70 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Электростанции бинарного типа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Наименование института ЭНИН

Наименование специальности Теплоэнергетика и теплотехника

Наименование выпускающей АТЭС

Индивидуальное домашнее задание №9

Расчет тепловой схемы геотермальной

электростанции бинарного типа

Исполнители, студент группы 5Б1В ________ ________ Опарин А.О.

Руководитель ________ ________ Матвеева А.А.

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной

электростанции бинарного типа

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

· первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность – .

· вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испаряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая мощность – .

Вода из геотермальных скважин с давлением температурой и расходом поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идёт в испаритель, где охлаждается на и закачивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке ºС. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой . Нагрев воды в конденсаторе ºС, а недогрев до температуры насыщения ºС.

Относительные внутренние КПД турбин . Электромеханический КПД турбогенераторов .

Определить:

· оптимальное давление геотермальной воды в расширителе из условия получения максимальной мощности пароводяной турбины;

· электрические мощности турбин и суммарную мощность ГеоТЭС с учетом затрат энергии на насос, закачивающий геотермальную воду в скважину;

· расходы рабочих тел на обе турбины;

Таблица 1 — Исходные данные для задачи

Вариант

1 – скважина 5 – питательный насос

2 – расширитель 6 – испаритель

3 – турбина 7 – насос

4 – конденсатор 8 – генератор

Рисунок 1 – Принципиальная схема геотермальной электростанции бинарного типа

1. Оптимальное давление геотермальной воды в расширителе .

1) Построим процесс расширения и определим энтальпии для паровой турбины:

Рис. 2. Процесс расширения пара в h-s диаграмме.

Температура определится, как:

По температуре определим конечное давление:

Зададимся некоторым давлением воды в расширителе :

Энтальпия воды из скважины:

2) Уравнения теплового и материального баланса для расширителя.

Где — расход пара на паровую турбину, — расход в испаритель.

3) Определим мощность паровой турбины:

4) Для нахождения оптимального давления в расширителе из условия максимальной мощности паровой турбины проведем аналогичные расчеты пунктов с 1 по 3 для пяти точек из следующего диапазона давлений:

от до

Результаты вычислений в таблице 1:

Таблица 1. Результаты вариантных расчетов:

, МПа0,0020,200,250,350,47
, кДж/кг
, кДж/кг
, кДж/кг
, кг/с
, кВт

По полученным значениям построить график зависимости мощности паровой турбины от выбранного давления в расширителе:

Рр, МПа

Рис. 3. График зависимости мощности паровой турбины от давления РР.

Из графика определяем, что при .

Расходы рабочих тел.

1) Определим параметры:

· Температура на входе в испаритель:

(при h р вых)

· Температура воды на выходе из испарителя:

· Энтальпия на выходе из испарителя:

2) Построим процесс расширения в хладоновой турбине и определим энтальпии:

· Точку 0 определим при температуре

· Точку kt определим из условия адиабатного расширения паров хладона в турбине на пересечении изотермы и адиабаты

· Точку k’ находим на линии насыщения (х=0) при температуре

Рис. 4. Термодинамическая диаграмма i-lgP хладагента R11

Энтальпии:

Давления:

3)Запишем уравнение теплового баланса для испарителя.

Где — расход пара на хладоновую турбину , — расход в испаритель.

Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Произведем расчет тепловой схемы геотермальной электростанции бинарного типа, согласно [8].

Наша геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

— первая работает на насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность — ;

— вторая работает на насыщенном паре хладона R11, который испаряется за счет тепла воды, отводимый из расширителя.

Вода из геотермальных скважин с давлением pгв температурой tгв поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с давлением pp. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идет в испаритель, где охлаждается на и заканчивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке = 20°С. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой tхв. Нагрев воды в конденсаторе = 10°С, а недогрев до температуры насыщения = 5°С.

Относительные внутренние КПД турбин . Электромеханический КПД турбогенераторов = 0,95.

Исходные данные приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1. Исходные данные для расчета ГеоЭС

Принципиальная схема ГеоЭС бинарного типа (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальная схема ГеоЭС.

Согласно схеме на рис. 3.2 и исходным данным проводим расчеты.

Расчет схемы паровой турбины, работающей на сухом насыщенном водяном паре

Температура пара при входе в конденсатор турбины:

где — температура охлаждающей воды на входе в конденсатор; — нагрев воды в конденсаторе; — температурный напор в конденсаторе.

Давление пара в конденсаторе турбины определяется по таблицам свойств воды и водяного пара [9]:

Располагаемый теплоперепад на турбину [9]:

где — энтальпия сухого насыщенного пара на входе в турбину; — энтальпия в конце теоретического процесса расширения пара в турбине.

Расход пара из расширителя на паровую турбину:

где — относительный внутренний КПД паровой турбины; — электромеханический КПД турбогенераторов.

Расчет расширителя геотермальной воды

Уравнение теплового баланса расширителя

где — расход геотермальной воды из скважины; — энтальпия геотермальной воды из скважины; — расход воды из расширителя в испаритель; — энтальпия геотермальной воды на выходе из расширителя. Определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как энтальпия кипящей воды.

Уравнение материального баланса расширителя

Решая совместно эти два уравнения необходимо определить и .

Температура геотермальной воды на выходе из расширителя определяется по таблицам свойств воды и водяного пара как температура насыщения при давлении в расширителе:

Определение параметров в характерных точках тепловой схемы турбины, работающей в хладоне

Температура паров хладона на входе в турбину:

Температура паров хладона на выходе из турбины:

Энтальпия паров хладона на входе в турбину определяется по p-h диаграмме для хладона на линии насыщения при :

Энтальпия паров хладона на выходе из турбины определяется по p-h диаграмме для хладона на пересечении линий и линии температуры :

Энтальпия кипящего хладона на выходе из конденсатора определяется по p-h диаграмме для хладона на кривой для кипящей жидкости по температуре :

Температура геотермальной воды на выходе из испарителя:

Уравнение теплового баланса испарителя:

где — теплоемкость воды. Принять =4,2 кДж/кг.

Из этого уравнения необходимо определить .

Расчет мощности турбины, работающей на хладоне

где — относительный внутренний КПД хладоновой турбины; — электромеханический КПД турбогенераторов.

Определение мощности насоса для закачки геотермальной воды в скважину

где — КПД насоса, принимается 0,8; — средний удельный объем геотермальной воды [9].

Задача № 3. Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расшири-

теле. Электрическая мощность – NэПТ = 3 МВт ;

вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испа-

ряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая

мощность — NэХТ , МВт .

Вода из геотермальных скважин с температурой tгв = 175 °С посту-

пает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с

18

Qпр 24 ⋅ Qт.сн
Е ⋅çпр осв пр осв
⋅ô
Е ⋅ç
⋅ô

температурой на 25 градусов меньше tгв . Этот пар направляется в пер-

вую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идёт в испаритель, где

охлаждается на 60 градусов и закачивается обратно в скважину. Недог-

рев в испарительной установке – 20 градусов. Рабочие тела расширяют-

ся в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из

реки с температурой tхв = 5 °С . Нагрев воды в конденсаторе составляет

10 ºС, а недогрев до температуры насыщения 5 ºС.

Относительные внутренние КПД турбин çоi = 0,8 . Электромехани-

ческий КПД турбогенераторов çэм = 0,95 .

электрическая мощность турбины, работающей на хладоне – NэХТ и

суммарную мощность ГеоТЭС;

расходы рабочих тел на обе турбины;

расход воды из скважины;

Исходные данные взять из таблицы 3 по вариантам.

19

Исходные данные для задачи № 3

20

ВариантNэПТ, МВто tгв, СХладоно tхв, С
R114
R114
2,5R114
R114
3,5R114
3,0R114
2,5R114
R114
1,5R114
3,0R114
2,5R114
R114
1,5R114
R114
2,5R114
R114
2,5R114
R114
3,5R114
3,2R114
3,0R114
R114
1,6R114
2,2R114
2,5R114
3,5R114
2,9R114
3,5R114
3,4R114
3,2R114

1. Изобразим принципиальную схему геотермальной станции (рис. 1).

Рис.1 Принципиальная схема геотермальной станции.

2. Определим температуры в характерных точках:

ПТ

25 175 25 150о ГВt С− = − = °
Читать еще:  Газовый котел Оазис NZR
t=

3. Определяем энтальпии в характерных точках:

2

По таблице воды и водяного пара
энтальпия сухого насыщен- ного пара воды на входе в турбину по температуре ПТ = 150°СПТ = 2745.9 кДж кг
энтальпия (теоретическая) на выходе из турбины (находим из условия адиабатного рас- ширения паров воды в тур- бине) при температуре ПТ = 20°CПТ hкt = 2001.3 кДж кг
энтальпия воды на выходе из конденсатора при температу- ПТ ре = 20°CПТ ′ = 83,92 кДж кг
энтальпия воды на выходе из геотермальной скважины при температуре t ГВ = 175°СhГВ = t ГВс р = 175 ⋅ 4,19 = 733,25кДж / кг
энтальпия воды перед испа- рителем находим по темпера- ПТ туре = 150°Сhр = 632.25 кДж кг
энтальпия воды на выходе из испарителя находим по тем- выхИ пературе tгв = 90°СвыхИ hгв = 376.97кДж / кг
По диаграмме lgP-h для хладона R11
энтальпия сухого насыщен- ного пара хладона перед тур- биной при температуре ХТ = 130°СХТ = 447,9кДж / кг
tк хв + 5 + 10 = 5 + 5 + 10 = 20°C
= t
tгв ГВ − 25 − 60 = 175 − 25 − 60 = 90°С
= t
tо ГВ − 25 − 20 = 175 − 25 − 20 = 130°С
= t
tк хв + 5 + 10 = 5 + 5 + 10 = 20°C
= t

4. Рассчитываем располагаемый теплоперепад в турбине:

5. Находим действительный теплоперепад в турбине:

6. Расход пара (воды из геотермальной скважины) на водяную

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ. РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ

Практическое занятие № 6

Цель: ознакомиться с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО), а также с методикой их расчета.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО.

2. В соответствии с индивидуальным заданием решить практические задачи.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Использование тепловой энергии океана

Технология преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) позволяет создавать электричество за счет разницы температур между теплой и холодной океанской водой. Холодная вода перекачивается через трубу с глубины более 1000 метров (из места, куда солнечные лучи никогда не попадают). Система также использует и теплую воду из области, близкой к поверхности океана. Нагретая солнечными лучами вода проходит через теплообменник с химическими веществами с низкой температурой кипения, например аммиаком, что создает химический пар, приводящий в движение турбины электрогенераторов. Затем пар конденсируется обратно в жидкую форму при помощи охлажденной воды из глубин океана. Тропические регионы считаются наиболее удачным местом для размещения систем ПТЭО. Это обусловлено большей разностью температур между водой на мелководье и на глубине.

В отличие от ветровых и солнечных ферм, океаническая ТЭС может производить экологически чистую электроэнергию круглосуточно, 365 дней в году. Единственным побочным продуктом таких энергоблоков является холодная вода, которая может использоваться для охлаждения и кондиционирования воздуха в административных и жилых зданиях рядом с энергогенерирующим объектом.

Использование геотермальной энергии

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300-350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·10 12 Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840000000000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

· Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;

· Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задача 1. Определить начальную температуру t2 и количество геотермальной энергии Еo (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность ргр = 2700 кг/ м 3 ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость Сгр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.

Среднюю температуру поверхности to принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды Св = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ= 1·10 3 кг/м 3 . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км 2 . Минимально допустимую температуру пласта принять равной t1 =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τo(лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м 3 /(с·км 2 ). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz)τ=0 и через 10 лет (dE/dz)τ=10?

Задача 1 посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру — скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры ргр =2700 кг/м 3 , а коэффициент теплопроводности λгр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км .

Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м 2 . Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.

В полутермальныхрайонах температурный градиент равен 40-80 °С/км. Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.

В гипертермальныхрайонах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км . Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

где Тo — температура на поверхности Земли, К (° С ).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности F.

Теплоемкость пласта Спл (Дж/К) можно определить по уравнению

где рв и Св— соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость

ргр и Сгр — плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно ргр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

Постоянную времени пласта τ (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м 3 /с) можно определить по уравнению:

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

где τ — число лет с начала эксплуатации;

е — основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

Величины и единицы их измеренияВарианты заданий
h, км0,60,70,80,91,00,90,80,70,60,5
z, км2,53,03,54,03,53,02,53,5
(dT/dz), °C/км

Задача 2 Считается, что действительный КПД η океанической ТЭС, использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (T1-T2)= ∆T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, ηt k . Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t, °С, а температура воды на глубине океана t2, °С. Какой расход теплой воды V, m/ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт ?

Считать, что плотность воды ρ= 1·10 3 кг/м 3 , а удельная массовая теплоемкость Сp = 4,2·10 3 Дж/(кг-К).

Задача 2 посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур (∆T=15÷26 o C ) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5-9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы «теплой» и «холодной» воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.

Если считать теплообменники (испаритель и конденсатор) идеальными, то тепловую мощность, полученную от теплой воды Qo (Вт) можно представить как

Читать еще:  Индукционное отопление своими руками

где р — плотность морской воды, кг/м 3 ;

Ср — массовая теплоемкость морской воды, Дж/(кг · К);

V — объемный расход воды, м 3 /с ;

∆T = T1-T2 — разность температур поверхностных и глубинных вод

(температурный перепад цикла) в °С или К.

В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N (Вт) может быть определена как

или с учетом (1) и выражения для термического КПД цикла Карно ηt k :

Величины и единицы их измеренияВарианты заданий
N ,МВт
t1 , o C
t2 ,° C

Задача 3 Двухконтурная пароводяная геотермальная электростанция с электрической мощностью N получает теплоту от воды из геотермальных скважин с температурой tгс. Сухой насыщенный пар на выходе из парогенератора имеет температуру на 20 0 С ниже, чем tгс. Пар расширяется в турбине и поступает в конденсатор, где охлаждается водой из окружающей среды с температурой tхв. Охлаждающая вода нагревается в конденсаторе на 12 0 С. Конденсат имеет температуру на 20 0 С выше, чем tхв. Геотермальная вода выходит из парогенерирующей установки с температурой на 15 0 С выше, чем конденсат. Относительный внутренний коэффициент турбины ηоі, электрический КПД турбогенератора ηэ=0,96. Определить термический КПД цикла Ренкина, расход пара и удельный расход теплоты, расходы воды из геотермальных скважин и из окружающей среды.

В одноконтурной паротурбинной ГеоТЭУ энтальпия сухого насыщенного пара после сепарации определяется по температуре геотермальной воды tгв. Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара или h-s диаграммы. В случае двухконтурной ГеоТЭУ учитывается перепад температур в парогенераторе Δt. В остальном расчет ведется как и для солнечной паротурбинной ТЭС.

Расход пара определяется из соотношения

кг/с,

где ηt – термический КПД цикла,

ηоі – Относительный внутренний КПД турбины,

ηэ –электрический КПД турбогенератора,

N – мощность ГеоТЭУ, кВт,

Расход горячей воды из геотермальных скважин определяется из формулы

, кг/с,

расход холодной воды из окружающей среды на конденсацию пара

, кг/с,

где с = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды,

ηпг – КПД парогенератора,

Δtпг – перепад температур геотермальной воды в парогенераторе, 0 С,

Δtхв – перепад температур холодной воды в конденсаторе, 0 С.

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h-s диаграмм паров этих жидкостей.

Величины и единицы их измеренияВарианты заданий
N, МВт
tхв., 0 С
tхв., 0 С
ηoi, %

Дата добавления: 2014-11-29 ; Просмотров: 3895 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

1.7.2. Технологические схемы геотермальных электростанций

Как уже отмечалось, ГеоЭС целесообразно сооружать, если температура геотермального флюида не ниже 100 °С. Высокотемпературные геотермальные ресурсы ограничены и в основном встречаются в местах молодого вулканизма и разломов земной коры. Обычно такие ресурсы представлены парогидротермами, представляющими собой насыщенный пар с той или иной степенью сухости. Возможны различные методы использования парогидротерм в технологических схемах ГеоЭС.

1. Пар, содержащийся в высокотемпературном флюиде, отделяют в сепараторе от жидкой фазы и направляют в паровую турбину, а жидкость закачивают обратно в пласт. Для более полного использования энергии первичного флюида целесообразно отсепарировапную жидкую фазу дросселировать до более низкого давления, за счет чего образуется еще некоторое количество пара, который может быть направлен в промежуточную ступень турбины. Это метод используют на большинстве ГеоЭС.

  • 2. Первичный флюид используют для нагрева и испарения рабочего агента, циркулирующего во вторичном контуре бинарной ГеоЭС.
  • 3. Отработанный в турбине пар и жидкий сепарат используют для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента, циркулирующего в низкотемпературном контуре в цикле Ренкина.

На рис. 1.24 приведены принципиальные тепловые схемы ГеоЭС, которые зависят от качества геотермального теплоносителя (температуры, паросодержания, минерализации и т.п.).

В схеме на рис. 1.24, а сухой пар из скважин после отделения в сепараторе твердых включений направляется непосредственно в турбину, оттуда в конденсатор поверхностного типа. Охлажденный конденсат закачивается обратно в пласт.

В схеме на рис. 1.24, 6 пароводяная смесь поступает в сепаратор- расширитель, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а отделенная жидкость и конденсат из конденсатора закачиваются обратно в пласт.

В бинарном (двухконтурном) цикле (рис. 1.24, в) геотермальный теплоноситель передает теплоту в промежуточных теплообменниках другому рабочему телу. Бинарный цикл имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся:

  • • более полное использование теплоты рассола и закачка его в пласт с меньшей температурой;
  • • возможность использования геотермальных ресурсов с пониженной температурой для выработки электроэнергии;

Рис. 1.24. Тепловые схемы ГеоЭС:

а — схема ГеоЭС, работающей на сухом паре с конденсатором поверхностного типа; 6 — схема ГеоЭС, работающей на пароводяной смеси с одноступенчатым расширителем; в — схема ГеоЭС с бинарным циклом на низкокипящем рабочем агенте; I — геотермальная скважина; 2 — расширитель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; б — нагнетательный насос; 7 — циркуляционный насос второго контура; 8 — блок теплообменников для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента

  • • агрессивные компоненты геотермального теплоносителя не попадают в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;
  • • сопутствующие вредные газы не попадают в окружающую среду.

Недостатком бинарного цикла является усложнение схемы и некоторая потеря температурного (обычно и без того достаточно низкого) потенциала, поскольку для передачи тепла от флюида к рабочему телу необходима разность температур. Нижняя температура цикла в этом случае ограничена возможностью выпадения из флюида по мере его охлаждения растворенных в нем солей [68].

На рис. 1.25 приведена тепловая схема ГеоЭС с тремя расширителями. Использование расширителей усложняет схему, обусловливает необходимость использования трех паровпусков в турбину, по позволяет существенно повысить выработку электроэнергии на единицу массы рассола, поднимаемого из скважины. Прирост мощности ГеоЭС с двумя ступенями расширения по сравнению с ГеоЭС с одной ступенью достигает 20 %, а для ГеоЭС с тремя ступенями — 27 % [72].

Идея применения неводяных паров в качестве рабочих тел теплосиловых установок для выработки электроэнергии впервые была реализована в России. В 1965 г. была изготовлена фреоновая энергетическая установка УЭФ-90/05 мощностью 750 кВт для выработки электроэнергии. Греющей средой для установки служила геотермальная вода с температурой 80 °С Средне-Паратунского месторождения. В течение 1967—1974 гг. на Камчатке в лаборатории натурных испытаний Института теплофизики СО АН СССР проводились экс-

Рис. 1.25. Принципиальная тепловая схема ГеоЭС с расширителями в качестве паро- генерирующих устройств:

1 — геотермальная добычная скважина; 2 — дегазатор I ступени; 3 —дегазатор II ступени; 4 — отделитель шлама; 5 — расширитель I ступени; 6 — расширитель II ступени; 7 — расширитель III ступени; 8 — турбина; 9 — генератор; 10 — конденсатор; 11 — насосы плуатационные исследования, подтвердившие надежную работу энергоустановки. Успешные испытания по использованию низко- кипящего вещества на Паратунской ГеоЭС расширили область эффективного преобразования тепловой энергии низкого потенциала в электрическую, позволили повысить глубину использования теплоты энергоресурсов [51].

Технологическая схема Паратунской ГеоЭС (рис. 1.26) позволяет реализовать цикл Ренкина, который совершается низкокипящим рабочим телом (хладон Я12) в закрытом теплосиловом контуре, в котором за счет тепла термальной воды образуется пар заданных параметров. В соответствии со схемой жидкий фреон питательным насосом подается последовательно в три подогревателя, испаритель и пароперегреватель поверхностного типа. После пароперегревателя фреоновый пар давлением 1,4 МПа и температурой 75 °С направляется в турбину, где расширяется до конечного давления 0,5 МПа и при температуре 15 °С конденсируется в поверхностном конденсаторе. Жидкий фреон поступает через промежуточный ресивер к питательным насосам и цикл повторяется.

На рис. 1.27 приведена тепловая схема предполагаемого IV энергетического блока мощностью 6,5 МВт с комбинированным циклом для опытно-промышленной Верхне-Мутновской ГеоЭС, па которой успешно работают три энергетических блока с традиционным циклом на геотермальном паре мощностью 4 МВт(э) каждый [50].

Рис. 1.26. Схема Паратунской бинарной ГеоЭС:

1 — пароперегреватель; 2 — испаритель; 3 — подогреватели низкокипящсго рабочего агента; 4 — питательный насос; 5 — ресивер; 6 — конденсаторы; 7 — турбина; 8 — генератор; 9 — вход горячей термальной воды; 10 — вход охлаждающей воды

Рис. 1.27. Принципиальная тепловая схема комбинированной геотермальной электростанции с бинарным циклом для Верхне-Мутновской ГеоЭС:

1 — добычная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — сепаратор; 4 — паровая турбина; 5 — генераторы; 6 — турбина на низкокипящем рабочем агенте; 7 — конденсатор- испаритель; 8 — пароперегреватель; 9 — воздушный конденсатор; 10 — ресивер (кондсн- сатосборник); 11 — циркуляционный насос; 12 — нагнетательный насос

Турбина 4 мощностью 2,5 МВт работает на геотермальном паре, получаемом при сепарации пароводяной смеси, поступающей из добычных скважин. Водяной пар после турбины при давлении 0,11 МПа и температуре около 100 °С поступает в конденсатор-испаритель 7, где конденсируется, отдавая тепло на подогрев и испарение пизкокипящего рабочего агента циркулирующего во втором контуре. Низкокипящий теплоноситель (изобутан) после пароперегревателя 8 поступает на турбину мощностью 4 МВТ(Э^. Охлажденный в воздушном конденсаторе 9 низкокипящий теплоноситель поступает в ресивер 10, откуда циркуляционным насосом 11 направляется в конденсатор-испаритель 7. Сепарат после пароперегревателя 8 и конденсат геотермального пара из испарителя 7 направляются к нагнетательной скважине посредством насоса 12 для закачки по скважине 2 в подземный горизонт.

Читать еще:  Пошаговый план открытия магазина кулинарии

Наибольший эффект от использования геотермальных ресурсов достигается при одновременном тепло- и электроснабжении небольших городов и поселков, удаленных от централизованной системы энергообеспечения. В качестве примера на рис. 1.28 представлена схема тепло- и электроснабжения пос. Алтхайма (Австрия) населением 5 тыс. человек. Небольшая ГеоТЭЦ имеет тепловую мощность 9 МВт и электрическую мощность 1 МВт, протяженность тепловых

Рнс. 1.28. Схема тепло- и электроснабжения пос. Алтхайма:

1 — теплообменники; 2 — теплообменник-испаритель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — циркуляционный насос; 7,8 — подвод и отвод охлаждающей воды; 9 — потребители тепла

сетей достигает 14,5 км [35]. Термальная вода температурой 106 °С и расходом 100 л/с на поверхности разделяется на два потока. Первый поток проходит через теплообменники системы отопления домов и нагревает воду, циркулирующую в тепловой сети. Второй поток направляется к блоку теплообменников бинарной ГеоЭС, где температура воды снижается до 70 °С при испарении и перегреве низкоки- пящего рабочего тела, циркулирующего в цикле Ренкина. Далее этот же поток поступает в теплообменник системы теплоснабжения школы и плавательного бассейна пос. Алтхайма.

После теплообменников по нагнетательной скважине отработанная термальная вода температурой 65 °С возвращается в геотермальный резервуар, расположенный па расстоянии 1700 м от добычной скважины. Строительство ГеоТЭЦ позволило улучшить экологическую обстановку в районе пос. Алтхайма. При этом экономится около 2500 т жидкого топлива в год.

Представляет интерес опыт эксплуатации геотермальной станции пущенной в эксплуатацию в 1995 г. в Германии [77]. Установленная тепловая мощность системы — 6 МВт. Система включает циркуляционный контур, состоящий из добычной и нагнетательной скважин, и наземный контур теплоснабжения. Эксплуатируется верхний триасовый пласт песчаника, характеризующийся следующими параметрами: глубина залегания — 2200-^2300 м; толщина пласта — 40ч-60 м; температура — 100 °С; минерализация — 220 г/л; пористость —

  • —12 2
  • 20ч-22 %; проницаемость — (0,5-^ 1,0) -10 м ; производительность — з
  • 110-И80 м /(ч • МПа). Эксплуатация геотермальной станции в основном подтвердила ее концепцию: материал и оборудование выдержали высокие температуры и солесодержание. Проблемы, связанные с отложением солей при реинжекции термальных вод, могут быть решены с помощью их мягкой кислотной обработки. Геотермальный потенциал станции эффективно не использовался вследствие ограниченных возможностей потребителей и особенностей системы теплоснабжения. Максимально дебит скважины используется только несколько дней в году. Летом и в переходные периоды года глубинный

насос работает при минимальной нагрузке с расходом до 40 м 3 /ч.

Для более эффективного использования геотермального потенциала в 2003 г. станция была дополнена предвключенным бинарным энергоблоком по выработке электроэнергии. Принципиальная схема расширенной станции показана на рис. 1.29.

Такая система позволяет максимально использовать эксплуатационный дебит, равный ПО м 3 /ч. Часть термальной воды, неиспользованная для подачи тепла, направляется в блок с циклом Ренкина на органическом рабочем теле, где она охлаждается до 70 °С. Регулирование разделения термальной воды на два потока и температуры термальной воды после их смешения зависит от температуры в теплосети

Рис. 1.29. Принципиальная схема ГеоТЭЦ, реализованная в Германии:

1 — добычная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — теплообменник-испаритель; 4 — турбина; 5 — генератор; 6 — конденсатор; 7 — циркуляционный насос; 8,9 — подвод и отвод охлаждающей воды; 10 — противоточный теплообменник; 11 — потребители тепла после противоточного теплообменника. Номинальная электрическая мощность энергоблока — 0,21 МВт. Рабочим телом в цикле Ренкина является изопентан (С5Н|2), который расширяется в одноступенчатой турбине.

На рис. 1.30 представлена принципиальная схема ГеоЭС с двойным (комбинированным) циклом, реализованная в США [20].

Геотермальный флюид температурой 280 °С и массовым расходом 278 кг/с последовательно направляется в испаритель и нагреватель первичного контура, где при передаче тепла происходит нагрев и испарение воды при температуре 215 °С. Далее насыщенный пар направляется в паровую турбину мощностью 33,4 МВт. Отработанный в первичном контуре геотермальный теплоноситель температурой 167 °С также последовательно проходит через испаритель и нагреватель вторичного контура, после чего при температуре 66 °С закачивается в подземный резервуар. В изобутановом цикле пары

Рнс. 1.30. Схема ГеоЭС с двойным циклом (США):

1 — паровая турбина; 2 — турбина на низкокипящем агенте (изобутан); 3 — генераторы; 4, 3 — испаритель и нагреватель первичного цикла; 6,7 — испаритель и теплообменник- нагреватель вторичного цикла; 8, 9 — циркуляционные насосы первичного и вторичного циклов; 10, II — воздушные системы охлаждения изобутана при температуре 125 °С направляются в турбину мощностью 22,3 МВт для выработки электроэнергии.

Схемы ГеоЭС с двойным циклом перспективны для реализации на Мутновском геотермальном месторождении на Камчатке, что позволит наиболее эффективно использовать тепловой потенциал геотермального пара. В настоящее время разработан технический проект энергоблока № 4 Верхе-Мутновской ГеоЭС с комбинированным циклом мощностью 6,5 МВт [25].

Геотермальная энергия. Принцип работы геотермальной электростанции по функциональной блок-схеме. Порядок разработки геотермального источника.

Тепловая энергия, выделяющаяся при извержении вулканов, гейзеров и горячих источников, известна человечеству уже много тысячелетий, но интенсивное использование ее стало возможным лишь с появлением технических средств во второй половине ХХ века. В настоящее время принято выделять два основных класса геотермальных ресурсов: гидрогеотермальные и петрогеотермалъные.

Гидрогеотермальные ресурсы представляют собой ту часть ресурсов геотермальной энергии, которая заключена в естественных коллекторах и представлена природными теплоносителями: подземными водами, паром или пароводяными смесями.

Петрогеотермальные ресурсы, это аккумулированные в блоках нагретых (до 350°С и более) практически безводных (т.н. сухих) горных пород. Технология извлечения петрогеотермальных ресурсов основана на создании искусственных циркуляционных систем (т.н. тепловых котлов).

Специфика геотермальных вод заключается в следующем:

Специфика геотермальных вод заключается в следующем:

– одноразовость использования в системе теплоснабжения;

– постоянная температура в течение отопительного сезона;

– агрессивность, в связи с чем необходимо предусматривать защиту от коррозии и образования осадков в металлических трубопроводах и нагревательных приборах;

– сравнительно низкая температура;

Принцип работы:

В настоящее время геотермальная энергия используется в основном для целей теплоснабжения. Геотермальная котельная состоит из водозаборной и нагнетающих скважин, бойлера, промежуточного накопителя и распределительной сети (рис. 1.11). Накопитель предназначен для покрытия пиковых нагрузок. Горячая вода из подземного резервуара поступает в бойлер и передает тепловую энергию теплоносителю, который через распределительную сеть доставляет ее потребителям.

Рис 1.11 Схема геотермальной котельной

Разработка разведанного источника геотермального тепла в виде сухих скальных породпроизводится внесколько этапов.

Вначале бурят скважины глубиной 5. 7 км, через которые в область горячих скальных пород нагнетают воду.

В местах контакта воды с горячими породами образуется пар, который заполняет все трещины в скальном грунте, образуя водоносные слои, пригодные для использования в ГеоТЭС или котельной.

Далее бурятся заборные скважины, через которые пар из глубины нескольких километров поступает в бак – аккумулятор ГеоТЭС или в бойлер котельной.

Технология преобразования энергии геотермального тепла в электрическую энергию зависит от параметров теплоносителя.

Если в ГеоТЭС поступает сухой пар под высоким давлением, не содержащий солевых и газовых составляющих, такой теплоноситель можно направить непосредственно на лопатки турбины и выработать электрическую энергию.


1-скважина, 2-бак-аккумулятор, 3-расширитель, 4-турбина, 5-генератор, 6-градирня, 7-насос, 8-смешивающий конденсатор, 9,10-насосы

ГеоТЭС опасны для окружающей среды из-за тепловых выбросов в атмосферу и остывание недр земли.

Конструкция СЭС и принцип работы по функциональной блок-схеме на базе метановой технологии.

Рис. 6.18. Функциональная блок-схема двухконтурной солнечной башни:

1 – солнечное излучение; 2 – парогенератор; 3 – оптикохимический преобразователь солнечной энергии; 4 – паровая турбина; 5 – генератор;

6 – конденсатор; 7 – насосы питательной воды; 8 – подогреватель;

9 – накопитель тепла; 10 – хранилище синтез-газа; 11 – компрессоры;

12 – хранилище метана; 13 – метанатор

Двухконтурная станция состоит из двух независимых приемников солнечного излучения, которые выполнены в виде полостей.

Одна из этих полостей будет преобразовывать энергию солнечного излучения непосредственно в пар, который будет направляться на лопатки паровой турбины и преобразовываться в электрическую энергию с помощью генератора.

Другая полость будет захватывать солнечную энергию, которая необходима для термохимического преобразования двуокиси углерода и метана в присутствии катализатора.

Второй контур выполняет функцию хранения термохимической энергии и производства электроэнергии после захода солнца и оперативного управления в облачную погоду.

Термохимическая энергия хранится в продуктах процесса реформирования в виде газовой смеси, состоящей в основном из водорода и окиси углерода, названной синтезгазом (сингаз).

В случае дефицита пара, при появлении облаков, можно вернуть часть тепловой энергии через обратную экзотермическую реакцию в метанаторе, где синтез метана будет происходить в присутствии катали- заторов. Полный термохимический процесс преобразования происходит в замкнутом цикле.

Дата добавления: 2018-08-06 ; просмотров: 289 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector