«Наука в Сибири» № 1-2 (2537-2538) 13 января 2006 г. ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО И СБРОСНОГО ТЕПЛА ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ Из доклада к.т.н. Ю. Петина (в соавторстве с д.т.н. А. Бурдуковым). В 1965 г. СО АН СССР построило на камчатском Среднепаратунском месторождении, где температура низкопотенциальной воды была около 80 градусов, фреоновую геотермальную электростанцию мощностью около 1 МВт и теплонасосную станцию. Для чего она была создана? Дело в том, что обычная геотермальная станция работает по очень примитивному режиму. Пары гидротермы выходят из скважины, попадают в сепараторы, пар отделяется и направляется в турбину, а 100-градусная вода сбрасывается на рельеф. И так происходит фактически на 80 % геотермальных станций. Можно провести еще двухступенчатое дросселирование этой 100-градусной воды, но это сложно, и чаще всего работают именно по такой одноступенчатой схеме. Пример. Паужетская электростанция на Камчатке работает почти 50 лет. Мощность 11 МВт. Температура воды — 110 градусов, 127 Ккал/кг — теплосодержание. Используется для выработки энергии только 5 % пара, а оставшиеся 95 % 100-градусной воды сливаются. Вот уже 50 лет Паужетская станция льет воду, эти 100 градусов, и только в этом году начинается проект дополнительной установки там фреоновой турбины на 5 МВт. На Мутновской геотермальной электростанции (мощностью 62 МВт) тоже льется отсепарированная вода, и тоже еще пока не используется, хотя проект есть: там будет поставлена турбина с низкопотенциальным рабочим телом, которая даст около 40 МВт. Поэтому в Институте теплофизики возникла идея: а почему не используется огромное низкопотенциальное тепло (100 градусов и ниже), на два порядка по количеству превышающее эти, свыше чем 100-градусные, источники? Была проделана очень большая работа. Выяснено, что если станция имеет мощность от 1 МВт до 5-ти, то рабочим телом должен быть фреон-12 или фреон-21. Три института работали над созданием фреоновой турбины. И она была создана: центробежная центростремительная радиальная турбина мощностью около 1 МВт, весом всего 700 кг. КПД турбины — 82 %. Фактически была создана идеальная для низкокипящего рабочего тела турбина мощностью до 5 МВт. Особенность турбин с низкокипящим рабочим телом заключается в том, что у них есть ярко выраженный максимум, причем этот максимум сдвигается в зависимости от понижения температуры конденсации. Расчеты были проведены до температуры минус 15 градусов. Фреон, как известно, кипит при минус 30, т.е. минус 15 градусов — нормальная конденсация. Это дает возможность использовать 50-градусное тепло, т.к. тогда срабатываемый перепад будет 65 градусов. Паратунская геотермальная фреоновая станция работала на интервале 80-20, т.е. те же 60 градусов. У нас стартовал хороший проект с «Юганскнефтегазом», который мы, к сожалению, до конца не довели. Там идет вода с глубины три с лишним км с небольшим количеством нефти (90 % воды, 10 % нефти). Нефти и попутного газа мало — нечем отапливать поселок. Но зато есть 50-градусная вода. Оказалось, что можно создать тепловой насос, который полностью заменит сжигание нефти. При низких температурах конденсации можно получать очень приличную выработку электроэнергии даже на тепле порядка 50 градусов, по крайней мере для привода тепловых насосов. Геотермального и сбросового тепла, которое имеет температуру ниже 70 градусов, на четыре порядка больше, чем тепла, пригодного для выработки электроэнергии. По некоторым прогнозам, к 2020 г. 75 % отопления и горячего водоснабжения в развитых странах будет осуществляться тепловыми насосами. Почему с тепловыми насосами сейчас бум такой? Представьте себе, что вы сожгли на ТЭЦ тонну топлива с КПД 35 %, выработали какое-то количество электроэнергии. Если вы эту электроэнергию подадите в тепловой насос, то каждый киловатт выработает от 3 до 8 КВт полезной тепловой энергии. И в итоге вы на выходе получите столько тепла, сколько можно получить сжиганием двух тонн топлива. Почему так происходит? Потому что тепловой насос вовлекает в полезное использование низкопотенциальное тепло с температурой от + 2 градусов Цельсия до + 45 градусов Цельсия, т.е. такое тепло естественного и техногенного происхождения, которое обычным путем использовано быть не может. Вот принцип работы теплового насоса. Низкопотенциальное тепло идет на то, чтобы испарить жидкий фреон, который находится в испарителе. Пары поступают в компрессор, сюда же поступает вода из системы отопления, из батарей. И за счет этого нагрева пары фреона конденсируются, повышая температуру воды в батарее. Однако, установленные на наших ТЭС тепловые насосы могут напрямую работать на отопление только до температур 0+2 градусов. В отрицательных температурах эти тепловые насосы не могут использоваться, потому что это импортные насосы. Но зарубежный тепловой насос применить в российских условиях почти невозможно! Чтобы получать перепад в 70 градусов, его необходимо чем-то догревать, т.е. портить весь теплонасосный цикл. Далее докладчик, оперируя формулами, наглядно показал, что большое (более 30 %) количество тепла, заключающегося в жидком фреоне, уходит на самовскипание. В результате в испаритель приходит уже не жидкость полностью, а 30 % паров и 70 % жидкости. Что происходит с этими парами? Они попадают в компрессор, сжимаются, снова проходят весь цикл и возвращаются только для того, чтобы снова превратиться в пар. Это циркулирующий по схеме паразит! Получается парадоксальная ситуация: чем большую температуру мы хотим получить в тепловом насосе, тем хуже работает тепловой насос. И если подняться до 80-90 градусов, вообще можно прийти к варианту, когда насос никакой экономической эффективности не будет иметь. Потому за рубежом и работают на 55-ти градусах, именно для того, чтобы до минимума сократить вот эти потери. Вывод: если не научиться справляться с этой проблемой, то никакого насоса для российских условий создать невозможно. Поэтому встала задача: как же усовершенствовать термодинамический цикл для того, чтобы он эффективно работал в России, на наших температурах? И эту задачу практически удалось решить, что позволяет делать тепловые насосы, пригодные для использования в России. Другая проблема. Подавляющее большинство тепловых насосов работает по термодинамическому циклу Репкина. Но есть более совершенный термодинамический цикл — цикл Лоренца. Если вы хотите получить, например, 5 Мвт тепловой энергии в виде воды с температурой 80 градусов в одном тепловом насосе, то коэффициент эффективности (коэффициент преобразования) вряд ли будет выше 2,2-2,5. При установке вместо одного ТН пяти штук последовательно работающих тепловых насосов единичной мощностью по 1 Мвт, коэффициент преобразования вырастет до 3,8-4,0. Увеличивающиеся при этом капитальные затраты легко компенсируются значительно (в 1,6-1,8 раза) снижающимися удельными затратами электроэнергии. Такие машины мы сейчас уже серийно поставляем заказчикам. По этому же пути пошли шведы. Они ставят не одну машину в 200 МВт, а 10 машин по 20 МВт! Нам пришлось однажды с ними столкнуться. Мы участвовали с ними в одном тендере, который проводился в Литве на заводе искусственного волокна. Нам удалось выиграть тендер. У нас лучше были эксплуатационные параметры. В конце концов, машина, которая может работать в российских условиях, при низких отрицательных температурах наружного воздуха, которая может подавать в батареи воду с температурой 80 градусов, создана. Такие машины мы уже делаем, и просматривается хорошая перспектива. В Новосибирске сосредоточены мощные силы: Институт теплофизики, СКБ ИПИ (ак. В. Накоряков). Кончилось время, когда они могли выходить на рынок по-отдельности — эти силы надо объединить. Мы готовы к этому объединению и можем привнести свой вклад. Только таким объединением можно громко заявить о себе за рубежом. стр. 11-12