Выполнение фундаментальных исследований в МЭИ, ЦНИИТМАШ, АО «Наука» и других научно-исследовательских организациях обеспе­чили решение ряда сложных научно-технических задач при проектиро­вании и создании отечественного геотермального энергетического обо­рудования, обусловленных особенностями геотермального теплоносите­ля.

МЭИ и ВНИИАМ совместно разработали высокоэффективные (сте­пень влажности пара на выходе не более 0,05%) сепараторы, расшири­тели и паросборники, изготовляемые АО «ЗИО-Подольск» (табл. 3), ко­торые являются принципиально новыми сепараторами горизонтально­го типа. В основе их создания лежит опыт проектирования подобных устройств в атомной энергетике с использованием механизма гравита­ционного осаждения жидких частиц.

Таблица 3

При большей эффективности влагоудаления эти сепараторы превос­ходят зарубежные аналоги по компактности и металлоемкости. Преиму­ществом гравитационных сепараторов является также их нечувстви­тельность к паросодержанию разделяемой пароводяной смеси, в то вре­мя как эффективность центробежных сепараторов зависит от паросодер­жания потока и с его уменьшением падает. Более предпочтительна у гравитационных систем сепарации также и зависимость между паро вой нагрузкой и влажностью, которая характеризуется непрерывным уменьшением влажности по мере снижения нагрузки.

Конструкция сепаратора гравитационного типа представлена на рис. 23. Все его устройства размещены в едином корпусе. Сепарация вла­ги осуществляется последовательно: сначала на отбойном листе, затем в водяном объеме, на сепарационном щите и, наконец, в паровом объе­ме. Перед выходом осушенного пара установлен дырчатый успокоитель­ный лист для аэродинамического выравнивания потока.

Для снижения количества примесей в паре на отечественных ГеоЭС используется двухступенчатая система сепарации с промывкой пара чистым конденсатом в сепараторе второй ступени.

Такая схема подготовки пара реализована на Мутновской ГеоЭС. Па­роводяная смесь с содержанием пара от 30 до 100% (по массе) поступает от семи продуктивных скважин по отдельным магистральным трубопро­водам в два сепаратора первой ступени. После сепараторов первой сту­пени пар с влажностью < 0,0005 поступает в коллектор, из которого дву­мя трубопроводами по эстакаде подается к энергоблокам, расположен­ным в главном корпусе ГеоЭС.

Отсепарированная вода с температурой = 160 С используется для на­грева сетевой воды в системе теплоснабжения Мутновской ГеоЭС, а за­тем при температуре 145 °С закачивается в скважины реинжекции.

В отдельные реинжекционные скважины закачивается также и кон­денсат пара, причем наличие в паре неконденсирующихся газов, и преж­де всего С02 и H2S, приводит к тому, что показатель pH конденсата пара может составлять 2,0 — 3,5. Такая среда является высоко коррозионно­агрессивной и требует применения специальных материалов.

При создании Мутновской ГеоЭС для трубопровода реинжекции кон­денсата впервые были применены трубы, изготовленные из базальтово­го волокна. Такие трубы дешевле труб из нержавеющей стали, способ­ны выдерживать большие механические нагрузки, не подвержены кор­розии и очень перспективны для применения на ГеоЭС.

Блочно-модульные ГеоЭС малой мощности были разработаны при поддержке Министерства промышленности, науки и технологий Россий­ской Федерации совместными усилиями специалистов многих российс­ких организаций.

Поставка оборудования ГеоЭС в контейнерах вагонного типа при 100%-ной заводской готовности не требует значительных строитель­ных работ, позволяет в короткие сроки смонтировать ГеоЭС в трудно­доступных районах с суровыми климатическими условиями и пред­назначены для работы как в энергосистеме, так и в автономных усло­виях.

Первая блочно-модульная ГеоЭС «Омега-500» была изготовлена и поставлена на о. Кунашир (Курильские острова) в 1993 г. Все оборудо­вание блочной ГеоЭС «Омега-500», установленное рядом со скважиной у подножия вулкана Менделеевский, показало высокую надежность и успешно перенесло сильное землетрясение 1994 г.

На АО КТЗ разработаны и производятся турбогенераторы с противодав­лением для блочных ГеоЭС мощностью от 0,5 до 2,5 МВт (табл. 4).

Турбоустановки могут быть изготовлены и поставлены с турбогене­раторами на 50 и 60 Гц. Особенностью этих турбин является то, что они соединены с генератором напрямую без редуктора. Турбина вместе с ге­нератором устанавливается на общей раме. На раме также размещены маслоохладители и другое вспомогательное оборудование.

Четыре блочных ГеоЭС с турбинами с противодавлением мощностью по 1,7 МВт изготовлены в 1994 г. и поставлены на Курильские острова для АО «Энергия» (рис. 24).

Особенностью производства турбин на Калужском турбинном заводе являются обязательные стендовые испытания при полной и частичной нагрузке всех выпускаемых турбогенераторов.

Блочные ГеоЭС, производимые на АО КТЗ, отличаются наличием пускового маслонасоса с приводом от отдельной малой турбины, рабо­тающей на геотермальном паре, и незначительным собственным энер­гопотреблением. Это позволяет осуществлять их автономный пуск без внешних энергоисточников и использовать их в качестве аварийных пусковых генераторов для ГеоЭС большой мощности.

Блочные ГеоЭС имеют следующие преимущества:

- более низкую стоимость установленного 1 кВт мощности (на 30...40%);

- компактность и 100 %-ный внутриблочный монтаж оборудования на заводе-изготовителе;

- простую конструкцию, транспортабельность, легкость и короткие сроки монтажа, что делает эти небольшие турбогенераторы особенно привлекательными для использования на геотермальных месторожде­ниях на этапе их освоения и строительства ГеоЭС;

- возможность установки непосредственно на площадке геотермаль­ной скважины без прокладки длинных трубопроводов;

- не требуют больших затрат на строительство ГеоЭС, и поэтому со вре­менем могут быть перемещены на новые геотермальные месторождения.

Экологически чистая Верхне-Мутновская ГеоЭС была первым проек­том, реализованным АО «Геотерм» (пуск в эксплуатацию состоялся в 1999 году).

Труднодоступность района строительства и короткий (4 месяца в году) строительный сезон, отсутствие инфраструктуры и суровые климати­ческие условия предопределили концепцию строительства этой ГеоЭС — блочно-модульная электростанция с расположением всего оборудо­вания в модулях-контейнерах вагонного типа, соединенных между со­бой закрытыми переходами (рис. 24) [58].

Для повышения экономичности ГеоЭС были созданы конденсацион­ные турбины с номинальной мощностью 4 МВт с воздухоохлаждаемы­ми конденсаторами поверхностного типа, позволившие создать эколо­гически чистую ГеоЭС, в которой весь геотермальный теплоноситель, добытый из-под земли и отработавший в технологической схеме ГеоЭС (включая сепарат, конденсат пара и неконденсирующиеся газы), зака­чивается обратно в геотермальный резервуар.

Наиболее перспективным направлением развития геотермальных элек­тростанций является создание компактных (модульных) турбоустановок, которые поставляются на строительную площадку в собранном виде. Мощ­ность таких конденсационных турбоустановок может достигать 25 МВт. Именно эта концепция создания и строительства серии ГеоЭС в Никарагуа была выбрана Российско-Никарагуанской акционерной компанией «Ин­тергеотерм» по рекомендации АО «Наука» и МЭИ.

По заданию АО «Интергеотерм» два турбогенератора с частотой 60 Гц мощностью по 23 МВт каждый были изготовлены на АО КТЗ для Гео­ЭС Сан-Хасинто [57]. При их создании использованы новейшие техни­ческие достижения, отечественные метериалы, применяемые в атомной энергетике и судостроении, а также многолетний опыт эксплуатации турбин КТЗ на Паужетской ГеоЭС.

Эти турбины отличаются высокой экономичностью проточной части (по испытаниям на электростанциях к. п.д. составляет 88%) и надежностью (за 20 лет эксплуатации не было поломок лопаток, разрушения роторов и других аварий) [56].

Высокая экономичность и надежность турбин АО КТЗ для ГеоЭС дос­тигнуты применением высокоэкономичных профилей сопловых и рабо­чих лопаток, паровпускных устройств и выхлопных патрубков, а так­же системы удаления (сепарации) влаги из проточной части турбин, обес­печиваемой специальным турбинным сепаратором, позволяющим уда­лить из проточной части от 20 до 80% влаги.

Удаление неконденсирующихся газов производится пароструйными эжекторами, установленными на секциях конденсатора. Парогазовая смесь отсасывается первыми ступенями эжекторов и направляется в охладители смешивающего типа.

Первая Мутновская ГеоЭС была пущена в эксплуатацию в октябре 2002 г. При фиксированном расходе пара с геотермального поля 320 т/ч электрическая мощность, вырабатываемая Мутновской ГеоЭС, состав­ляет 50 МВт.

Анализ экономичности зарубежных турбогенераторов показал, что энергоблоки Мутновской ГеоЭС имеют наивысший к. п.д. и наименьший расход пара на выработку электроэнергии. Достижение столь высоких показателей стало возможным благодаря созданию новой двухпоточной высокоэкономичной геотермальной паровой турбины, надежно работа­ющей при глубоком вакууме в конденсаторе (рис. 25).

В проточной части турбины, начиная с четвертой ступени, примене­на развитая система периферийной сепарации влаги, а в седьмой и восьмой ступенях — внутриканальная сепарация на сопловых лопат­ках. Одним из наиболее эффективных методов удаления влаги является использование специальной турбинной ступени-сепаратора, которая также разработана совместно МЭИ и АО КТЗ.

Главным достоинством указанных методов сепарации является то, что с их помощью удаляется практически вся крупнодисперсная влага, ко­торая вызывает эрозию рабочих лопаток. Применение ступени-сепара­тора позволило увеличить к. п.д. всей турбины почти на 2,0 %.

В настоящее время ведутся работы над созданием четвертого энерго­блока Верхне-Мутновской ГеоЭС с комбинированным циклом, который позволит увеличить общую мощность станции с 12 до 18 МВт.