Геотермальная система теплоснабжения с использованием солнечной энергии и тепловых насосов

В. А. Бутузов, доктор техн. наук, генеральный директор ОАО «Южгеотепло» (г. Краснодар),

Г. В. Томаров, доктор техн. наук, генеральный директор ЗАО «Геотерм-ЭМ» (Москва),

В. Х. Шетов, доктор экон. наук, директор ГУ «Центр энергосбережения и новых технологий» (г. Краснодар)

Геотермальные источники энергии вносят ощутимый вклад в обеспечение экологически чистой и рациональной энергией. К настоящему времени в мире построены геотермальные электростанции*  (ГеоЭС) общей установленной мощностью 8 912 МВт, в том числе энергоблоки единичной мощностью 110 МВт, а суммарная мощность геотермальных систем теплоснабжения достигает 28 000 МВт [1].

Россия обладает значительными запасами геотермальных ресурсов. Имеется опыт разработки и строительства ГеоЭС и геотермальных систем теплоснабжения. На Камчатке и Курильских островах много лет успешно эксплуатируется пять ГеоЭС, самая мощная из которых (50 МВт) – Мутновская – обеспечивает до 30 % всей потребляемой Камчат-кой электрической энергии [1]. Геотермальные системы теплоснабжения эксплуатируются на Камчатке, Курилах, в Дагестане, в Ставропольском и Краснодарском краях. Для этих целей ежегодно добывается до 30 млн м³ геотермальной воды с температурой 80–110 °С [2]. Также следует отметить, что наибольшее количество геотермальной воды добывается и используется в Краснодарском крае.

В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений, где пробурено 79 скважин с температурой теплоносителя на устье 75–110 °С и тепловой мощностью до 5 МВт. На рис. 1 приведены значения тепловой мощности и годовой выработки тепловой энергии основных геотермальных месторождений Краснодарского края [3].

Рисунок 1. Тепловая мощность и годовая выработка тепловой энергии геотермальных месторождений Краснодарского края

В соответствии с программой, утвержденной законодательным собранием Краснодарского края, ведется работа по широкому внедрению геотермальных ресурсов в экономику региона. Разработаны концепция развития геотермального теплоснабжения, бизнес-планы геотермального теплоснабжения г. Лабинска, Усть-Лабинска, Горячего Ключа, Апшеронска, Анапы, пос. Мостовского [2], в основу которых заложен принцип высокоэффективного комплексного использования геотермальных ресурсов в энергообеспечении жилищно-коммунальных хозяйств, промышленных предприятий и объектов социально-бытового и лечебно-оздоровительного назначения. Наибольшим потенциалом обладают Вознесенское и Южно-Вознесенское месторождения (50 МВт), разделение которых носит условный характер.

С целью адаптации и отработки совместного применения российских и зарубежных энерготехнологий, использующих различные возобновляемые нетрадиционные источники энергии в Краснодарском крае, реализуется уникальный проект создания геотермального теплоснабжения пос. Розовый. В соответствии с бизнес-планом и проектно-сметной документацией система геотермального теплоснабжения пос. Розовый включает гелиоустановки для обеспечения горячего водоснабжения в летний период, когда геотермальные скважины не работают, накапливая гидропотенциал. Кроме того, в технологической схеме используется тепловой насос и фотоэлектрические модули.

Рисунок 2. Структурная схема геотермального теплоснабжения

Структурная схема системы геотермального теплоснабжения показана на рис. 2. В нее входят:

– две геотермальные скважины (3Т, 4Т) с общим расчетным дебитом 1 718,4 м³/сут. с повысительными насосами и баками;

– магистральные тепловые сети от скважин до ЦТП (Ду = 150 мм) общей протяженностью 1,6 км;

– центральный тепловой пункт тепловой мощностью 5,28 МВт с теплообменным и насосным оборудованием;

– гелиотеплонасосная установка производительностью 8–20 м³/сут. при температуре ГВС 55 °С;

– распределительные тепловые сети диаметром 32–150 мм общей протяженностью 12 км;

– сливной трубопровод обработанной геотермальной воды Ду = 200 мм, длиной 0,465 км;

– насосная станция аварийного расхолаживания;

– сети электроснабжения 10–0,4 кВ;

– трансформаторная подстанция 150 кВт;

– АСУ системы геотермального теплоснабжения.

Особенностью геотермальных скважин является снижение давления на устье до 3 м вод. ст. в отдельные дни отопительного сезона. Предусмотрены насосы с частотно-регулируемым приводом, баки разрыва струи, приборы учета тепловой энергии. Конструкция скважинного сборно-разборного павильона позволяет производить капитальный ремонт скважины.

Центральный геотермальный тепловой пункт запроектирован в центре тепловых нагрузок. Подключение системы теплоснабжения к геотермальным скважинам выполнено по независимой схеме. Расчетные температурные графики потребителей поселка 90–60 °С определяются существующими системами отопления. Система теплоснабжения поселка двухтрубная с открытым водоразбором на горячее водоснабжение. Геотермальная вода после нагрева теплоносителя системы теплоснабжения поселка поступает в теплообменники теплиц, работающих с расчетным температурным графиком 60–30 °С. Охлажденный геотермальный теплоноситель сбрасывается в существующий пруд.

Проектом предусмотрена насосная станция аварийного расхолаживания. В здании ЦТП помимо технологического оборудования предусмотрены помещения для демонстрационного центра технологий использования ВИЭ.

Проектом предусматривается на первом этапе сброс обработанной геотермальной воды в пруд, а на втором – ее обратная закачка. Для восстановления внутрипластового давления месторождения в летнее время запроектирована гелиоустановка для горячего водоснабжения с тепловыми насосами «воздух-вода» для нагрева воды при пасмурной погоде. На рис. 3 представлена схема данной гелиотеплонасосной установки с фотоэлектрическим приводом насосов. Солнечные коллекторы расположены на навесе на высоте 3,5–4,2 м над землей. Для электроснабжения циркуляционных насосов гелио-установки запроектированы фотоэлектрические преобразователи установленной мощностью 1 кВт.

Рисунок 3. Схема гелиотеплонасосной установки 1 – солнечные коллекторы 2 – фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) 3 – драйкулеры 4 – насос контура ТН 5 – тепловой насос (ТН) 6 – насос ТН-теплообменник 7 – тепловычислитель 8 – расходомер 9 – термодатчик 10 – теплообменник ТН 11 – насос контура теплообменника 12 – насос ГВС 13 – бак-аккумулятор 14 – инвентор ФЭП 15 – электродвигатель 16 – насос гелиоконтура

При работе над этим проектом были решены следующие основные задачи:

– надежное обеспечение теплоснабжения объектов в условиях переменного дебита скважин;

– каскадное срабатывание теплового потенциала геотермального теплоносителя последовательно в системах отопления жилых домов и далее в теплицах;

– восстановление давлений скважин в межотопительный период за счет работы на горячее водоснаб-жение гелиотеплонасосной установки;

– устойчивое горячее водоснабжение в межотопительный период от комбинированной солнечной водонагревательной установки с тепловыми насосами, использующими тепло воздуха;

– выделение отдельных контуров теплоснабжения объектов по этажности и назначению (теплицы).

Литература

1. Поваров О. С., Томаров Г. В. Развитие геотермальной энергетики в России и за рубежом // Теплоэнергетика. – 2006. – № 3.

2. Шетов В. Х., Бутузов В. А. Геотермальная энергетика // Энергосбережение. – 2006 – № 4. – С.70–71.

3. Бутузов В. А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии. Дис… д-ра техн. наук. – М., 2004.