители и вспомогательное оборудование, которое позволяет получать степень влажности пара на входе в турбины не более 0,05 %.

В проект первой очереди Мутновской ГеоЭС заложена концепция дистанционного автоматизированного управления станцией непосредственно из центра, расположенного в поселке энергетиков «Термальный» в 60 км от ГеоЭС, неподалеку от транспортно-складской базы строительства объектов геотермального энергетического комплекса.

Для обеспечения экологической чистоты в технологической схеме ГеоЭС предусмотрены система закачки конденсата и сепарата обратно в земные пласты, а также системы снеготаяния и предотвращения выбросов сероводорода в атомосферу.

АО «Камчатскэнерго» завершило строительство линии электропередачи 220 кВ протяженностью более 70 км от Мутновской ГеоЭС до электроподстанции «Авача» в г. Елизово (рис. 6), а также построило дорогу до Мутновского геотермального месторождения. Поставка турбогенераторов и технологических модулей (по 50 т каждый) на площадку В-МГеоЭС осуществля­лась автотранспортом уже по этой дороге.

К середине 2000 г. на реализацию проекта было профинансировано около 180 млн долл. США, включая затраты на ранее пробуренные скважины, строительство дороги и ЛЭП, а также расходы по выполняемым контрактам из средств ЕБРР и российских инвесторов — более 30 млн долл. США.

Комбинированный геотермальный энергоблок с бинарным циклом — четвертый энергоблок Верхне-Мутновской ГеоЭС

В 1965 г. советские ученые С.С. Кутателадзе и Л.М. Розенфельд получили патент на способ выработки электроэнергии из горячей воды с температурой 170 °С.

С целью разработки и создания технологии и оборудования геотермальных электростанций с бинарным циклом для условий Камчатской области и северных районов России (низкие температуры воздуха, высокий снежный покров, частый и сильный ветер, показатель сейсмичности 7—9 баллов в соответствии со шкалой МСК-64) АО «Геотерм» при активной поддержке Миннауки России ведет работы по созданию четвертого энергоблока с бинарным циклом для В-МГеоЭС

Избыток двухфазного геотермального теплоносителя из существующих скважин, не использованный тре­мя энергоблоками В-МГеоЭС, а также сбросной теплоноситель будут утилизироваться в четвертом энергоблоке, который состоит из двух контуров.

Тепловая схема комбинированной электростанции с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт для В-МГеоЭС представлена на рис. 7.

В первом контуре устанавливается паровая противодавленческая турбина мощностью 2,5 МВт, изготовленная на АО КТЗ. Отсепарированный избыточный пар подается в паровую турбину, после чего он конденси­руется в трубках конденсатора-испарителя. Давление на выходе из паровой турбины составляет 0,11 МПа.

Турбины, генераторы и теплообменное оборудование будут смонтированы в закрытом помещении. Панели воздушного конденсатора — наклонные для предотвращения накопления снега и образования льда на поверхностях теплообмена. Вытяжные вентиляторы и приводные электромоторы планируется разместить в потоке уже подогретого воздуха. Электротехническое оборудование и устройства автоматической системы управления будут находиться в обогреваемом контейнере.

Во втором контуре будет работать установка ниж­него цикла номинальной мощностью 4 МВт. Она явится прототипом серийных бинарных энергоблоков, ко­торые предполагается использовать при создании второй очереди Мутновской ГеоЭС (ее общая мощность будет равна 60 МВт), а также для автономных бинарных ГеоЭС в Камчатской области и других районах России.

В рамках проектирования, строительства и испыта­ния комбинированного энергоблока для В-МГеоЭС решаются такие научно-технические проблемы, как выбор оптимального низкокипящего рабочего тела второго контура, определение предельной минимальной температуры охлаждения конденсата, обеспечивающей предотвращение отложений в рабочем тракте первого контура, выбор оптимального метода удаления неконденсирующихся газов из конденсатора-испарителя, вопросы по обеспечению экологических ограничений по выбросу сероводорода и т.д.

Относительно низкая среднегодовая температура воздуха в районе Мутновского месторождения (- 1 °С, при этом средняя температура на протяжении 8 мес. в году ниже и равна - 5 °С) позволяет снижать расчетную температуру конденсата в энергоцикле до 10...20 °С, получая повышение мощности более чем на 10 % по сравнению с ГеоЭС, расположенными в умеренных или жарких широтах.

Рабочее тело бинарного энергоблока (органическое вещество) имеет низкую температуру замерзания, что обеспечивает нормальную устойчивую работу технологической схемы ГеоЭС в зимний период, предотвращая его замерзание при аварийных и непредвиденных остановах.

Комбинированные энергоблоки для второй очереди Мутновской ГеоЭС

В соответствии с Программой развития геотермальной энергетики на Камчатке следующий этап ее реализации — строительство второй очереди Мутновской ГеоЭС мощностью 60 МВт. Также предполагается строительство третьей очереди мощностью до 100 МВт. Общая мощность Мутновского геотермального энергетического комплекса в ближайшие 5 лет должна превысить 200 МВт.

Инвестиционные проекты создания второй и третьей очередей Мутновской ГеоЭС обеспечены тем, что ресурсы Мутновского геотермального месторождения достаточны и хорошо изучены, уже построена дорога и линия электропередачи, работающая опытно-промышленная В-МГеоЭС способна обеспечить электроэнергией строительные работы на площадке.

Предполагается, что вторая очередь МГеоЭС будет состоять из двух комбинированных энергоблоков с общим расходом пара 320 т/ч и сепарата 640 т/ч.

АО «Геотерм» уже разработало технико-экономическое обоснование строительства второй очереди Мутновской ГеоЭС с комбинированным циклом мощностью 60 МВт, которое утверждено ЕБРР и одобрено международными экспертами .

Каждый энергоблок будет состоять из турбины с противодавлением мощностью около 12 МВт и трех энергомодулей нижнего цикла по 6 МВт.