ممكن است بحث در خصوص كاربرد انرژيهاي تجديدپذير وبويژه انرژي زمينگرمايي در كشور روسيه كه داراي ذخاير بسيار عظيم سوختهاي فسيلي (بويژه گاز طبيعي) است قدري عجيب به نظر ميآيد. اما حتي اين كشور غني از انرژي نيز در برخي از نقاط دور دست خود با مشكل تامين برق ساكنانش مواجه است. بدين ترتيب كه هزينه حمل سوخت نيروگاهها به نقاط مذكور نيازمند صرف هزينههاي زيادي است. به عنوان مثال اين وضعيت در منطقه كامچاتكا كه نيروگاه ماتنوسكي در آن واقع شده است، وجود دارد. لذا مقامات محلي سعي دارند تا با اكتشافات ميادين زمينگرمايي منطقه و بهرهبرداري از آن جهت توليد برق بر مشكل مذكور غلبه كنند. در اين مقاله نخست تاريخچه كاربرد انرژي زمينگرمايي در روسيه به اختصار مطرح شده سپس مطالبي پيرامون منطقه زمينگرمايي ماتنوسكي و نيروگاه مربوطه ارايه شده است.
تاريخچه بهرهبرداري از انرژي زمينگرمايي در روسيه
نخستين تجربه روسها در توليد برق از منابع زمينگرمايي در منطقه پاراتونسكي كامچاتكا (در شرق روسيه) در سال 1967 بود كه براي نخستين بار در جهان از سيكل دو مداره براي توليدبرق از منابع زمينگرمايي حرارت پايين استفاده شد. ظرفيت نيروگاه مذكور حدود kw600 بود.
نخستين نيروگاه زمينگرمايي بزرگ روسيه در سال 1967 و در منطقه پوزتسكي كامچاتكا احداث شد. ظرفيت نصب شده مرحله اول نيروگاه 5 مگاوات بود كه در سال 1982 پس از نصب تجهيزات مرحله دوم، ظرفيت آن به 11 مگاوات افزايش يافت. در سال 1987 نيز يك نيروگاه كوچك از نوع بدون كندانسور به ظرفيت حدود 300 كيلووات نصب شد.
در روسيه از منايع حرارت پايين عمدتاً جهت تامين گرمايش منطقهاي و يا گرمايش استخرهاي شنا، گلخانهها و مزارع پرورش ماهي و يا درمان بيماريها استفاده ميشود. اخيراً كاربرد منابع زمينگرمايي در روسيه توسعه زيادي يافته است. در واقع وزارت علوم روسيه متولي توسعه طرحهاي كاربرد انرژي زمينگرمايي در كشور است.
كاربرد انرژي زمينگرمايي در منطقه كامچاتكا
شبه جزيره كامچاتكا همراه با جزاير كوريل در منتهياليه شرق روسيه واقع شده است. ساكنين اين مناطق جهت تامين برق مورد نياز خود وابستگي شديدي به سوخت فسيلي وارداتي دارند. اخيراً هزينه توليد برق در نواحي مذكور به 25 سنت به ازاء هر كيلووات ساعت بالغ شد كه متعاقب آن سياستگزاران انرژي بر آن شدند تا استراتژي پيشين خود را تغيير داده و توجه بيشتري به منابع انرژيهاي تجديدپذير كنند. يكي از انواع انرژيهاي تجديدپذير، انرژي زمينگرمايي است كه روسها تجربيات فراواني در خصوص بهرهبرداري از آن دارند. آنها تاكنون حدود 1000 حلقه چاه در زمينه اكتشاف و استخراج منابع زمينگرمايي حفر كردهاند كه رقم بسيار قابل توجهي است. منطقه كامچاتكا داراي ذخاير فراوان انرژي زمينگرمايي است كه با مطالعات اكتشافي صورت گرفته، پتانسيل آنها برآورد شده است. طبق محاسبات بعمل آمده، منابع زمينگرمايي مذكور قادر خواهند بود برق مورد نياز شبه جزيره كامچاتكا را با هزينه بسيار كمتري نسبت به سوختهاي فسيلي تامين كنند.
منطقه زمينگرمايي ماتنوسكي
اين منطقه در جنوب شبهجزيره كامچاتكا قرار دارد. در واقع اين منطقه زمينگرمايي بخشي از منطقه آتشفشاني كامچاتكاي جنوبي است كه در حدود 8 كيلومتري شمال كوه آتشفشاني ماتنوسكي واقع شده است. نزديكترين منطقه مسكوني به آن شهر پتروپاولوسك – كامچاتسكي است كه 125 كيلومتر بامنطقه زمينگرمايي فاصله دارد. در زمستان دسترسي به منطقه زمينگرمايي مشكل است زيرا در اين ايام بدليل بارش سنگين برف صرفاً با انجام عمليات برق روبي ميتوان از جادهها عبور كرد. منطقه زمينگرمايي ماتنوسكي يكي از بزرگترين نواحي روي كره زمين است كه حجم زيادي از حرارت داخل زمين به سطح آن راه مييابد. بر اساس مطالعات اكتشافي بعمل آمده مشخص شده است كه منابع زمينگرمايي مناطق كامچاتكا و جزاير كوريل مشتركاً قادر به توليد 2000 مگاوات برق هستند.
اين منطقه كه حدود 30 كيلومتر مربع وسعت دارد شامل آثار و شواهد حرارتي است كه در مجاورت آتشفشانهاي فعال وسيستمهاي زمينگرمايي حرارت بالا قرار دارند. در جنوب منطقه نيز كوه آتشفشان ماتنوسكي وجود دارد كه در مجاورت آن گازفشانهاي حرارت بالا و چشمههاي آبداغ مشاهده ميشوند واز يال شمالي و دهانه آن نيز بخار خارج ميشود.
اين منطقه از نظر فعاليت آتشفشاني بسيار فعال است و در آن دو آتشفشان فعال وجود دارد: ماتنوسكي و گورلي. البته يك آتشفشان خاموش و فرسايش يافته نيز به نام ژيروفسكي نزديكي منطقه زمينگرمايي به چشم ميخورد. در اطراف دهانه آتشفشان ماتنوسكي فعاليتهاي شديد گازفشاني مشاهده ميشود. آخرين فعاليت كوه آتشفشاني ماتنوسكي در سال 2001 رخ داد. در آن هنگام ناگهان دهانه آتشفشان منفجر شد كه بر اثر آن خاكسترهاي آتشفشاني به هوا پرتاب شدند.
اكتشاف منطقه زمينگرمايي ماتنوسكي طي سالهاي 1978 تا 1990 انجام شده است. تاكنون بيش از 80 حلقه چاه كه عمق آنها بين 1000 تا 2500 متر است در منطقهاي به وسعت km225 حفر شده است.
با استفاده از نتايج عمليات حفاري، تا حدود زيادي حدوده مخزن ماتنوسكي مشخص شد. در حال حاضر در نظر است كه يك نيروگاه 120 مگاواتي در مركز منطقه زمينگرمايي احداث شود. ماتنوسكي از نوع آبداغ بالنده است. بدين معني كه سيال غالب در مخزن آبداغ است. طبق برآوردهاي بعمل آمده منبع زمينگرمايي ماتنوسكي توانايي توليد 300 مگاوات برق را دارد.
به طور كلي منابع زمينگرمايي منطقه كامچاتكا به دو دسته حرارت بالا و حرارت پايين تقسيمبندي ميشوند. منابع حرارت بالا (150 درجه سانتيگراد) داراي پتانسيلي معادل MWe1130 هستند. منابع حرارت پايين (150 > درجه سانتيگراد) داراي پتانسيل MWt 1345 براي يك دوره 100 ساله هستند. تاكنون طبق اكتشافات انجام شده بيش از 20 ميدان زمينگرمايي در منطقه كامچاتكا كشف شده است.
در بين همه ميدانهاي كشف شده ميدان زمينگرمايي ماتنوسكي ميداني شاخص به شمار ميرود. تاكنون تمامي مطالعات اكتشافي ضروري در اين ميدان انجام شده است و اكنون براي استفادههاي مختلف (توليد برق و كاربردهاي صنعتي) كاملاً آماده است. حدود 30 درصد چاههاي حفر شده در ميدان ماتنوسكي،چاههاي توليدي هستند.
سيالهاي توليد شده از ميدان مذكور مخلوط بخار خشك و بخار مرطوب است كه درجه حرارت آن بيش از 240 درجه سانتيگراد بوده و آنتالپي آن معادل Kcal/kg 660 است. از نظر تركيب شيميايي، سيال خروجي از چاهها در زمره آبهاي كلريده، كلريده- سولفاته قرار ميگيرندكه آنيونهاي آنها سولفات و كلريد و مهمترين كاتيونهاي آنها سديم و كلسيم هستند. مهمترين گاز غيرقابل ميعان مخزن اسيد كربنيك (بيش از 70 درصد وزني) است. به علاوه در سولفيد هيدروژن، نتيروژن، اكسيژن،متان و هيدروژن نيز وجود دارد. ميزان H2S موجود در سيال مخزن به طور ميانگين حدود 10 درصد حجم كل گازهاي خروجي از چاهها است.
نيروگاه زمينگرمايي ماتنوسكي
در مرحله اول، يك نيروگاه 12 مگاواتي احداث شد. اين نيروگاه در حقيقت يك نيروگاه زمينگرمايي نمونه (پايلوت) از مجموعهاي از چند نيروگاه زمينگرمايي است كه در منطقه ماتنوسكي ساخته و راهاندازي خواهد شد. در هنگام احداث نيروگاه ماتنوسكي موارد زير موردتوجه قرار داشت:
• سيستم آماده سازي بخار مدولار كه به صورت پيش ساخته بودو پس از مونتاژ مورد استفاده قرار گرفت.
• اغلب اجزاء نيروگاه (شامل توبوژنراتورها، قطعات الكتروتكنيكي، كنترل پانل اصلي و ...) در كارخانه ساخته شده و در محل نيروگاه به يكديگر متصل شدند.
• با استفاده از كندانسورهاي هوايي از تماس مستقيم سيال زمينگرمايي با محيط اطراف جلوگيري شد.
سيال دو فازي (مخلوط آبداغ وبخار) از طريق لولهها در مخزن جمعآوري شده و پس از انجام عمل جدايش در دو مرحله به سمت سه واحد قدرت كه ظرفيت هر يك 4 مگاوات است، هدايت ميشود. شكل (5). بخار با فشار P0=0..8 Mpa و درجه حرارت 170 درجه سانتيگراد ودر حالتي كه كاملاً خشك است (ميزان رطوبت آن كمتر از 05/0 درصد است) وارد توربين ميشود. كيفيت بخار در ورودي توربين مشابه كيفيت آن در نيروگاههاي حرارتي فشار متوسط است. به منظور افزايش كارايي كاربرد انرژي زمينگرمايي، آبداغ (داراي درجه حرارت 170درجه سانتيگراد) بعد از جداكنندهها به سمت مخازن تبخير آني هدايت ميشود. دراين مخازن بخار داراي فشار 0.4 Mpa توليدميشود. از اين بخار (حدود 10 تن بر ساعت) در اجكتورها جهت مكش و جدايش گازهاي غيرقابل ميعان و بيوژه گاز سولفيد هيدروژن (H2S) استفاده ميشود. گاز H2S خارج شده از كندانسور، وارد دستگاه جاذب 13 ميشود كه درآن گاز H2S در بخار چگالش يافته حل شده به سمت چاههاي تزريقي هدايت ميشود. همانگونه كه مشخص است گاز مذكور بدون هيچ ارتباطي با محيط اطراف مجدداً به درون مخزن زمينگرمايي تزريق مي شود. آب چگاليده خروجي از كندانسور به اندازه كافي خالص و تميز بوده صرفاً داراي مقدار كمي از املاح گوناگون به صورت محلول است. بنابراين چنانچه در طراحي سيكل توليد برق، درجه حرارت آب چگاليده حدود 50 درجه سانتيگراد در نظر گرفته شود،ميتوان آنرا بدون مشكل رسوبگذاري در لولهها و چاههاي تزريقي به درون چاهها تزريق كرد.
كنترل سه واحد قدرت توسط تابلوي كنترل اصلي انجام ميشود. 6 مدول كندانسور هوايي درارتفاع 6 متري از صفحه توربوژنراتورها واقع شده است. هر مدول كندانسور هوايي از 8 مجموعه بهم پيوسته از لولههاي فولادي (ضد زنگ) كه داراي پوششي از جنس روي است تشكيل شده است. خود لولهها نيز توسط صفحات آلومينيومي دندانهدار (كه ارتفاع هر دندانه cm5/1 است) پوشيده شده است.
سيستمهاي آمادهسازي بخار يروگاه در كارخانه به صورت مدول و يكپارچه ساخته شده است. پس از آزمايش مدول دركارخانه آنها را توسط هواپيماهاي باري سنگين به كامچاتكا منتقل كردند. نهايتاً مدولها پس از نصب تحت شرايط واقعي با سيال زمينگرمايي مورد آزمايش قرار گرفتند. در مدول پمپ وچند سيستم مجزا وجود دارند شامل پمپهاي سيستم تزريق، پمپهاي يدكي و آتشنشاني و تابلوهاي كنترل الكتريكي. علاوه بر اين در هنگام بهرهبرداري، سيستم حفاظتي خاصي سبب جدايش رسوبات و املاح در توربينها و كندانسورهاي هوايي ميشود.
توربين و ژنراتور روي يك شاسي واحد نصب شدهاند كه شامل سيستم پمپ روغن روانكننده و مخزن مربوطه آن نيز مي شود. توربين مستقيماً (بدون دنده كاهنده) به ژنراتور متصل بوده فركانس گردش آن معادل 50 دور در ثانيه است. هر واحد توربوژنراتور به طور مجزا در يك مدول قرار دارد. شركت سازنده در طراحي و ساخت توربينها از تجربيات خود در ساخت توربينهاي صنعتي و توربينهاي كشتي كمك گرفته است.
توربينهاي مذكور داراي بخشهاي زير هستند:
• پايههاي قابل انعطاف در بخش جلويي سازه نگهدارنده
• واحد تنظيم هيدروليكي در جلوي توربين
• يك ياتاقان نگهدارنده مقاوم همراه با پمپ روغن در بخش جلويي سازه نگهدارنده
توربين نيروگاه ماتنوسكي نسبت به توربينهاي صنعتي و كشتيها دو تفاوت مهم دارد كه عبارت هستند از:
1- كنترل بخار در لوله ورودي بوسيله دمپردوراني پروانهاي انجام ميشود.
2- بخار ورودي به واحد قدرت از بالا وسقف واحد، وارد توربين ميشود.
3- همه 10 طبقه توربين داراي سيستم جداسازي رطوبت پيشرفتهاي هستند.
مرحله اول توسعه نيروگاه
در حال حاضر مرحله اول توسعه نيروگاه ماتنوسكي با ظرفيت 50 (25×2) مگاوات بوسيله يك شركت روسي در حال انجام است. هزينههاي اجراي مرحله اول توسعه نيروگاه را مشتركاً بانك اروپايي توسعه وبازسازي و چند شركت روسي تقبل كردهاند. مرحله اول توسعه نيروگاه شامل موارد زير ميشود.
ساختمان اصلي با امكانات مورد نياز جهت توربينها، تابلوي كنترل واحد قدرت، جداكنندهها، تجهيزات الكتروتكنيكي و يك مهمانسرا براي مهندسين ناظر در ساختگاه نيروگاه.
در ساختگاه نيروگاه،محلي براي پستها و كارگاههاي تعمير و نگهداري تجهيزات در نظر گرفته شده است. از سوي ديگر طبق قراردادهاي منعقد شده براي حفاري وتعمير چاههاي زمينگرمايي منطقه، ميزان دبي و فشار بخار لازم براي مرحله دوم توسعه نيروگاه به ترتيب كمتر از t/h320 و 7 بار خواهد بود. اين حجم بخار نه تنها مرحله اول توسعه را پوشش ميدهد بلكه بخار لازم براي مرحله دوم را نيز تامين ميكند. البته اين فشار و دبي مربوط به بخار ورودي به جداكنندههاي نيروگاه خواهد بود. سيستمهاي آماده سازي بخار نيروگاه شامل جداكنندهها، صدا خفهكن و سايرتجهيزات هستند. اين سيستم ها بايد به نحوي عمل كنند كه رطوبت بخار خروجي از آنها بيش از 05/0 درصد نباشد.
آبداغ چگاليده همراه با آبداغ جدا شده از جداكنندهها قبل از تزريق مجدد از يك سيستم ذوب برق عبور ميكند و بدين ترتيب از حرارت آن جهت ذوب برف و يخ محيط نيروگاه استفاده ميشود.
يك شركت روسي خط انتقال kv220 را از نيروگاه ماتنوسكي تا پست آواچا 18 در شهر اليزوو به طول 70 كيلومتر احداث خواهد كرد. شركتي ديگر هم جادهاي را بين شهر پتروپاولوسك – كامچاتسكي ونيروگاه زمينگرمايي ماتنوسكي خواهد ساخت. در واقع از اين جاده جهت انتقال تجهيزات نيروگاهي شامل توربوژنراتورها وساير تجهيزات فني (كه وزن هر يك از آنها به 50 تن نيز ميرسد) به ساختگاه نيروگاه استفاده خواهد شد.
واحد چهارم نيروگاه همراه با سيكل تركيبي
در سال 1965، دانشمندان روسي توانستند سيكلي را ابداع كنند كه به كمك آن ميتوان از آبداغ گرمتر از 80 درجه سانتيگراد نيز برق توليد كرد. به منظور طراحي و آزمايش تجهيزات سيكل تركيبي نيروگاه ماتنوسكي تحت شرايط طبيعي و واقعي (درجه حرارت كم محيط، بارش برف فراوان تا ارتفاع 12 متر، باد قوي و لرزه خيزي بالا) شركت ژئوترم كار روي واحد چهارم نيروگاه ماتنوسكي را آغاز كرد. در حال حاضر واحد چهارم سيكل تركيبي در حال نصب است. در واقع هدف از طراحي و اجراي واحد چهارم، بكارگيري سيال دو فازي اضافي است كه از چاههاي زمينگرمايي خارج شده و توسط سه واحد قدرت موجود استفاده نميشود. در بالاترين بخش سيكل، يك توربين از نوع بدون كندانسور با ظرفيت 3 مگاوات نيز نصب خواهد شد.
سيال دو فازي از دو واحد جداكننده عبور كرده و بخار جدا شده به سمت توربين بخار هدايت ميشود. بخار مرطوب خروجي توربين، چگاليده شده وسپس در لولههاي كندانسور – اواپراتور خنك ميشود.
فشار بخار خروجي از توربين حدود 03/0 تا 11/0 مگاپاسكال است. توربينها،ژنراتورها و تجهيزات تبادل حرارت روي يك صفحه كه 5 متر از سطح زمين ارتفاع دارد، مستقر شدهاند. به منظور جلوگيري از ريزش برف سنگين زمستاني نيز تمامي تجهيزات در يك مرحله سرپوشيده قرار دارند. از سوي ديگر جهت ممانعت از جمع شدن برف و يخزدگي سطوح تبادل حرارت روي صفحات كندانسورهاي هوايي، اين صفحات رو به بيرون شيب دارند.
فنها و الكتروموتورها در معرض جريان هواي پيش گرم شده قرار دارند تا دچار شوك حرارتي نشوند. تجهيزات الكتروتكنيكي و ساير سيستمهاي كنترل خودكار در يك محفظه مخصوص قرار دارند كه داخل آن نيز توسط هواي گرم، گرم نگه داشته ميشود.
ظرفيت نهايي واحد قدرت 9 مگاوات خواهد بود. نيروگاه دو مداره با ظرفيت اسمي 8/6 مگاوات، طراحي و ساخته خواهد شد. در واقع اين نيروگاه يك مدل نمونه (پايلوت) از مجموعهاي از مدولهاي قدرت دو مداره خواهد بود. در آينده اين مدولهاي قدرت در واحدهاي سيكل تركيبي مرحله دوم توسعه نيروگاه بكار گرفته خواهند شد. علاوه براين مدولهاي مذكور در احداث نيروگاههاي زمينگرمايي دو مداره جديد با ظرفيت 6 و 12 مگاوات نيز بكار خواهند رفت.
در حين طراحي، ساخت و آزمايش واحدهاي قدرت سيكل تركيبي چندين مشكل علمي و فني به شرح زير بوجود آمد:
- انتخاب سيال عامل بهينه (داراي نقطه جوش پايين)
- تعيين حداقل درجه حرارت آبداغ خروجي از سيستم براي جلوگيري از رسوب مواد سيليسي
- انتخاب روش بهينه براي خارج كردن گازهاي غيرقابل ميعان از كندانسور- اواپراتور
- در نظر گرفتن ملاحظات زيستمحيطي براي حذف گاز H2S از محوطه نيروگاه
شرايط آب وهوايي منطقه ماتنوسكي بسيار استثنايي است زيرا از يك سو در نواحي شمالي كره زمين قرار داشته و از سوي ديگر در ارتفاع قابل توجهي از سطح دريا واقع شده است. ميانگين درجه حرارت ساليانه اين منطقه 5/1 درجه سانتيگراد است. درجه حرارت ميانگين آن در يك دوره هشتماهه (از آبان تا خرداد) كمتر از 5 درجه سانتيگراد است. اين درجه حرارت كم هوا به مهندسان طراح سيكل قدرت اجازه ميدهد كه درجه حرارت چگاليده رادر كندانسور تا حدود 10 الي 20 درصد كاهش دهند كه اين موضوع خود سبب افزايش 20 الي 24 درصد قدرت خروجي از نيروگاه در مقايسه با نيروگاههاي زمينگرمايي كه در نواحي بسيار گرم يا معتدل قرار دارند، ميشود.
مزيت ديگر درجه حرارت كم آبداغ خروجي از كندانسور اين است كه بر اثر هر گونه كاهش فشار چاههاي توليدي، نقصان كمي در قدرت خروجي نيروگاه رخ ميدهد.
توليد برق در سيكل تبخير آني نيروگاه ماتنوسكي با مشكلاتي همراه است. به عنوان مثال درتوربينها به حجم نسبتاً زيادي بخار نياز است و ارتفاع پرههاي طبقات آخر توربين نيز زياد است. هر دو عامل مذكور سبب كاهش كارايي سيكل توليد برق ميشوند. از سوي ديگر حذف گازهاي غيرقابل ميعان از كندانسور تحت فشار آب اشباع مستلزم صرف انرژي زيادي است. بنابراين به منظور رفع مشكلات فوق، مهندسان، سيكل تركيبي را پيشنهاد كردند. در واقع اين سيكل، تركيبي از سيكل تبخير آني و سيكل دو مداره است. سيال عامل واحد قدرت داراي نقطه انجماد پايين بوده كاركرد خوب آنرا در فصل زمستان تضمين مي كند. بدين معني كه سيال فوق در هنگام توقف عملكرد نيروگاه يخ نميزند.
واحدهاي سيكل تركيبي مرحله دوم توسعه نيروگاه
همزمان با برنامه توسعه كاربرد انرژي زمينگرمايي در منطقه كامچاتكا، مرحله دوم توسعه نيروگاه به ظرفيت 60 مگاوات نيز آغاز شده است. ساخت مرحله سوم نيروگاه با ظرفيت 100 مگاوات هم برنامهريزي است.
دلايل زير سياستگزاران انرژي را بر آن داشت تا مراحل دوم و سوم توسعه نيروگاه را طراحي و برنامهريزي كنند:
1- داشتن شناخت كافي از منبع زمينگرمايي ماتنوسكي
2- وجود جاده و خط انتقال برق در منطقه
3- تجربيات بدست آمده از عملكرد نيروگاه زمينگرمايي ماتنوسكي
4- وجود برق در محل ساختگاه نيروگاه جهت اجراي سريعتر طرحهاي توسعهاي
بر اساس مطالعات اوليه، مرحله دوم توسعه نيروگاه، شامل دو واحد قدرت از نوع سيكل تركيبي است كه كل مصرف بخار و آبداغ آن به ترتيب معادل 320 و 640 تن بر ساعت است.
در مرحله دوم توسعه نيروگاه، هر واحد قدرت شامل يك توربين بخار (از نوع بدون كندانسور) داراي ظرفيت 12 مگاوات وسه مدول سيكل دو مداره است كه ظرفيت هر يك از مدولها 6 مگاوات است. ظرفيت نهايي واحدهاي سيكل تركيبي حداقل 20 درصد بيش از واحدهاي تبخير آني مرحله اول بوده ودر نتيجه اقتصاديتر هستند.
در خاتمه اين نكته نيز شايان ذكر است كه اگر تمام انرژي الكتريكي مورد نياز منطقه كامچاتكا از منابع زمين گرمايي تامين شود، ساليانه تقريباًً معادل 000/900 تن در مصرف سوختهاي فسيلي صرفهجويي خواهد شد.
