Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 250°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 250°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, низкокипящее рабочее тело
Короткий адрес: https://sciup.org/140270683
IDR: 140270683
Текст научной статьи Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 250°С в бинарных циклах, охлаждаемых воздушными ресурсами
На геотермальных электростанциях сосредоточены огромные запасы средне- и низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Так как малоизучены процессы использования низкотемпературных источников теплоты для эффективной выработки электроэнергии. В настоящее время технология бинарного цикла основана на использовании среднетемпературной теплоты. Бинарный термодинамический цикл – совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.
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].
Работа бинарного цикла осуществляется по органическому циклу Ренкина, который может охлаждаться воздушными ресурсами окружающей среды с температурой вплоть до минус 55°С (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки на СО2, охлаждаемого воздушными ресурсами окружающей среды.
Бинарная энергоустановка работает следующим образом (рис. 1). Геотермальный пар с температурой до 250°С и давлением до 0,8 МПа поступает в паровую турбину, где расширяется до давления (3,91 кПа) насыщенного пара с влажностью не превышающей 12% 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 около 2150 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 21,67°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].
Рабочие тела бинарной энергоустановки должны иметь низкую температуру замерзания для обеспечения нормальной зимней эксплуатации и предотвращения замерзания при аварийных остановах. В качестве низкокипящего теплоносителя второго контура выбран сжиженный СО 2 . Углекислый газ СО 2 характеризуется высокой плотностью и теплопроводностью газообразной фазы, имеет низкую кинематическую вязкостью жидкой и газообразной фазы, характеризуется низкой теплотой парообразования (табл. 1). При этом использование сжиженного СО 2 в качестве рабочего тела и охлаждающей жидкости в конденсаторе паровой турбины при температуре от 5°С до 31°С характеризуется повышенной изобарной теплоемкостью от 2,4 до 39 кДж/кг∙К, что является соизмеримым показателем для воды Н 2 О при докритических параметрах [5].
Таблица 1
Показатель параметра, размерность |
СО 2 |
Н 2 О |
Преимуще ства |
Плотность жидкой фазы, кг/м3 |
896 |
1000 |
Н 2 О |
Плотность газообразной (паровой) фазы, кг/м3 |
114 |
0,0068 |
СО 2 |
Кинематическая вязкость жидкой фазы, см2/с |
0,001 |
0,015 |
СО 2 |
Кинематическая вязкость газообразной (паровой) фазы, см2/с |
0,0013 |
13,36 |
СО 2 |
Теплопроводность жидкой фазы, Вт/м∙К |
0,1043 |
0,57 |
Н 2 О |
Теплопроводность газообразной (паровой) фазы, Вт/м∙К |
0,0216 |
0,0173 |
СО 2 |
Удельная теплота парообразования (фазового перехода), кДж/кг |
215 |
2489 |
СО 2 |
Изобарная теплоемкость жидкой фазы при критических параметрах, кДж/кг∙К |
39,174 |
39,039 |
СО 2 |
Также применение экологически чистой схемы использования низкокипящего теплоносителя (сжиженного СО 2 ) с воздушным конденсатором позволяет исключить прямой контакт рабочего тела с окружающей средой.
Температурный диапазон использования сжиженного газа СО 2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре бинарного цикла ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО 2 в температурном диапазоне от 60°С до минус 55°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового двигателя и затраты на его сжатие.
Список литературы Возможности использования геотермальной теплоты с температурой до 250°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.