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.
Статья научная