Другие виды » Геотермальная энергетика

Рис. 3. Оборудование геотермального центра теплового пункта

Согласно принятой терминологии, различают геотермальные ресурсы до глубины 400 м от поверхности земли и глубинные – как правило, высокотемпературные. Установленная мощность высокотемпературных геотермальных систем теплоснабжения, по данным Всемирного геотермального конгресса 2010 года, (о. Бали, Индонезия) составила 50 583 МВт [1], в том числе в России – 0,4 ГВт.

2010 году в посeлке Розовом Лабинского района Краснодарского края было завершено строительство I очереди высокотемпературной системы теплоснабжения. Теплоснабжение посeлка обеспечивается от двух геотермальных скважин глубиной 2600 м. За тридцать лет их эксплуатации дебит теплоносителя на устьях каждой из скважин при безнасосном режиме эксплуатации уменьшился вдвое. Старая система теплоснабжения одноконтурная, с подачей геотермального теплоносителя в сети отопления и горячего водоснабжения (ГВС) зданий. При отсутствии эффективной противокоррозионной защиты тепловые сети и внутренние трубопроводы зданий прокорродировали и практически пришли в негодность.

В октябре 2010 года была завершена первая очередь модернизации геотермального теплоснабжения с подключением 12 двухэтажных зданий общей мощностью 1,5 МВт. На рисунке 1 приведена принципиальная схема первоочередного геотермального теплоснабжения. На рисунке 2 представлен внешний вид здания геотермального центрального теплового пункта (ГЦТП), на рисунке 3 – его оборудование. В статье [2] приведено описание основных технических решений данной системы теплоснабжения.

Для данной геотермальной системы теплоснабжения, в первом контуре которой в качестве греющего теплоносителя используется геотермальная вода, а во втором с двухтрубными распределительными сетями – химочищенная вода с открытой схемой водоразбора на горячее водоснабжение, температуры в подающем и обратном трубопроводах на выходе из ГЦТП определяются



где t₁, t₂ – температура сетевой воды на выходе из ГЦТП; Q_o.p. – расчeтная тепловая мощность систем отопления зданий; t_в.н.р. – расчeтная температура воздуха внутри здания; t_н – температура наружного воздуха текущая; t_н.р. – расчeтная зимняя температура наружного воздуха; с – теплоeмкость сетевой воды; G – расход сетевой воды.

Рис. 1. Принципиальная схема первой очереди модернизации

Для построения температурных графиков по формулам (1) и (2) в соответствии с действующими нормативными документами для открытых систем теплоснабжения принимаются следующие граничные условия:
• при расчeтной температуре наружного воздуха t_н.р. значение температуры теплоносителя в обратном трубопроводе по условиям ГВС принимается t₂=60 ⁰С;

• при температуре наружного воздуха, соответствующей температуре начала отопительного сезона t_н=8 ⁰С, значение температуры в прямом трубопроводе по условиям ГВС принимается равным 60 ⁰С;

• узлы управления объектов оборудованы автоматическими регуляторами воды на ГВС, обеспечивающими в диапазоне температур наружного воздуха от плюс 8 ⁰С до значения расчeтной зимней температуры наружного воздуха подачу потребителям горячей воды +60 ⁰С путeм смешения воды подающего и обратного трубопроводов.

Рис. 2. Внешний вид здания геотермального центрального теплового пункта

Для повышения эффективности геотермального теплоснабжения необходимо обеспечить полное срабатывание теплового потенциала теплоносителя. Анализ опыта эксплуатируемых систем геотермального теплоснабжения показал, что это обеспечивается при последовательном подключении систем отопления жилых домов и теплиц. На рисунке 4 приведена принципиальная схема такого геотермального ЦТП.

Температура геотермальной воды перед теплообменником теплиц определяется

где G_т – расход геотермального теплоносителя на теплообменник отопления жилых домов; t₂' – температура геотермальной воды после теплообменника отопления жилых домов; t₁' – температура геотермальной воды на входе в ЦТП; G_п – перепускной расход геотермальной воды через трeхходовой регулирующий клапан системы отопления жилых домов.

Расход геотермальной воды через трeхходовой регулирующий клапан системы отопления жилых домов:

где α_т– коэффициент инфильтрации теплиц; ΣV_т – суммарный объeм теплиц; q^т_о – отопительная характеристика теплиц; t^т _вн – расчeтная внутренняя температура воздуха теплиц; α_ж – коэффициент инфильтрации жилых домов; ΣV_ж – суммарный объeм жилых домов; t^ж_вн– расчeтная внутренняя характеристика зданий; t_сл – температура геотермальной воды на сливе после ЦТП; с_т – теплоeмкость геотермального теплоносителя.

Геотермальная система теплоснабжения (рисунок 1) состоит из теплопровода от скважины 4Т до насосного модуля, теплопровода от насосного модуля до центрального теплового пункта (ЦТП), самого ЦТП, сбросного теплопровода от ЦТП до врезки в существующий трубопровод, распределительных двухтрубных теплосетей от ЦТП до 12 двухэтажных объектов, автоматизированных узлов учeта отдельных объектов. На рисунке 5 представлена схема испытаний геотермальной системы теплоснабжения. Монтаж оборудования выполнен ООО «Генерация». Испытания в рабочих режимах насосного модуля выполнялись специалистами ОАО «Южгеотепло» и Кубанского государственного аграрного университета. Измерения проводились штатными проектными приборами. Расход теплоносителя измерялся электромагнитными преобразователями типа ПРЭМ-2 с относительной погрешностью не более ± 2%. Датчики давления – типа Метран с относительной погрешностью не более ± 2%. Датчики температуры Pt-100 – с абсолютной погрешностью ± 1 ⁰С. Для измерения уровня в баке-аккумуляторе применены датчики типа ДУ.У-1,95 с контроллером фирмы «ОВЕН», который управляет регулирующим клапаном заполнения бака. Обработка и архивирование данных датчиков выполняется тепловычислителем ВКТ-5 с погрешностью не более ± 4%.

Для измерения мощности и тепловой энергии, передаваемой сетевой водой в отопительный контур, применены расходомеры типа ПРЭМ-2 с относительной погрешностью не более ± 2% на прямом и обратном трубопроводах, датчики температуры типа Pt-100 с абсолютной погрешностью ± 1 ⁰С, датчики давления типа Метран с относительной погрешностью ± 2%. Подпитка системы теплоснабжения и компенсация расхода воды на горячее водоснабжение производится химочищенной водой автоматизированной насосной станцией. Измерение расхода подпиточной воды осуществляется водомером ВСТ-50 с относительной погрешностью ± 2 ⁰С с импульсным выходным сигналом. По значениям расходов, температур и давлений тепловычислитель определяет мощность и расход тепловой энергии. Двенадцать двухэтажных домов подключены к ГЦТП с устройством в каждом из них автоматизированных узлов учeта тепловой энергии. Пять из них для систем отопления оборудованы электромагнитными расходомерами Ду 20 мм типа ПРЭМ-2 с относительной погрешностью ± 4% на подающем и обратном трубопроводах. Для подачи воды на горячее водоснабжение установлен регулятор температуры фирмы Herz с подмешиванием воды из прямого и обратного трубопроводов для обеспечения потребителей водой с температурой, равной 60 0С. Измерение расхода воды на ГВС производится водомерами типа ВСТ-25 с относительной погрешностью ± 2%. Узлы учeта тепловой энергии семи двухэтажных домов по отоплению оборудованы вихревыми расходомерами типа ВЭПС-25 с относительной погрешностью ± 2%. Измерение расхода горячего водоснабжения производится так же, как и в предыдущих пяти домах. На каждом трубопроводе отопления и ГВС узлов учeта потребителей установлены преобразователи температуры Pt-100, Pt-500 с абсолютной погрешностью ± 1 ⁰С. Все 12 узлов учeта тепловой энергии двухэтажных домов оборудованы тепловычислителями типа ВКТ-7-03 с автономным элекропитанием.

Рис. 4. Принципиальная тепловая схема геотермального центра теплового пункта с последовательным подключением отопления

Анализ и обработка измерений тепловычислителей ВКТ-5 и ВКТ-7-03 производились по распечаткам часовых, суточных архивов с продолжительностью до 45 суток с проверкой по значениям показывающих измерительных приборов и по результатам сведения балансов тепловой энергии.

В результате испытаний в эксплуатационных условиях геотермальной системы теплоснабжения получены следующие результаты:
• полностью подтвердилась работоспособность основных проектных решений;

• потребители впервые за последнее десятилетие получили надeжное отопление и горячее водоснабжение, в том числе при расчeтных температурах наружного воздуха (минус 21 ⁰С – 14 февраля 2011 года);

• фактическая температура геотермального теплоносителя на входе в гео-термальный насосный модуль (30 м от скважины 4Т) в течение отопительного сезона 2010–2011 годов составила 95 ⁰С. По исходным данным владельца скважины ОАО «Нефрегазгеотерм» – 99 ⁰С;

• фактический дебит геотермального теплоносителя на входе в геотермальный насосный модуль (ГНМ) в течение отопительного сезона 2010–2011 годов составил 400–500 м³/сут. По исходным данным ОАО «Нефтегазгеотерм» – 800 м³/сут.;

• разгрузка напорных гидравлических режимов скважины при реализации данного проекта привела к стабилизации устьевого давления скважины. Давление геотермального теплоносителя на входе в ГНМ в течение отопительного сезона составляло 2–3 кгс/см², что исключило необходимость включения насосной станции. По данным владельца скважины, минимальное давление – 0,2 кгс/см²;

Рис. 5. Схема испытаний геотермальной системы теплоснабжения: 1 – расходомер; 2 – датчик давления; 3 – тепловычислитель модуля; 4 – датчик температуры; 5 – насосная станция; 6 – бак; 7 – регулятор уровня; 8 – контроллер модуля; 9 – химводоподготовка; 10 – подпиточные насосы; 11 – сетевые насосы; 12 – пластинчатый теплообменник; 13 – датчик температуры наружного воздуха; 14 – контроллер ЦТП ; 15 – регулятор теплообменника; 16– сливные насосы; 17 – тепловычислитель геотермального ЦТП ; 18 – тепловычислитель потребителя; 19 – регулятор ГВС.
Крупное изображение здесь

• расчeтным и экспериментальным путeм определeн температ урный график 90–60 ⁰С, обеспечивающий надeжное отопление и горячее водоснабжение двухэтажных объектов при расчeтных температурах наружного воздуха (–20 ⁰С);

• при испытании оборудования геотермальной системы теплоснабжения при температурах ниже расчeтных (минус 21 ⁰С) установлен значительный запас пропускной способности трeхходового регулятора расхода геотермального теплоносителя перед теплообменником, что показывает возможность его устойчивой работы при более низких температурах наружного воздуха;

• фактическая часовая неравномерность потребления горячей воды превысила проектные значения, что привело к необходимости увеличения вместимости баков-аккумуляторов гелиоустановки, работающих на подпитку (12 м³);

• узлы учeта потребителей по отоплению, оборудованные электромагнитными расходомерами (5 объектов), при эксплуатации показали большую надeжность, меньшее число сбоев, чем вихревые расходомеры (7 объектов). Основная причина – загрязнение фильтров и магнитов вихревых расходомеров;

• показания теплосчeтчиков ряда объектов существенно (до 30%) расходились с расчeтными проектными решениями в результате отступлений при монтаже систем отопления от норм проектирования (несколько тепловых вводов в каждый двухэтажный дом). Однако в целом по всем 12 домам суммарные тепловые нагрузки оказались близкими к проектным значениям;

• узлы регулирования (клапана Herz) учeта воды на горячее водоснабжение (расходомеры ВСТ-25) показали в течение отопительного сезона надeжность и работоспособность. В результате наладочных испытаний фактический расход горячей воды на человека составил 80 литров в сутки, что существенно меньше (73%) расчeтных 110 литров в сутки;

• геотермальные и распределительные тепловые сети, оборудованные диагностикой повреждения тепловой изоляции и утечек, надeжно без сбоев отработали в течение отопительного сезона в проектном режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Lund I., Freeston D., Boyd T. Direct Utilization of Geothermal Energy. 2010. Worldwide Review // Proc. WGC-210. Bali, Indonesia, 25–29 April 2010.
2) Бутузов В.А., Томаров Г.В., Шетов В.Х. Реализация геотермального проекта в Краснодарском крае: I этап модернизации // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 2.

Статья опубликована в журнале ENERGY FRESH