Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых водными 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 водными ресурсами. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарных циклах использовать сжиженный пропан.
Геотермальный пар, бинарный цикл, сжиженный пропан
Короткий адрес: https://sciup.org/140270687
IDR: 140270687
Текст научной статьи Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых водными ресурсами
Технология бинарного цикла основана на использовании среднепотенциальной теплоты на уровне 80-200°С, что является характерным для геотермальных источников теплоты. На геотермальных электростанциях сосредоточены огромные запасы средне- и низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Так как малоизучены процессы использования геотермальных источников теплоты для эффективной выработки электроэнергии.
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 пропан C 3 H 8 [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).

В скважину
Конденсатор-нспарителт
Перегрей в турбине гаг СзНн2ГС нагнетательную
Геотермальный до 200°С
5,67 кг/с
600 кВт
64,4 кВт
Отработает и й
-21 кВт
Турбо де тандер
Основной конденсат
Паровая турбина
Конденсатор водяного ( охлаждения'
Дополнительный электрогенератор
Конденсатный насос
Расход газа С Лх
Основной электрогенератор
Отработавший в турбине пар, расход 1 кг/с, 38.76°С >
XL/ С3Н„ 14.3 5 °C
Конденсатный насос
- 5 кВт
/Т* ^Сжиженный газ
Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки на пропане C 3 H 8 , охлаждаемого водными 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 пропан C3H8 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 C3H8 до температуры перегретого газа в 32,63°С. Далее перегретый газ C3H8 расширяется в турбодетандере, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ направляют на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного охлаждения, где в процессе охлаждения газа C3H8 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.
Подобно тому, как отработавший в турбине пар является прямым источником низкопотенциальной теплоты с температурой 38,76°С, окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 55°С. Термодинамическая система бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 может производить работу только при отсутствии равновесия между ее термодинамической системой и окружающей средой. Поэтому минимально допустимый температурный перепад, обеспечивающий полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой на C 3 H 8 , составляет 28°С при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды [5].
В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающей воды составляет 5°С, что в свою очередь ограничивает потенциал для использования теплоперепада в бинарной энергоустановке с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 [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 C 3 H 8 |
≤ 55 |
Список литературы Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в бинарных циклах, охлаждаемых водными 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 водяного охлаждения конденсаторов паровых турбин контуром циркуляции на С3Н8. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 25-27.
- Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы утилизации тепловых отходов на тепловых электрических станциях в зимний период. // Инновационная наука. - 2015. - № 10-1. - С. 53-55.
- Гафуров А.М., Калимуллина Д.Д. Способ утилизации сбросной теплоты в конденсаторах паровых турбин ТЭС, охлаждаемых водными ресурсами. // Инновационная наука. - 2015. - № 12-2. - С. 28-29.