Геотермальные насосы — это специализированные скважинные и технологические агрегаты, предназначенные для подъёма и транспортировки высокотемпературных термальных флюидов с температурой до +180 °C и выше, применяемые на геотермальных электростанциях (ГеоЭС), в системах централизованного теплоснабжения и промышленных теплицах. Геотермальные флюиды содержат агрессивные растворённые соли, хлориды, сероводород и диоксид углерода, что делает к ним требования по материалам принципиально более жёсткими, чем для обычных скважинных насосов. Правильный подбор насоса напрямую определяет ресурс скважины и себестоимость выработки тепловой или электрической энергии.
В разборе: классификация насосного оборудования для геотермальных объектов, технические характеристики, критерии подбора в зависимости от температуры флюида и химического состава рассола, нормативная база. Материал адресован главным инженерам ГеоЭС и котельных на термальных водах, проектировщикам ВЗУ и специалистам энергетических предприятий.
Нужна помощь с подбором оборудования?
Инженеры «Ленгидропром» проведут расчёт и подберут насос под ваши задачи. Ответ в течение 1-2 рабочих дней.
+7 (812) 270-75-74 / +7 (993) 960-64-88
Нормативная база и классификация
Геотермальные скважины и насосное оборудование проектируются согласно СП 31.13330.2021 (водоснабжение), РД 39-0148052-537-87 (эксплуатация геотермальных скважин) и отраслевым стандартам Минэнерго. Классификация геотермальных вод — по ОК 032-2002: теплоэнергетические (15401–15403), промышленные рассольные (1550). Насосное оборудование для скважин с температурой выше +60 °C и минерализацией выше 5 г/л — материалы по NACE MR0175/ISO 15156 при наличии H₂S, ТР ТС 010/2011 по безопасности. Степень защиты погружных двигателей — IP68 по ГОСТ 14254. Для объектов выработки электроэнергии — требования Ростехнадзора и ФЗ-35 «Об электроэнергетике».
Геотермальные насосы: задачи и роль в системе добычи тепловой энергии
Геотермальные ресурсы подразделяются на два принципиально разных класса по температуре: низкоэнтальпийные (до +100 °C) используются напрямую для теплоснабжения и технологического тепла, высокоэнтальпийные (от +100 °C до +280 °C и выше) — для выработки электроэнергии на ГеоЭС. В России основные месторождения высокоэнтальпийных ресурсов расположены на Камчатке (Мутновское, Паужетка, Налычевское) и Курильских островах. Низкоэнтальпийные геотермальные воды эксплуатируются в Краснодарском крае, Дагестане, Калмыкии, Западной Сибири — там термальные воды с температурой +50–95 °C закачиваются в теплообменники систем централизованного теплоснабжения.
Ключевая особенность геотермальных флюидов — агрессивный химический состав: хлориды до 40 000 мг/л, сульфаты, растворённый CO₂ (до 3 000 мг/л), H₂S (до 10 мг/л), силикаты и тяжёлые металлы. Эта комбинация при температурах выше +60 °C вызывает ускоренную питтинговую коррозию, хлоридное стресс-коррозионное растрескивание (SCC) и интенсивное солеотложение (скейлинг) в проточной части. Обычные чугунные или углеродисто-стальные насосы в таких условиях выходят из строя за 2–6 месяцев. Геотермальный насос конструктивно отличается материалом (дуплекс 2205, AISI 316L, титановые сплавы), специальным охлаждением двигателя, высокотемпературными уплотнениями и антискейлинговым покрытием рабочих органов.
Насосное оборудование на геотермальных объектах выполняет несколько задач: подъём флюида из производственной скважины на поверхность (производственный насос, PP), транспортировка через теплообменник к потребителю, закачка охлаждённого рассола обратно в пласт (насос обратного нагнетания, BRIP), циркуляция охлаждающей воды в конденсаторе (CWP). Каждая из этих задач требует насоса с разными рабочими параметрами и материалами. Цена ошибки при подборе — незапланированный останов скважины и потеря тепловой мощности объекта.
Типы насосов для геотермальных объектов
Насосы для геотермальной энергетики классифицируются по позиции в технологической схеме и конструктивному исполнению. Выбор типа определяется температурой флюида, дебитом скважины, динамическим уровнем и требованиями к давлению нагнетания. Для каждой позиции (добычная скважина, закачная скважина, контур охлаждения) применяются принципиально разные конструкции.
| Тип насоса | Позиция в схеме | Температура флюида | Конструкция |
|---|---|---|---|
| Производственный (PP) | Добычная скважина — подъём флюида | до +180 °C | Вертикальный колонный (VTP) или высокотемпературный ESP |
| Насос обратного нагнетания (BRIP) | Закачка рассола обратно в пласт | +40 °C — +90 °C | Горизонтальный секционный, API 610 BB3/BB2 |
| Конденсатный возвратный (CRIP) | Закачка конденсата на ГеоЭС сухого пара | до +60 °C | Горизонтальный многоступенчатый |
| Охлаждающей воды (CWP) | Контур охлаждения конденсатора турбины | до +40 °C | Горизонтальный одноступенчатый, нерж. исполнение |
| Сетевой геотермальный | Распределение тепла в сети теплоснабжения | до +130 °C | Вертикальный или горизонтальный циркуляционный |
Наиболее сложными с точки зрения материалов и конструкции являются производственные насосы для добычных скважин и насосы обратного нагнетания рассола. Ниже — детали ключевых типов.
Вертикальный колонный (VTP/Lineshaft)
Вертикальный турбинный насос с трансмиссионным валом в колонне труб и двигателем над скважиной. Оптимален для добычных геотермальных скважин с температурой воды выше +60 °C — двигатель не контактирует с горячим флюидом. Насос Sulzer SJT (Geo) — типовое решение для данного применения.
- Подача: 20–1 000 м³/ч
- Напор: до 600 м
- Температура флюида: до +180 °C
- Материал: дуплекс 2205 / AISI 316L
- Глубина скважины: до 650 м
Высокотемпературный погружной (ESP-HT)
Электроцентробежный насос с погружным двигателем в специальном высокотемпературном исполнении (класс изоляции H, 180 °C). Применяется в скважинах глубже 650 м, где вертикальный вал нецелесообразен. Двигатель охлаждается принудительно через моторную рубашку.
- Подача: 5–200 м³/ч
- Напор: до 500 м
- Температура флюида: до +150 °C (с кожухом охл.)
- Диаметр: 6″–10″
- Уплотнения: PTFE / карбид кремния
Насос обратного нагнетания рассола (BRIP)
Горизонтальный многоступенчатый насос для высокого давления — закачивает охлаждённый геотермальный рассол обратно в пласт. Обязателен для замкнутых систем ГеоЭС и экологически чистого использования ресурсов без сброса рассола на поверхность. Конструкция типа BB3 по API 610.
- Подача: 50–800 м³/ч
- Давление нагнетания: до 160 бар
- Температура: +40–90 °C
- Хлориды: до 40 000 мг/л
- Стандарт: API 610 / ISO 13709
Сетевой геотермальный насос
Циркуляционный насос для систем централизованного теплоснабжения на термальных водах. Перекачивает геотермальный теплоноситель (или рабочую жидкость контура) между скважиной, теплообменником и потребителями. Рабочая температура до +130 °C требует высокотемпературного исполнения торцевых уплотнений.
- Подача: 30–2 000 м³/ч
- Напор: до 120 м
- Температура: до +130 °C
- Материал: AISI 316L / дуплекс 2205
Технические характеристики геотермальных насосов
| Параметр | Значение (диапазон) |
|---|---|
| Производительность (Q) | от 5 до 1 000 м³/ч (в зависимости от типа насоса и мощности скважины) |
| Напор (H) | до 600 м (добычной вертикальный колонный) / до 160 бар давления (насосы нагнетания) |
| Температура флюида | до +180 °C (вертикальный колонный) / до +150 °C (ESP в специсполнении) / до +130 °C (сетевой) |
| Минерализация флюида | от 1 г/л до 40 г/л (рассолы) в зависимости от месторождения |
| Допустимая концентрация хлоридов | до 40 000 мг/л (дуплекс 2205) / до 100 000 мг/л (супердуплекс 2507) |
| Допустимое содержание H₂S | до 10 мг/л при соответствии NACE MR0175/ISO 15156 |
| Материалы проточной части | AISI 316L (07Х16Н15М3), дуплекс 2205, супердуплекс 2507, титановые сплавы Grade 5 |
| Тип уплотнений | Двойные торцевые по API 682, материал SiC/SiC или SiC/WC; кольца PTFE или PEEK для высоких температур |
| Класс изоляции двигателя (ESP) | H (180 °C) — стандарт для геотермального ESP; 200 °C в специсполнении |
| Стандарт насосов нагнетания | API 610 (ISO 13709) — типы BB2, BB3 для горизонтальных насосов |
| Глубина скважины (VTP) | до 650 м (вертикальный колонный) / до 2 500 м (ESP-HT) |
| Степень защиты двигателя (ESP) | IP68, непрерывное погружение |
Конструктивные особенности геотермального насоса
Вертикальный колонный насос (VTP, Vertical Turbine Pump, или Lineshaft Pump) — основное решение для добычных скважин с температурой выше +60 °C. Принципиальное преимущество этой конструкции: электродвигатель расположен над устьем скважины, на поверхности, и не контактирует с горячим агрессивным флюидом. Вал насоса, расположенный внутри колонной трубы, передаёт крутящий момент от двигателя к рабочим колёсам на глубине. Подшипники трансмиссионного вала смазываются перекачиваемым флюидом или промышленной водой через отдельную систему смазки. Модульная конструкция позволяет наращивать насос секциями для различных глубин: от 50 до 650 м. На глубинах свыше 650 м вертикальный вал становится экономически нецелесообразным — в этих случаях переходят на высокотемпературный погружной ESP.
Высокотемпературный погружной насос (ESP-HT) для геотермальных скважин отличается от стандартного ЭЦВ несколькими ключевыми элементами. Изоляция обмотки двигателя выполняется в классе H (рабочая температура 180 °C) вместо стандартного класса F (155 °C). Обязательна принудительная охлаждающая рубашка вокруг двигателя — кожух-протектор, направляющий восходящий поток флюида вдоль двигателя со скоростью не менее 0,3–0,5 м/с. Уплотнительные элементы (кольца, манжеты) выполняются из PTFE или PEEK вместо обычного NBR или EPDM. Подшипники скольжения — из карбида кремния (SiC) или карбида вольфрама (WC), способных работать при температурах флюида до +150 °C без потери несущей способности.
Критичная проблема геотермальных насосов — солеотложение (скейлинг): при снижении давления и температуры флюида в проточной части выпадают карбонат кальция (CaCO₃), сульфат бария (BaSO₄) и кремниевая кислота (SiO₂). Интенсивность осадкообразования зависит от химии конкретного источника, но при содержании кремния более 300 мг/л и pH выше 7,5 блокировка рабочих колёс может произойти за 2–4 недели без обработки. Для борьбы со скейлингом применяют дозирование ингибиторов перед входом в насос, кислотную промывку рабочих органов и применение насосов с увеличенными зазорами и сменными рабочими колёсами.
Типичная ошибка: установка стандартного ЭЦВ в геотермальную скважину
На одном из теплоснабжающих предприятий Краснодарского края для добычи термальной воды (+82 °C, минерализация 14 г/л, хлориды 3 800 мг/л) был установлен серийный насос ЭЦВ 8-40-90 в исполнении AISI 316 с двигателем класса изоляции F. Уже через 4 месяца эксплуатации двигатель отказал из-за перегрева обмоток: температура флюида превысила допустимую для класса F (155 °C с учётом перегрева внутри двигателя). Параллельно рабочие колёса покрылись карбонатным осадком толщиной 5–8 мм. Правильным решением являлся вертикальный колонный насос с двигателем над устьем скважины — он позволил бы полностью исключить воздействие температуры флюида на двигатель и обеспечил бы доступ к рабочим органам для промывки без подъёма агрегата из скважины.
Как выбрать геотермальный насос под конкретный объект
Подбор насоса для геотермального объекта начинается с анализа химического состава флюида и термодинамических параметров скважины. Эти данные определяют и конструкцию насоса, и материал, и схему борьбы с солеотложением — без них выдать обоснованное КП невозможно.
- Определить температуру флюида на динамическом уровне скважины. При температуре до +60 °C допустим высокотемпературный погружной насос с классом изоляции H. При +60–180 °C стандартное решение — вертикальный колонный насос (VTP). При температуре выше +100 °C необходима тщательная проверка давления насыщенного пара флюида: если давление в приёмной части насоса окажется ниже давления насыщения, начнётся вскипание флюида и кавитация.
- Провести химический анализ флюида. Обязательные параметры: pH, хлориды (мг/л), сульфаты, сероводород (H₂S), содержание CO₂, кремния (SiO₂), кальция, бария, минерализация (г/л). По хлоридам и температуре подбирается марка стали: до 1 500 мг/л при +60 °C — AISI 316L; выше 1 500 мг/л или температура свыше +60 °C — дуплекс 2205; рассолы выше 15 000 мг/л и температура выше +80 °C — супердуплекс 2507. При H₂S выше 0,05 мг/л — требования NACE MR0175/ISO 15156.
- Рассчитать дебит скважины и рабочую точку насоса. Дебит скважины (Q, м³/ч) устанавливается гидродинамическими испытаниями. Рабочий напор H включает глубину подъёма флюида, потери в наземной обвязке и требуемое давление на выходе (перед теплообменником или в сети теплоснабжения). Для насосов нагнетания (BRIP) давление закачки определяется давлением на устье нагнетательной скважины и потерями в трассе.
- Оценить интенсивность скейлинга и выбрать стратегию борьбы. По содержанию кальция, бикарбонатов и кремния рассчитывается индекс насыщения по методу Langelier (LSI) и индекс Ризнера. При LSI > 0 флюид склонен к карбонатным отложениям. Высокое содержание SiO₂ (более 300 мг/л) требует ингибирования или кислотной промывки по регламенту. Тип насоса выбирается с учётом удобства технического обслуживания: для VTP рабочие органы легко промываются без подъёма из скважины.
- Определить глубину скважины и конструкцию обсадной колонны. Глубина залегания зеркала флюида (динамический уровень) определяет выбор между VTP (до 650 м) и ESP (свыше 650 м). Внутренний диаметр обсадной колонны задаёт допустимый диаметр насоса. Для VTP ограничений по диаметру меньше — насос устанавливается в скважину без перфорированного корпуса двигателя.
- Проверить требования к автоматике и резервированию. Геотермальные насосы на производственных объектах работают в непрерывном режиме 8 000+ часов в год. Обязательна защита от «сухого хода», от перегрева двигателя (встроенные термодатчики PT100), частотное регулирование (ЧРП) для оптимизации режима скважины. Резервный агрегат предусматривается в соответствии с категорией надёжности объекта.
Пример из практики: подбор насоса для геотермальной котельной
Объект — геотермальная котельная в Дагестане, температура флюида +74 °C, минерализация 18,3 г/л, хлориды 6 200 мг/л, pH 6,9, H₂S — не обнаружен, SiO₂ — 180 мг/л, дебит скважины 85 м³/ч, динамический уровень 95 м. Расчётный напор с учётом трассы и теплообменника — 140 м. С учётом хлоридов 6 200 мг/л и температуры +74 °C AISI 316L не подходит (хлоридное SCC при температуре выше +60 °C). Подобран вертикальный колонный насос из дуплексной стали 2205, Q = 90 м³/ч, H = 145 м, с двигателем 45 кВт над устьем. Содержание SiO₂ 180 мг/л — умеренное, регламент промывки раз в 6 месяцев 2% раствором соляной кислоты. Итог: межремонтный пробег 3+ года против 4–6 месяцев у предыдущего стандартного насоса в нержавеющем исполнении AISI 316.
Для оформления запроса на КП необходимы: химический анализ геотермального флюида, данные скважинного паспорта (глубина, диаметр обсадной трубы, динамический уровень), дебит скважины, требуемые Q и H, данные наземной технологической схемы (теплообменник, трасса, насосная обвязка), напряжение питания и требования к автоматике.
Сертификация и документация для геотермального оборудования
Насосное оборудование для геотермальных объектов поставляется с обязательным комплектом документов по ТР ТС 010/2011. Для объектов с категорией опасности (скважины с H₂S, объекты под надзором Ростехнадзора) требуется регистрация в Ростехнадзоре и паспорт технического устройства с отметкой об освидетельствовании. Насосы нагнетания высокого давления (BRIP), работающие при давлении выше 16 бар, относятся к сосудам и оборудованию под давлением — требуется ТР ТС 032/2013 и регистрация в РТН.
Для объектов геотермальной энергетики с лицензией на недропользование (Закон «О недрах») насосное оборудование включается в проектную документацию, проходящую государственную экспертизу. Заводские приёмочные испытания (FAT) на соответствие заявленным характеристикам Q-H-η проводятся на стенде завода-изготовителя в присутствии представителя заказчика или аккредитованного органа. Материальный сертификат на дуплексные стали (EN 10204 3.1 или 3.2) входит в обязательный комплект поставки для ответственного геотермального оборудования.
Стандартный пакет документов при поставке
Паспорт изделия с заводским номером, декларация соответствия ТР ТС 010/2011, для оборудования под давлением — ТР ТС 032/2013, материальный сертификат EN 10204 3.1/3.2 на сталь проточной части, протокол заводских испытаний (FAT) с кривыми Q-H-η, расчёт NPSHr (требуемый кавитационный запас), инструкция по монтажу и эксплуатации, ведомость ЗИП, гарантийный талон.
Сертификаты и авторизации
ООО «ЛЕНГИДРОПРОМ» — официальный дилер ведущих производителей скважинных и промышленных насосов для высокотемпературных и геотермальных применений.
Часто задаваемые вопросы
Чем геотермальный насос отличается от обычного скважинного насоса ЭЦВ?
До какой температуры флюида может работать погружной насос ESP в геотермальной скважине?
Что такое скейлинг и как с ним бороться в геотермальных насосах?
Какую марку стали выбрать для геотермального насоса с хлоридами 5 000 мг/л и температурой +80 °C?
Нужен ли для геотермального насоса насос обратного нагнетания рассола (BRIP)?
Как работает геотермальная электростанция (ГеоЭС) и какие насосы в ней применяются?
Каков ресурс геотермального насоса и как его увеличить?
Что делать при наличии H₂S в геотермальном флюиде?
Каков срок поставки геотермального насоса?
Какие данные нужны для расчёта и формирования КП на геотермальный насос?
Работаете ли по 44-ФЗ, 223-ФЗ на поставку геотермального оборудования?
Какие документы прилагаются к геотермальному насосу при поставке?
Нужна помощь с подбором оборудования?
Инженеры «Ленгидропром» проведут расчёт и подберут насос под ваши задачи. Ответ в течение 1-2 рабочих дней.
+7 (812) 270-75-74 / +7 (993) 960-64-88