Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 200°С в комбинированных бинарных энергоустановках

В настоящее время комбинированное производство тепловой и электрической энергии на тепловых электростанциях является наиболее экономичным. Это обусловлено тем, что используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии в паровых турбинах, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, что позволяет существенно снизить нагрузку на систему охлаждения конденсаторов паровых турбин. Поэтому предлагается комбинированное производство тепловой и электрической энергии на геотермальных электростанциях с использованием бинарной энергоустановки на СО2 в составе паровой турбины с возможностью утилизации теплоты конденсации отработавшего в турбине пара, теплоты системы маслоохлаждения подшипников паровой турбины и избыточной теплоты обратной сетевой воды (рис. 1) [1, 2].

На геотермальных электростанциях сосредоточены огромные запасы средне- и низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Согласно прогнозам специалистов объемы тепловой энергии Земли, сконцентрированная под толщей земной коры в 10 км, в 50 тысяч раз превышают объемы энергии всех мировых запасов углеводородов - нефти и природного газа [3].

Бинарный термодинамический цикл - совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.

Турбоде тапдср

11аровая турбина

Сетевая вода 90-110°С тепловому потребителю пара

Сетевая вола 50-55°С от теплового потребителя

Нагретое масло от

Перегретый подшипников газ

Маслобак

Маслонасос

0,338 МВт

43 кг с

СО. 16°С

60-65’С

V Сжиженный

Сжиженный газ26°С газ СО2 30°С

Теплообменник- конденсатор

Сжиженный газ СО. 17,4°С высокого давления нагнетател ьн ую

Основной конденсат

Расход

9.4 кг/с

Пар. до 200°С

Верхний подогреватель

Теплообмениик-охлалитель

Нижний подогреватель

Отработавший в турбине пар. расход 0,6 кг/с, 38.76°С

82 кг/с Сетевая вода 40°С

Отработавший в турбине газ) f

Основной

^ ^электтиенфагор

КонденсаторX*

■           водяного [ охлаждения.^^

- 0,077 МВт |

0,157 МВт

>  - Сжиженный газ х^У СО. !4°С

Конденсатный насос

СО. 34Т f Дополнительный электрогенератор

Охлажденное масло

Маслоохладитель 45°С

" ’ { ^Конденсатный насос

В скважину J

Рис. 1. Принципиальная схема комбинированной бинарной энергоустановки на СО2, охлаждаемого водными ресурсами.

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 совершает механическую работу с последующей выработкой электроэнергии. При этом большая часть теплоты отработавшего в турбине пара отбирается на теплофикацию для теплоснабжения тепловых потребителей. Часть теплоты отработавшего в турбине пара 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 теплообменник-конденсатор паровой турбины для охлаждения, отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2126 кДж/кг, которая отводится на нагрев сжиженного углекислого газа СО2 до температуры в 26°С. Далее сжиженный газ СО2 направляют в маслоохладитель системы маслоохлаждения подшипников паровой турбины, где его нагревают до температуры в 30°С. Затем сжиженный углекислый газ СО2 нагревают и испаряют в теплообменнике-охладителе обратной сетевой воды. Полученный перегретый газ СО2 с температурой в 34°С расширяется в турбодетандере, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ СО2 направляют на охлаждение в теплообменник-конденсатор водяного 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 [4].

Использование в качестве охлаждающей среды низкокипящее рабочее тело СО 2 в системе маслоохлаждения паровых турбин не приводит к нарушению его работы, так как допустимая температура по охлаждающей среде не превышает стандартной температуры в 33°С для большинства типов маслоохладителей [5].

Так же было учтено, что недопустима работа паровой турбины, когда через конденсатор не пропускается пар (кроме турбины с противодавлением), т. е. когда весь пар идет в отбор, так как вращение ротора в корпусе, через который не пропускается пар, приведет за счет сил трения между лопатками и рабочим телом к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного отвода теплоты и, как следствие, понижению механической прочности металла. Для отвода этой теплоты через часть низкого давления должно обязательно пропускаться некоторое вентиляционное количество пара. Минимальное количество вентиляционного пара составляет 5-10% от расчетного, проходящего через часть низкого давления [6].