Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых воздушными ресурсами
Автор: Гафуров Н.М., Гатина Р.З., Гафуров А.М.
Журнал: Теория и практика современной науки @modern-j
Рубрика: Основной раздел
Статья в выпуске: 2 (20), 2017 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются возможности энергоэффективного использования источников геотермальной теплоты с температурой до 200°С для выработки электроэнергии с помощью бинарных циклов, охлаждаемых воздушными ресурсами. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарных циклах использовать сжиженный углекислый газ.
Геотермальный пар, бинарный цикл, сжиженный углекислый газ
Короткий адрес: https://sciup.org/140270685
IDR: 140270685
Текст научной статьи Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых воздушными ресурсами
Технология бинарного цикла основана на использовании среднепотенциальной теплоты на уровне 80-200°С, что является характерным для геотермальных источников теплоты. Поэтому поиск новых решений в эффективном использовании гидротермальных источников теплоты для выработки электроэнергии, то есть преобразование «бесплатной», выбрасываемой тепловой энергии в полезную энергию, является важной научно-технической задачей.
В 2015 г. организацией ФГБОУ ВО «КГЭУ» было получено патенты, авторами которых являются Гафуров А.М. и Гафуров Н.М., на способ работы тепловой электрической станции с бинарным циклом по утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты. Были предложены эффективные решения по выработки электроэнергии за счет утилизации низкопотенциальной теплоты конденсации отработавшего в турбине пара при определенных внешних условиях окружающей среды. Данные разработки позволяют применять бинарные циклы на низкокипящих рабочих телах при более низких температурах. В качестве оптимального низкокипящего рабочего тела предлагается использовать сжиженный углекислый газ СО 2 [1, 2].
Бинарный термодинамический цикл – совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле (рис. 1).

6.5 кП
Турбоде тандер
Конденсатор-, испаритель'
В скважину | нагнетательную
Расход газа СО2
Геотермальный до 200°С
10.24 кг/с
600 кВт
144.85 кВт со
Отработавший в турбине пар. расход I кг/с.
Конденсатор воздушного охлаждения
Паровая турбина
Дополнительный электро! оператор
-30 °C.
- 22 кВт
Конденсатный насос
Основной конденсат 37,5 °C.
Основной электро!енератор
Конденсатный насос
-47 кВт
/Т" -Сжиженный газ
Отработавший в турбине гаг СО2 4.3 °C
Пер етуегг^ Ксод^ус
Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки на СО 2 ,
охлаждаемого воздушными ресурсами окружающей среды.
Бинарная энергоустановка работает следующим образом (рис. 1). Геотермальный пар с температурой до 200°С и давлением до 0,8 МПа поступает в паровую турбину, где пар в процессе расширения на лопатках турбины до давления (6,91 кПа) насыщенного пара с влажностью не превышающей 12% совершает механическую работу с последующей выработкой электроэнергии. Отработавший в турбине пар охлаждается и конденсируется в конденсаторе паровой турбины. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в нагнетательную скважину геотермального источника. Сжиженный углекислый газ СО2 сжимают в конденсатном насосе до высокого давления и направляют в конденсатор-испаритель паровой турбины для охлаждения, отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2126 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 32,63°С. Далее перегретый газ СО2 расширяется в турбодетандере, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ направляют на охлаждение в конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газа СО2 ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ направляют в конденсатный насос и цикл повторяется [3, 4].
Считается, что утилизация сбросной теплоты и отработанного пара, как и многое другое, – реальные пути защиты от антропогенного загрязнения окружающей среды.
Углекислый газ СО 2 (R744) представляет собой негорючий естественный дешевый хладагент с незначительным непосредственным воздействием на глобальное потепление и возможное разрушение озонового слоя по сравнению с традиционными гидрофторуглеродами (HFC). Хладагент СО 2 все шире используется в холодильных установках.
Применение СО 2 чрезвычайно перспективно не только из-за простоты его получения, но и потому, что использование этого газа в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость) позволяет решать различные технологические задачи. Обезвоженный диоксид углерода, как газообразный, так и жидкий не коррозирует металлы, но при обводнении может вызывать довольно сильную коррозию [5].
В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающего воздуха равна температуре окружающей среды, что в свою очередь не ограничивает потенциал для использования теплоперепада в бинарной энергоустановке с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 [6].
К примеру, в табл. 1 приведены эксергетические КПД различных технических систем.
Таблица 1
Наименование |
Эксергетический КПД, % |
Конденсационная электростанция |
39-42 |
Парокомпрессионная холодильная установка |
30-35 |
Абсорбционная водоаммиачная холодильная установка |
12-15 |
Пароэжекторная холодильная установка |
3-6 |
Парокомпрессионный тепловой насос |
35-40 |
Исследуемая бинарная энергоустановка на сжиженном газе СО 2 |
≤ 52 |
Список литературы Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых воздушными ресурсами
- Патент на изобретение №2560505 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
- Патент на изобретение №2564748 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 10.10.2015 г.
- Гафуров А.М. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №4 (28). - С. 28-32.
- Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Замещение воздушного охлаждения конденсаторов паровых турбин контуром циркуляции на СО2. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 27-29.
- Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 19-21.
- Гафуров А.М. Возможности использования органического цикла Ренкина для утилизации низкопотенциальной теплоты. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2014. №2 (21). - С. 20-25