نيروگاه زمين گرمايي ماتنوسكي
تاریخچه بهرهبرداری از انرژی زمینگرمایی در روسیه
نخستین تجربه روسها در تولید برق از منابع زمینگرمایی در منطقه پاراتونسكی كامچاتكا (در شرق روسیه) در سال 1967 بود كه برای نخستین بار در جهان از سیكل دو مداره برای تولیدبرق از منابع زمینگرمایی حرارت پایین استفاده شد. ظرفیت نیروگاه مذكور حدود kw600 بود.
نخستین نیروگاه زمینگرمایی بزرگ روسیه در سال 1967 و در منطقه پوزتسكی كامچاتكا احداث شد. ظرفیت نصب شده مرحله اول نیروگاه 5 مگاوات بود كه در سال 1982 پس از نصب تجهیزات مرحله دوم، ظرفیت آن به 11 مگاوات افزایش یافت. در سال 1987 نیز یك نیروگاه كوچك از نوع بدون كندانسور به ظرفیت حدود 300 كیلووات نصب شد.
در روسیه از منایع حرارت پایین عمدتاً جهت تامین گرمایش منطقهای و یا گرمایش استخرهای شنا، گلخانهها و مزارع پرورش ماهی و یا درمان بیماریها استفاده میشود. اخیراً كاربرد منابع زمینگرمایی در روسیه توسعه زیادی یافته است. در واقع وزارت علوم روسیه متولی توسعه طرحهای كاربرد انرژی زمینگرمایی در كشور است.
كاربرد انرژی زمینگرمایی در منطقه كامچاتكا
شبه جزیره كامچاتكا همراه با جزایر كوریل در منتهیالیه شرق روسیه واقع شده است. ساكنین این مناطق جهت تامین برق مورد نیاز خود وابستگی شدیدی به سوخت فسیلی وارداتی دارند. اخیراً هزینه تولید برق در نواحی مذكور به 25 سنت به ازاء هر كیلووات ساعت بالغ شد كه متعاقب آن سیاستگزاران انرژی بر آن شدند تا استراتژی پیشین خود را تغییر داده و توجه بیشتری به منابع انرژیهای تجدیدپذیر كنند. یكی از انواع انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی زمینگرمایی است كه روسها تجربیات فراوانی در خصوص بهرهبرداری از آن دارند. آنها تاكنون حدود 1000 حلقه چاه در زمینه اكتشاف و استخراج منابع زمینگرمایی حفر كردهاند كه رقم بسیار قابل توجهی است. منطقه كامچاتكا دارای ذخایر فراوان انرژی زمینگرمایی است كه با مطالعات اكتشافی صورت گرفته، پتانسیل آنها برآورد شده است. طبق محاسبات بعمل آمده، منابع زمینگرمایی مذكور قادر خواهند بود برق مورد نیاز شبه جزیره كامچاتكا را با هزینه بسیار كمتری نسبت به سوختهای فسیلی تامین كنند.
منطقه زمینگرمایی ماتنوسكی
این منطقه در جنوب شبهجزیره كامچاتكا قرار دارد. در واقع این منطقه زمینگرمایی بخشی از منطقه آتشفشانی كامچاتكای جنوبی است كه در حدود 8 كیلومتری شمال كوه آتشفشانی ماتنوسكی واقع شده است. نزدیكترین منطقه مسكونی به آن شهر پتروپاولوسك – كامچاتسكی است كه 125 كیلومتر بامنطقه زمینگرمایی فاصله دارد. در زمستان دسترسی به منطقه زمینگرمایی مشكل است زیرا در این ایام بدلیل بارش سنگین برف صرفاً با انجام عملیات برق روبی میتوان از جادهها عبور كرد. منطقه زمینگرمایی ماتنوسكی یكی از بزرگترین نواحی روی كره زمین است كه حجم زیادی از حرارت داخل زمین به سطح آن راه مییابد. بر اساس مطالعات اكتشافی بعمل آمده مشخص شده است كه منابع زمینگرمایی مناطق كامچاتكا و جزایر كوریل مشتركاً قادر به تولید 2000 مگاوات برق هستند.
این منطقه كه حدود 30 كیلومتر مربع وسعت دارد شامل آثار و شواهد حرارتی است كه در مجاورت آتشفشانهای فعال وسیستمهای زمینگرمایی حرارت بالا قرار دارند. در جنوب منطقه نیز كوه آتشفشان ماتنوسكی وجود دارد كه در مجاورت آن گازفشانهای حرارت بالا و چشمههای آبداغ مشاهده میشوند واز یال شمالی و دهانه آن نیز بخار خارج میشود.
این منطقه از نظر فعالیت آتشفشانی بسیار فعال است و در آن دو آتشفشان فعال وجود دارد: ماتنوسكی و گورلی. البته یك آتشفشان خاموش و فرسایش یافته نیز به نام ژیروفسكی نزدیكی منطقه زمینگرمایی به چشم میخورد. در اطراف دهانه آتشفشان ماتنوسكی فعالیتهای شدید گازفشانی مشاهده میشود. آخرین فعالیت كوه آتشفشانی ماتنوسكی در سال 2001 رخ داد. در آن هنگام ناگهان دهانه آتشفشان منفجر شد كه بر اثر آن خاكسترهای آتشفشانی به هوا پرتاب شدند.
اكتشاف منطقه زمینگرمایی ماتنوسكی طی سالهای 1978 تا 1990 انجام شده است. تاكنون بیش از 80 حلقه چاه كه عمق آنها بین 1000 تا 2500 متر است در منطقهای به وسعت km225 حفر شده است.
با استفاده از نتایج عملیات حفاری، تا حدود زیادی حدوده مخزن ماتنوسكی مشخص شد. در حال حاضر در نظر است كه یك نیروگاه 120 مگاواتی در مركز منطقه زمینگرمایی احداث شود. ماتنوسكی از نوع آبداغ بالنده است. بدین معنی كه سیال غالب در مخزن آبداغ است. طبق برآوردهای بعمل آمده منبع زمینگرمایی ماتنوسكی توانایی تولید 300 مگاوات برق را دارد.
به طور كلی منابع زمینگرمایی منطقه كامچاتكا به دو دسته حرارت بالا و حرارت پایین تقسیمبندی میشوند. منابع حرارت بالا (150 درجه سانتیگراد) دارای پتانسیلی معادل MWe1130 هستند. منابع حرارت پایین (150 > درجه سانتیگراد) دارای پتانسیل MWt 1345 برای یك دوره 100 ساله هستند. تاكنون طبق اكتشافات انجام شده بیش از 20 میدان زمینگرمایی در منطقه كامچاتكا كشف شده است.
در بین همه میدانهای كشف شده میدان زمینگرمایی ماتنوسكی میدانی شاخص به شمار میرود. تاكنون تمامی مطالعات اكتشافی ضروری در این میدان انجام شده است و اكنون برای استفادههای مختلف (تولید برق و كاربردهای صنعتی) كاملاً آماده است. حدود 30 درصد چاههای حفر شده در میدان ماتنوسكی،چاههای تولیدی هستند.
سیالهای تولید شده از میدان مذكور مخلوط بخار خشك و بخار مرطوب است كه درجه حرارت آن بیش از 240 درجه سانتیگراد بوده و آنتالپی آن معادل Kcal/kg 660 است. از نظر تركیب شیمیایی، سیال خروجی از چاهها در زمره آبهای كلریده، كلریده- سولفاته قرار میگیرندكه آنیونهای آنها سولفات و كلرید و مهمترین كاتیونهای آنها سدیم و كلسیم هستند. مهمترین گاز غیرقابل میعان مخزن اسید كربنیك (بیش از 70 درصد وزنی) است. به علاوه در سولفید هیدروژن، نتیروژن، اكسیژن،متان و هیدروژن نیز وجود دارد. میزان H2S موجود در سیال مخزن به طور میانگین حدود 10 درصد حجم كل گازهای خروجی از چاهها است.
نیروگاه زمینگرمایی ماتنوسكی
در مرحله اول، یك نیروگاه 12 مگاواتی احداث شد. این نیروگاه در حقیقت یك نیروگاه زمینگرمایی نمونه (پایلوت) از مجموعهای از چند نیروگاه زمینگرمایی است كه در منطقه ماتنوسكی ساخته و راهاندازی خواهد شد. در هنگام احداث نیروگاه ماتنوسكی موارد زیر موردتوجه قرار داشت:
• سیستم آماده سازی بخار مدولار كه به صورت پیش ساخته بودو پس از مونتاژ مورد استفاده قرار گرفت.
• اغلب اجزاء نیروگاه (شامل توبوژنراتورها، قطعات الكتروتكنیكی، كنترل پانل اصلی و ...) در كارخانه ساخته شده و در محل نیروگاه به یكدیگر متصل شدند.
• با استفاده از كندانسورهای هوایی از تماس مستقیم سیال زمینگرمایی با محیط اطراف جلوگیری شد.
سیال دو فازی (مخلوط آبداغ وبخار) از طریق لولهها در مخزن جمعآوری شده و پس از انجام عمل جدایش در دو مرحله به سمت سه واحد قدرت كه ظرفیت هر یك 4 مگاوات است، هدایت میشود. شكل (5). بخار با فشار P0=0..8 Mpa و درجه حرارت 170 درجه سانتیگراد ودر حالتی كه كاملاً خشك است (میزان رطوبت آن كمتر از 05/0 درصد است) وارد توربین میشود. كیفیت بخار در ورودی توربین مشابه كیفیت آن در نیروگاههای حرارتی فشار متوسط است. به منظور افزایش كارایی كاربرد انرژی زمینگرمایی، آبداغ (دارای درجه حرارت 170درجه سانتیگراد) بعد از جداكنندهها به سمت مخازن تبخیر آنی هدایت میشود. دراین مخازن بخار دارای فشار 0.4 Mpa تولیدمیشود. از این بخار (حدود 10 تن بر ساعت) در اجكتورها جهت مكش و جدایش گازهای غیرقابل میعان و بیوژه گاز سولفید هیدروژن (H2S) استفاده میشود. گاز H2S خارج شده از كندانسور، وارد دستگاه جاذب 13 میشود كه درآن گاز H2S در بخار چگالش یافته حل شده به سمت چاههای تزریقی هدایت میشود. همانگونه كه مشخص است گاز مذكور بدون هیچ ارتباطی با محیط اطراف مجدداً به درون مخزن زمینگرمایی تزریق می شود. آب چگالیده خروجی از كندانسور به اندازه كافی خالص و تمیز بوده صرفاً دارای مقدار كمی از املاح گوناگون به صورت محلول است. بنابراین چنانچه در طراحی سیكل تولید برق، درجه حرارت آب چگالیده حدود 50 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شود،میتوان آنرا بدون مشكل رسوبگذاری در لولهها و چاههای تزریقی به درون چاهها تزریق كرد.
كنترل سه واحد قدرت توسط تابلوی كنترل اصلی انجام میشود. 6 مدول كندانسور هوایی درارتفاع 6 متری از صفحه توربوژنراتورها واقع شده است. هر مدول كندانسور هوایی از 8 مجموعه بهم پیوسته از لولههای فولادی (ضد زنگ) كه دارای پوششی از جنس روی است تشكیل شده است. خود لولهها نیز توسط صفحات آلومینیومی دندانهدار (كه ارتفاع هر دندانه cm5/1 است) پوشیده شده است.
سیستمهای آمادهسازی بخار یروگاه در كارخانه به صورت مدول و یكپارچه ساخته شده است. پس از آزمایش مدول دركارخانه آنها را توسط هواپیماهای باری سنگین به كامچاتكا منتقل كردند. نهایتاً مدولها پس از نصب تحت شرایط واقعی با سیال زمینگرمایی مورد آزمایش قرار گرفتند. در مدول پمپ وچند سیستم مجزا وجود دارند شامل پمپهای سیستم تزریق، پمپهای یدكی و آتشنشانی و تابلوهای كنترل الكتریكی. علاوه بر این در هنگام بهرهبرداری، سیستم حفاظتی خاصی سبب جدایش رسوبات و املاح در توربینها و كندانسورهای هوایی میشود.
توربین و ژنراتور روی یك شاسی واحد نصب شدهاند كه شامل سیستم پمپ روغن روانكننده و مخزن مربوطه آن نیز می شود. توربین مستقیماً (بدون دنده كاهنده) به ژنراتور متصل بوده فركانس گردش آن معادل 50 دور در ثانیه است. هر واحد توربوژنراتور به طور مجزا در یك مدول قرار دارد. شركت سازنده در طراحی و ساخت توربینها از تجربیات خود در ساخت توربینهای صنعتی و توربینهای كشتی كمك گرفته است.
توربینهای مذكور دارای بخشهای زیر هستند:
• پایههای قابل انعطاف در بخش جلویی سازه نگهدارنده
• واحد تنظیم هیدرولیكی در جلوی توربین
• یك یاتاقان نگهدارنده مقاوم همراه با پمپ روغن در بخش جلویی سازه نگهدارنده
توربین نیروگاه ماتنوسكی نسبت به توربینهای صنعتی و كشتیها دو تفاوت مهم دارد كه عبارت هستند از:
1- كنترل بخار در لوله ورودی بوسیله دمپردورانی پروانهای انجام میشود.
2- بخار ورودی به واحد قدرت از بالا وسقف واحد، وارد توربین میشود.
3- همه 10 طبقه توربین دارای سیستم جداسازی رطوبت پیشرفتهای هستند.
مرحله اول توسعه نیروگاه
در حال حاضر مرحله اول توسعه نیروگاه ماتنوسكی با ظرفیت 50 (25×2) مگاوات بوسیله یك شركت روسی در حال انجام است. هزینههای اجرای مرحله اول توسعه نیروگاه را مشتركاً بانك اروپایی توسعه وبازسازی و چند شركت روسی تقبل كردهاند. مرحله اول توسعه نیروگاه شامل موارد زیر میشود.
ساختمان اصلی با امكانات مورد نیاز جهت توربینها، تابلوی كنترل واحد قدرت، جداكنندهها، تجهیزات الكتروتكنیكی و یك مهمانسرا برای مهندسین ناظر در ساختگاه نیروگاه.
در ساختگاه نیروگاه،محلی برای پستها و كارگاههای تعمیر و نگهداری تجهیزات در نظر گرفته شده است. از سوی دیگر طبق قراردادهای منعقد شده برای حفاری وتعمیر چاههای زمینگرمایی منطقه، میزان دبی و فشار بخار لازم برای مرحله دوم توسعه نیروگاه به ترتیب كمتر از t/h320 و 7 بار خواهد بود. این حجم بخار نه تنها مرحله اول توسعه را پوشش میدهد بلكه بخار لازم برای مرحله دوم را نیز تامین میكند. البته این فشار و دبی مربوط به بخار ورودی به جداكنندههای نیروگاه خواهد بود. سیستمهای آماده سازی بخار نیروگاه شامل جداكنندهها، صدا خفهكن و سایرتجهیزات هستند. این سیستم ها باید به نحوی عمل كنند كه رطوبت بخار خروجی از آنها بیش از 05/0 درصد نباشد.
آبداغ چگالیده همراه با آبداغ جدا شده از جداكنندهها قبل از تزریق مجدد از یك سیستم ذوب برق عبور میكند و بدین ترتیب از حرارت آن جهت ذوب برف و یخ محیط نیروگاه استفاده میشود.
یك شركت روسی خط انتقال kv220 را از نیروگاه ماتنوسكی تا پست آواچا 18 در شهر الیزوو به طول 70 كیلومتر احداث خواهد كرد. شركتی دیگر هم جادهای را بین شهر پتروپاولوسك – كامچاتسكی ونیروگاه زمینگرمایی ماتنوسكی خواهد ساخت. در واقع از این جاده جهت انتقال تجهیزات نیروگاهی شامل توربوژنراتورها وسایر تجهیزات فنی (كه وزن هر یك از آنها به 50 تن نیز میرسد) به ساختگاه نیروگاه استفاده خواهد شد.
واحد چهارم نیروگاه همراه با سیكل تركیبی
در سال 1965، دانشمندان روسی توانستند سیكلی را ابداع كنند كه به كمك آن میتوان از آبداغ گرمتر از 80 درجه سانتیگراد نیز برق تولید كرد. به منظور طراحی و آزمایش تجهیزات سیكل تركیبی نیروگاه ماتنوسكی تحت شرایط طبیعی و واقعی (درجه حرارت كم محیط، بارش برف فراوان تا ارتفاع 12 متر، باد قوی و لرزه خیزی بالا) شركت ژئوترم كار روی واحد چهارم نیروگاه ماتنوسكی را آغاز كرد. در حال حاضر واحد چهارم سیكل تركیبی در حال نصب است. در واقع هدف از طراحی و اجرای واحد چهارم، بكارگیری سیال دو فازی اضافی است كه از چاههای زمینگرمایی خارج شده و توسط سه واحد قدرت موجود استفاده نمیشود. در بالاترین بخش سیكل، یك توربین از نوع بدون كندانسور با ظرفیت 3 مگاوات نیز نصب خواهد شد.
سیال دو فازی از دو واحد جداكننده عبور كرده و بخار جدا شده به سمت توربین بخار هدایت میشود. بخار مرطوب خروجی توربین، چگالیده شده وسپس در لولههای كندانسور – اواپراتور خنك میشود.
فشار بخار خروجی از توربین حدود 03/0 تا 11/0 مگاپاسكال است. توربینها،ژنراتورها و تجهیزات تبادل حرارت روی یك صفحه كه 5 متر از سطح زمین ارتفاع دارد، مستقر شدهاند. به منظور جلوگیری از ریزش برف سنگین زمستانی نیز تمامی تجهیزات در یك مرحله سرپوشیده قرار دارند. از سوی دیگر جهت ممانعت از جمع شدن برف و یخزدگی سطوح تبادل حرارت روی صفحات كندانسورهای هوایی، این صفحات رو به بیرون شیب دارند.
فنها و الكتروموتورها در معرض جریان هوای پیش گرم شده قرار دارند تا دچار شوك حرارتی نشوند. تجهیزات الكتروتكنیكی و سایر سیستمهای كنترل خودكار در یك محفظه مخصوص قرار دارند كه داخل آن نیز توسط هوای گرم، گرم نگه داشته میشود.
ظرفیت نهایی واحد قدرت 9 مگاوات خواهد بود. نیروگاه دو مداره با ظرفیت اسمی 8/6 مگاوات، طراحی و ساخته خواهد شد. در واقع این نیروگاه یك مدل نمونه (پایلوت) از مجموعهای از مدولهای قدرت دو مداره خواهد بود. در آینده این مدولهای قدرت در واحدهای سیكل تركیبی مرحله دوم توسعه نیروگاه بكار گرفته خواهند شد. علاوه براین مدولهای مذكور در احداث نیروگاههای زمینگرمایی دو مداره جدید با ظرفیت 6 و 12 مگاوات نیز بكار خواهند رفت.
در حین طراحی، ساخت و آزمایش واحدهای قدرت سیكل تركیبی چندین مشكل علمی و فنی به شرح زیر بوجود آمد:
- انتخاب سیال عامل بهینه (دارای نقطه جوش پایین)
- تعیین حداقل درجه حرارت آبداغ خروجی از سیستم برای جلوگیری از رسوب مواد سیلیسی
- انتخاب روش بهینه برای خارج كردن گازهای غیرقابل میعان از كندانسور- اواپراتور
- در نظر گرفتن ملاحظات زیستمحیطی برای حذف گاز H2S از محوطه نیروگاه
شرایط آب وهوایی منطقه ماتنوسكی بسیار استثنایی است زیرا از یك سو در نواحی شمالی كره زمین قرار داشته و از سوی دیگر در ارتفاع قابل توجهی از سطح دریا واقع شده است. میانگین درجه حرارت سالیانه این منطقه 5/1 درجه سانتیگراد است. درجه حرارت میانگین آن در یك دوره هشتماهه (از آبان تا خرداد) كمتر از 5 درجه سانتیگراد است. این درجه حرارت كم هوا به مهندسان طراح سیكل قدرت اجازه میدهد كه درجه حرارت چگالیده رادر كندانسور تا حدود 10 الی 20 درصد كاهش دهند كه این موضوع خود سبب افزایش 20 الی 24 درصد قدرت خروجی از نیروگاه در مقایسه با نیروگاههای زمینگرمایی كه در نواحی بسیار گرم یا معتدل قرار دارند، میشود.
مزیت دیگر درجه حرارت كم آبداغ خروجی از كندانسور این است كه بر اثر هر گونه كاهش فشار چاههای تولیدی، نقصان كمی در قدرت خروجی نیروگاه رخ میدهد.
تولید برق در سیكل تبخیر آنی نیروگاه ماتنوسكی با مشكلاتی همراه است. به عنوان مثال درتوربینها به حجم نسبتاً زیادی بخار نیاز است و ارتفاع پرههای طبقات آخر توربین نیز زیاد است. هر دو عامل مذكور سبب كاهش كارایی سیكل تولید برق میشوند. از سوی دیگر حذف گازهای غیرقابل میعان از كندانسور تحت فشار آب اشباع مستلزم صرف انرژی زیادی است. بنابراین به منظور رفع مشكلات فوق، مهندسان، سیكل تركیبی را پیشنهاد كردند. در واقع این سیكل، تركیبی از سیكل تبخیر آنی و سیكل دو مداره است. سیال عامل واحد قدرت دارای نقطه انجماد پایین بوده كاركرد خوب آنرا در فصل زمستان تضمین می كند. بدین معنی كه سیال فوق در هنگام توقف عملكرد نیروگاه یخ نمیزند.
واحدهای سیكل تركیبی مرحله دوم توسعه نیروگاه
همزمان با برنامه توسعه كاربرد انرژی زمینگرمایی در منطقه كامچاتكا، مرحله دوم توسعه نیروگاه به ظرفیت 60 مگاوات نیز آغاز شده است. ساخت مرحله سوم نیروگاه با ظرفیت 100 مگاوات هم برنامهریزی است.
دلایل زیر سیاستگزاران انرژی را بر آن داشت تا مراحل دوم و سوم توسعه نیروگاه را طراحی و برنامهریزی كنند:
1- داشتن شناخت كافی از منبع زمینگرمایی ماتنوسكی
2- وجود جاده و خط انتقال برق در منطقه
3- تجربیات بدست آمده از عملكرد نیروگاه زمینگرمایی ماتنوسكی
4- وجود برق در محل ساختگاه نیروگاه جهت اجرای سریعتر طرحهای توسعهای
بر اساس مطالعات اولیه، مرحله دوم توسعه نیروگاه، شامل دو واحد قدرت از نوع سیكل تركیبی است كه كل مصرف بخار و آبداغ آن به ترتیب معادل 320 و 640 تن بر ساعت است.
در مرحله دوم توسعه نیروگاه، هر واحد قدرت شامل یك توربین بخار (از نوع بدون كندانسور) دارای ظرفیت 12 مگاوات وسه مدول سیكل دو مداره است كه ظرفیت هر یك از مدولها 6 مگاوات است. ظرفیت نهایی واحدهای سیكل تركیبی حداقل 20 درصد بیش از واحدهای تبخیر آنی مرحله اول بوده ودر نتیجه اقتصادیتر هستند.
در خاتمه این نكته نیز شایان ذكر است كه اگر تمام انرژی الكتریكی مورد نیاز منطقه كامچاتكا از منابع زمین گرمایی تامین شود، سالیانه تقریباًً معادل 000/900 تن در مصرف سوختهای فسیلی صرفهجویی خواهد شد.