Proračun toplinskog dijagrama geotermalne elektrane. Geotermalna energija

PRORAČUN GEOTERMALNE ELEKTRANE

Izračunajmo toplinski krug geotermalne elektrane binarnog tipa, prema.

Naša geotermalna elektrana sastoji se od dvije turbine:

Prvi radi na zasićenoj vodenoj pari dobivenoj u ekspanderu. Električna energija - ;

Drugi radi na zasićenoj pari rashladnog sredstva R11, koja isparava zbog topline vode odvedene iz ekspandera.

Voda iz geotermalnih bušotina s tlakom pgw i temperaturom tgw ulazi u ekspander. Ekspander proizvodi suhu zasićenu paru s tlakom od pp. Ova se para šalje u parnu turbinu. Preostala voda iz ekspandera odlazi u isparivač, gdje se hladi i završava natrag u bunar. Temperaturna razlika u postrojenje za isparavanje= 20°C. Radni fluidi ekspandiraju u turbinama i ulaze u kondenzatore, gdje se hlade vodom iz rijeke na temperaturu thw. Zagrijavanje vode u kondenzatoru = 10°C, a podgrijavanje do temperature zasićenja = 5°C.

Relativni unutarnji učinci turbina. Elektromehanička učinkovitost turbogeneratora = 0,95.

Početni podaci prikazani su u tablici 3.1.

Stol 3.1. Početni podaci za izračun GeoPP-a

Shematski dijagram GeoPP-a binarnog tipa (Sl. 3.2).

Riža. 3.2.

Prema dijagramu na Sl. 3.2 i početnih podataka provodimo izračune.

Proračun kruga parne turbine na suhu zasićenu vodenu paru

Temperatura pare na ulazu u kondenzator turbine:

gdje je temperatura rashladne vode na ulazu u kondenzator; - grijanje vode u kondenzatoru; - temperaturna razlika u kondenzatoru.

Tlak pare u kondenzatoru turbine određuje se iz tablica svojstava vode i vodene pare:

Raspoloživi pad topline po turbini:

gdje je entalpija suhe zasićene pare na ulazu u turbinu; - entalpija na kraju teorijskog procesa širenja pare u turbini.

Potrošnja pare od ekspandera do parne turbine:

gdje je relativno unutarnje Učinkovitost pare turbine; - elektromehanička učinkovitost turbogeneratora.

Proračun ekspandera geotermalne vode

Jednadžba toplinske ravnoteže ekspandera

gdje je protok geotermalne vode iz bušotine; - entalpija geotermalne vode iz bušotine; - protok vode od ekspandera do isparivača; - entalpija geotermalne vode na izlazu iz ekspandera. Određuje se iz tablica svojstava vode i vodene pare kao entalpija kipuće vode.

Jednadžba bilance materijala ekspandera

Zajedničkim rješavanjem ove dvije jednadžbe potrebno je odrediti i.

Temperatura geotermalne vode na izlazu iz ekspandera određena je iz tablica svojstava vode i vodene pare kao temperatura zasićenja pri tlaku u ekspanderu:

Određivanje parametara u karakterističnim točkama toplinskog kruga turbine koja radi u freonu

Temperatura pare freona na ulazu u turbinu:

Temperatura pare freona na izlazu iz turbine:

Entalpija pare rashladnog sredstva na ulazu u turbinu određena je p-h dijagram za freon na liniji zasićenja na:

240 kJ/kg.

Entalpija pare freona na izlazu iz turbine određena je p-h dijagramom za freon na sjecištu linija i temperaturne linije:

220 kJ/kg.

Entalpija kipućeg freona na izlazu iz kondenzatora određuje se iz p-h dijagrama za freon na krivulji za kipuću tekućinu prema temperaturi:

215 kJ/kg.

Proračun isparivača

Temperatura geotermalne vode na izlazu iz isparivača:

Jednadžba toplinske ravnoteže isparivača:

gdje je toplinski kapacitet vode. Uzeti =4,2 kJ/kg.

Iz ove jednadžbe potrebno je odrediti.

Proračun snage turbine koja radi na freon

gdje je relativna unutarnja učinkovitost freonske turbine; - elektromehanička učinkovitost turbogeneratora.

Određivanje snage crpke za pumpanje geotermalne vode u bušotinu

gdje je učinkovitost pumpe, za koju se pretpostavlja da je 0,8; - prosječni specifični volumen geotermalne vode.

Svrha predavanja: prikazati mogućnosti i načine korištenja geotermalne topline u elektroenergetskim sustavima.

Toplina u obliku toplih izvora i gejzira može se koristiti za proizvodnju električne energije razne sheme u geotermalnim elektranama (GeoPP). Najlakše implementirana shema je ona koja koristi paru tekućina s niskim vrelištem. Topla voda iz prirodni izvori, zagrijavajući takvu tekućinu u isparivaču, pretvara je u paru, koja se koristi u turbini i služi kao pogon za generator struje.

Slika 1 prikazuje ciklus s jednim radnim fluidom, na primjer vodom ili freonom ( A); ciklus s dva radna fluida - vodom i freonom ( b); izravni ciklus pare ( V) i ciklus dvostrukog kruga ( G).

Tehnologije proizvodnje električna energija uvelike ovise o toplinskom potencijalu termalnih voda.

Crtanje. 1 - Primjeri organiziranja ciklusa za proizvodnju električne energije:

I – geotermalni izvor; II – turbinski ciklus; III – rashladna voda

Naslage visokog potencijala omogućuju korištenje gotovo tradicionalnih izvedbi termoelektrana s parnim turbinama.

stol 1 -Tehnički podaci geotermalne elektrane

Najviše pokazuje slika 2 jednostavan sklop mala elektrana (GeoPP) koja koristi toplinu toplog podzemnog izvora.

Voda iz vrela s temperaturom od oko 95 °C pumpom 2 dovodi se u odvodnik plinova 3, gdje se odvajaju u njoj otopljeni plinovi.

Zatim voda ulazi u isparivač 4, u kojem se pretvara u zasićenu paru i blago pregrijava zbog topline pare (iz pomoćnog kotla), koja je prethodno iscrpljena u ejektoru kondenzatora.

Blago pregrijana para obavlja rad u turbini 5 na čijoj se osovini nalazi generator struje. Ispušna para kondenzira se u kondenzatoru 6, hladi vodom normalne temperature.

Slika 2-. Shema malog GeoPP-a:

1 – prijemnik Vruća voda; 2 – pumpa tople vode; 3 – odvodnik plina;

4 – isparivač; 5 – parna turbina s generatorom struje; 6 – kondenzator; 7 – cirkulacijska pumpa; 8 – prijemnik rashladne vode

Takve jednostavne instalacije djelovale su u Africi već 50-ih godina.

Očigledna opcija dizajna moderne elektrane je geotermalna elektrana s radnom tvari niskog vrelišta, prikazana na slici 3. Topla voda iz spremnika ulazi u isparivač 3, gdje predaje svoju toplinu nekoj tvari s niskim vrelište. Takve tvari mogu biti ugljični dioksid, razni freoni, sumporov heksafluorid, butan, itd. Kondenzator 6 je tipa miješanja, koji se hladi hladnim tekućim butanom koji dolazi iz površinskog hladnjaka zraka. Dio butana iz kondenzatora dovodi se dovodnom pumpom 9 u grijač 10, a zatim u isparivač 3.

Važna značajka ova shema je sposobnost rada u zimsko vrijeme s niskim temperaturama kondenzacije. Ova temperatura može biti blizu nule ili čak negativna, budući da sve navedene tvari imaju vrlo niske temperature smrzavanja. To vam omogućuje značajno proširenje temperaturnih ograničenja koja se koriste u ciklusu.

Crtanje 3. Shema geotermalne elektrane s radnom tvari niskog vrelišta:

1 – bunar, 2 – spremnik, 3 – isparivač, 4 – turbina, 5 – generator, 6 – kondenzator, 7 – cirkulacijska pumpa, 8 – površinski hladnjak zraka, 9 – napojna pumpa, 10 – grijač radne tvari

Geotermalna električna stanica S direktno korištenjem prirodna para.

Najjednostavnija i najpovoljnija geotermalna elektrana je parna turbina s protutlakom. Prirodna para iz bušotine dovodi se izravno u turbinu, a zatim se ispušta u atmosferu ili u uređaj koji hvata vrijedne kemikalije. Protutlačna turbina može se opskrbljivati ​​sekundarnom parom ili parom dobivenom iz separatora. Prema ovoj shemi elektrana radi bez kondenzatora, te nema potrebe za kompresorom za odvod nekondenzirajućih plinova iz kondenzatora. Ova instalacija je najjednostavnija; kapitalni i operativni troškovi su minimalni. Zauzima malo područje i ne zahtijeva gotovo ništa pomoćna oprema te se lako može prilagoditi kao prijenosna geotermalna elektrana (slika 4).

Slika 4 - Shema geotermalne elektrane s izravnim korištenjem prirodne pare:

1 – bunar; 2 – turbina; 3 – generator;

4 – izlaz u atmosferu ili u kemijsko postrojenje

Razmatrana shema može biti najprofitabilnija za ona područja gdje postoje dovoljne rezerve prirodne pare. Racionalni rad pruža mogućnost učinkovit rad takva instalacija čak i s promjenjivim protokom bušotine.

U Italiji postoji nekoliko takvih postaja. Jedna od njih je snage 4 tisuće kW sa specifičnim utroškom pare od oko 20 kg/s ili 80 t/h; druga je snage 16 tisuća kW, gdje su ugrađena četiri turbogeneratora snage po 4 tisuće kW. Potonji se opskrbljuje parom iz 7-8 bušotina.

Geotermalna elektrana s kondenzacijskom turbinom i izravnim korištenjem prirodne pare (Slika 5) je najsuvremenija shema za proizvodnju električne energije.

Para iz bušotine dovodi se u turbinu. Potrošeno u turbini ulazi u kondenzator za miješanje. Mješavina rashladne vode i kondenzata pare koja je već iscrpljena u turbini ispušta se iz kondenzatora u podzemni spremnik, odakle se uzima cirkulacijske pumpe i šalje se u rashladni toranj na hlađenje. Iz rashladnog tornja rashladna voda ponovno teče u kondenzator (slika 5).

Mnoge geotermalne elektrane rade prema ovoj shemi uz neke izmjene: Larderello-2 (Italija), Wairakei ( Novi Zeland) i tako dalje.

Područje primjene dvokružne elektrane koje koriste radne tvari s niskim vrelištem (freon-R12, mješavina vode i amonijaka,) je korištenje topline iz termalnih voda s temperaturom od 100...200 °C, kao i separirane vode na hidrotermalnim ležištima pare.

Slika 5 - Shema geotermalne elektrane s kondenzacijskom turbinom i izravnim korištenjem prirodne pare:

1 – bunar; 2 – turbina; 3 – generator; 4 – pumpa;

5 – kondenzator; 6 – rashladni toranj; 7 – kompresor; 8 – reset

Kombinirano proizvodnja električne i toplinske energije

U geotermalnim termoelektranama (GeoTES) moguća je kombinirana proizvodnja električne i toplinske energije.

Najjednostavniji dijagram geotermalne elektrane vakuumskog tipa za korištenje topline tople vode temperature do 100 °C prikazan je na slici 6.

Rad takve elektrane odvija se na sljedeći način. Topla voda iz bunara 1 ulazi u spremnik akumulatora 2. U spremniku se oslobađa od plinova otopljenih u njemu i šalje u ekspander 3, u kojem se održava tlak od 0,3 atm. Pri tom tlaku i pri temperaturi od 69 °C mali dio vode se pretvara u paru i šalje u vakuumsku turbinu 5, a preostalu vodu crpka 4 pumpa u sustav za opskrbu toplinom. Para koja se ispušta u turbini ispušta se u kondenzator za miješanje 7. Za uklanjanje zraka iz kondenzatora ugrađena je vakuumska pumpa 10. Smjesa rashladne vode i kondenzata ispušne pare uzima se iz kondenzatora pomoću pumpe 8 i šalje na hlađenje. ventilacijski rashladni toranj 9. Voda ohlađena u rashladnom tornju dovodi se u kondenzator gravitacijom zbog vakuuma.

Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP s kapacitetom od 12 MW (3x4 MW) je pilot faza Mutnovskaya GeoTPP s projektiranim kapacitetom od 200 MW, stvorena za opskrbu električnom energijom industrijske regije Petropavlovsk-Kamchatsky.

Slika 6 -. Dijagram vakuumske geotermalne elektrane s jednim ekspanderom:

1 – bunar, 2 – spremnik, 3 – ekspander, 4 – pumpa tople vode, 5 – vakuumska turbina 750 kW, 6 – generator, 7 – miješajući kondenzator,

8 – pumpa rashladne vode, 9 – rashladni toranj ventilatora, 10 – vakuum pumpa

U geotermalnoj elektrani Pauzhetskaya (južno od Kamčatke) s kapacitetom od 11 MW u parnim turbinama koristi se samo odvojena geotermalna para iz mješavine pare i vode dobivene iz geotermalnih bušotina. Velika količina geotermalne vode (oko 80 ukupna potrošnja PVA) s temperaturom od 120 °C ispušta se u rijeku Ozernaya koja se mrijesti, što dovodi ne samo do gubitka toplinskog potencijala geotermalne rashladne tekućine, već i značajno pogoršava ekološko stanje rijeke.

Dizalice topline

Toplinska pumpa- uređaj za prijenos toplinske energije od izvora niske toplinske energije s niskom temperaturom do potrošača rashladnog sredstva s višom temperaturom. Termodinamički gledano, dizalica topline je obrnuti rashladni stroj. Ako u rashladni stroj glavni cilj je proizvesti hladnoću oduzimanjem topline iz bilo kojeg volumena pomoću isparivača, a kondenzator ispušta toplinu u okolinu, a kod dizalice topline slika je suprotna (slika 7). Kondenzator je izmjenjivač topline koji proizvodi toplinu za potrošača, a isparivač je izmjenjivač topline koji iskorištava nisku toplinu koja se nalazi u rezervoarima, tlu, otpadne vode itd. Ovisno o principu rada dizalice topline dijelimo na kompresijske i apsorpcijske. Kompresijske dizalice topline uvijek pokreće elektromotor, dok apsorpcijske dizalice topline također mogu koristiti toplinu kao izvor energije. Kompresor također treba izvor niske topline.

Tijekom rada kompresor troši električnu energiju. Omjer proizvedene toplinske energije i utrošene električne energije naziva se koeficijent transformacije (ili koeficijent pretvorbe topline) i služi kao pokazatelj učinkovitosti toplinska pumpa. Ova vrijednost ovisi o razlici u razinama temperature u isparivaču i kondenzatoru: što je veća razlika, to je ova vrijednost manja.

Po vrsta rashladne tekućine u ulaznim i izlaznim krugovima crpke su podijeljene u šest tipova: "zemlja-voda", "voda-voda", "zrak-voda", "zemlja-zrak", "voda-zrak", "zrak-zrak".

Pri korištenju energije tla kao izvora topline, cjevovod u kojem cirkulira tekućina je ukopan u zemlju 30-50 cm ispod razine smrzavanja tla u određenom području (slika 8). Za ugradnju toplinske pumpe snage 10 kW potreban je zemljani krug duljine 350-450 m, za čiju će ugradnju biti potrebna parcela površine oko 400 m² (20x20 m).

Slika 7 – Dijagram rada dizalice topline

Slika 8 - Korištenje energije tla kao izvora topline

Prednosti dizalica topline uključuju prije svega učinkovitost: za prijenos 1 kWh toplinske energije u sustav grijanja, instalacija dizalice topline treba potrošiti 0,2-0,35 kWh električne energije. Svi sustavi rade u zatvorenom krugu i ne zahtijevaju gotovo nikakav pogon troškove, osim troškova električne energije potrebne za rad opreme, koja se može dobiti iz vjetroelektrana i solarnih elektrana. Razdoblje povrata toplinskih pumpi je 4-9 godina, s vijekom trajanja od 15-20 godina prije velikih popravaka.

Stvarne vrijednosti učinkovitosti modernih dizalica topline su reda COP = 2,0 pri temperaturi izvora od −20 °C, a reda COP = 4,0 pri temperaturi izvora od +7 °C.

Izvori geotermalne energije u Rusiji imaju značajan industrijski potencijal, uključujući energetski potencijal. Zemljine rezerve topline s temperaturom od 30-40 °C (slika 17.20, vidi umetak u boji) dostupne su na gotovo cijelom teritoriju Rusije, au nekim regijama postoje geotermalni izvori s temperaturama do 300 °C. Ovisno o temperaturi koriste se geotermalni resursi razne industrije Nacionalna ekonomija: elektroprivreda, grijanje, industrija, poljoprivreda, balneologija.

Na temperaturama geotermalnih izvora iznad 130 °C, moguće je generirati električnu energiju korištenjem jednog kruga geotermalne elektrane(GeoES). Međutim, niz regija u Rusiji ima značajne rezerve geotermalne vode s nižim temperaturama od reda 85 ° C i višim (Sl. 17.20, vidi umetak u boji). U ovom slučaju moguće je dobiti električnu energiju iz GeoPP-a s binarnim ciklusom. Binarne elektrane su dvokružne stanice koje u svakom krugu koriste vlastiti radni fluid. Binarne stanice se također ponekad klasificiraju kao stanice s jednim krugom koje rade na mješavini dva radna fluida - amonijaka i vode (slika 17.21, vidi umetak u boji).

Prve geotermalne elektrane u Rusiji izgrađene su na Kamčatki 1965.-1967.: Pauzhetskaya GeoPP, koja radi i trenutno proizvodi najjeftiniju električnu energiju na Kamčatki, i Paratunka GeoPP s binarnim ciklusom. Nakon toga je u svijetu izgrađeno oko 400 GeoPP-ova s ​​binarnim ciklusom.

Godine 2002. na Kamčatki je puštena u rad Mutnovskaya GeoPP s dvije energetske jedinice ukupne snage 50 MW.

Tehnološka shema elektrane predviđa korištenje pare dobivene dvostupanjskom separacijom mješavine vodene pare iz geotermalnih bušotina.

Nakon separacije, para tlaka 0,62 MPa i stupnja suhoće 0,9998 ulazi u dvoprotočnu parnu turbinu s osam stupnjeva. Uparen sa Parna turbina radi generator nazivne snage 25 MW i napona 10,5 kV.

Kako bi se osigurala čistoća okoliša u tehnološka shema Elektrana je opremljena sustavom za povrat kondenzata i separatora u zemljine slojeve, kao i za sprječavanje emisije sumporovodika u atmosferu.

Geotermalni resursi naširoko se koriste za potrebe grijanja, posebice u izravnom korištenju tople geotermalne vode.

Preporučljivo je koristiti niskopotencijalne geotermalne izvore topline s temperaturom od 10 do 30 °C pomoću dizalica topline. Dizalica topline je stroj dizajniran za prijenos unutarnje energije iz rashladne tekućine niske temperature u rashladnu tekućinu visoke temperature koristeći vanjske utjecaje za obavljanje rada. Princip rada dizalice topline temelji se na obrnutom Carnotovom ciklusu.

Dizalica topline, trošeći kW električne energije, opskrbljuje sustav grijanja s 3 do 7 kW toplinske snage. Koeficijent transformacije varira ovisno o temperaturi geotermalnog izvora niskog stupnja.

Dizalice topline naširoko se koriste u mnogim zemljama diljem svijeta. Najsnažnija dizalica topline radi u Švedskoj s toplinskim kapacitetom od 320 MW i koristi toplinu vode Baltičkog mora.

Učinkovitost korištenja dizalice topline određena je uglavnom omjerom cijena električne i Termalna energija, kao i koeficijent transformacije, koji pokazuje koliko je puta više toplinske energije proizvedeno u usporedbi s utrošenom električnom (ili mehaničkom) energijom.

Rad toplinskih pumpi je najekonomičniji u razdoblju minimalnih opterećenja u elektroenergetskom sustavu.

Literatura za samostalno istraživanje

17.1.Korištenje energija vode: udžbenik za visoka učilišta / ur. Yu.S. Vasiljeva. -
4. izdanje, revidirano. i dodatni M.: Energoatomizdat, 1995.

17.2.Vasiliev Yu.S., Vissarionov V.I., Kubyshkin L.I. Hidroenergetsko rješenje
Ruski zadaci na računalu. M.: Energoatomizdat, 1987.

17.3.Neporozhny P.S., Obrezkov V.I. Uvod u specijalnost. Hidroelektrična energija
označiti: tutorial za sveučilišta. - 2. izdanje, revidirano. i dodatni M: Energoatomizdat,
1990.

17.4.Vodnoenergetski i vodnogospodarski proračuni: udžbenik za visoka učilišta /
uredio U I. Vissarionova. M.: Izdavačka kuća MPEI, 2001.

17.5.Kalkulacija resursi solarna energija: udžbenik za visoka učilišta / ur.
U I. Vissarionova. M.: Izdavačka kuća MPEI, 1997.

17.6. Resursi i učinkovitost korištenja obnovljivih izvora energije
u Rusiji / Tim autora. St. Petersburg: Nauka, 2002.

17.7.Dyakov A.F., Perminov E.M., Shakaryan Yu.G. Energija vjetra u Rusiji. država
i perspektive razvoja. M.: Izdavačka kuća MPEI, 1996.

17.8.Kalkulacija izvori energije vjetra: udžbenik za visoka učilišta / ur. U I. Wissa
Rionova. M.: Izdavačka kuća MPEI, 1997.

17.9.Mutnovsky geotermalni električni kompleks na Kamčatki / O.V. Britvin,

Tema: Proračun toplinskog dijagrama geotermalne elektrane

Geotermalna elektrana sastoji se od dvije turbine:

prvi radi u zasićenoj vodenoj pari dobivenoj ekspanzijom

tijelo Električna energija - N ePT = 3 MW;

drugi radi na zasićenoj pari rashladnog sredstva - R11, koja se koristi

je zbog topline vode odvedene iz ekspandera. Električni

snaga - N eHT, MW.

Voda iz geotermalnih izvora s temperaturom t gv = 175 °C post-

ulijeva u ekspander. Suha zasićena para nastaje u ekspanderu sa

temperatura 25 stupnjeva niža t Stražari Ova se para šalje u

turbina. Preostala voda iz ekspandera odlazi u isparivač, gdje

ohlađen za 60 stupnjeva i pumpan natrag u bunar. Nedog-

buka u jedinici za isparavanje - 20 stupnjeva. Radni fluidi se šire -

u turbine i ulaze u kondenzatore, gdje se hlade vodom iz

rijeke s temperaturom t xv = 5 °C. Zagrijavanje vode u kondenzatoru je

10 ºS, i podgrijavanje do temperature zasićenja od 5 ºS.

Relativne unutarnje učinkovitosti turbina ç oi= 0,8. Elektromehanički

Tehnički učinak turbogeneratora je çem = 0,95.

Definirati:

električna snaga turbine koja radi na freon - N eCT i

ukupna snaga GeoTES;

potrošnja radnih tekućina za obje turbine;

protok vode iz bunara;

Učinkovitost geotermalne elektrane.

Uzmite početne podatke iz tablice 3 za opcije.

Tablica 3

Polazni podaci za zadatak br.3

van

3. Odredite entalpije u karakterističnim točkama:

4. Izračunavamo raspoloživi pad topline u turbini:

PT PT

5. Pronađite stvarni pad topline u turbini:

NIPT =NE ⋅ç oi = 744,6 ⋅ 0,8 = 595,7kJ /kg .

6. Potrošnja pare (voda iz geotermalne bušotine) u vodu

turbinu nalazimo pomoću formule:

DoPT =

NIPT ⋅ç Em

5,3kg /S .

7. Tok vode iz geotermalne bušotine u isparivač i na

Cijela geotermalna elektrana općenito se nalazi iz sustava jednadžbi:

PT ISP

Rješavajući ovaj sustav nalazimo:

7.1 protok vode od geotermalne bušotine do isparivača:

hGW −hp

2745,9 − 733,25

733,25 − 632, 25

7.2 Opći tok vode iz geotermalne bušotine

DGW = 5,3 + 105,6 = 110,9kg /S .

8. Brzina protoka freona u drugoj turbini nalazi se iz toplinske jednadžbe

ukupni saldo:

ISP vykhI XT XT

gdje je ç I= 0,98 - učinkovitost isparivača.

⋅ç I ⋅

hp −hexit

105,6 ⋅ 0,98 ⋅

632,25 − 376,97

114,4kg /S .

9. Električna snaga druge turbine koja radi na rashladno sredstvo

dno, određeno formulom:

Gdje HiXT = (hp −h HT)ç oi- sekunda stvarne toplinske razlike

XT XT T

10. Ukupna električna snaga geotermalne elektrane bit će jednaka:

GeoTES XT

11. Pronađimo učinkovitost GeoTES-a:

ç GeoTES

GeoTES

D −h

⎜ ⎜D

N eGeoTES

⎛ ⎛ 5,3 105,6 ⎞ ⎞

⎝ 110,9 110,9 ⎠ ⎠

Praktična lekcija br. 6

Cilj: upoznati se s principom rada geotermalnih elektrana i tehnologijama pretvorbe toplinske energije oceana (OTEC), kao i metodologijom za njihov proračun.

Trajanje lekcije- 2 sata

Napredak:

1. Na temelju teorijskog dijela rada upoznati se s principom rada geotermalnih elektrana i tehnologijama za pretvorbu toplinske energije oceana (PTEC.

2. Rješavanje praktičnih zadataka prema individualnom zadatku.

1. TEORIJSKI DIO

Iskorištavanje toplinske energije oceana

Tehnologija pretvaranja toplinske energije oceana (OTEC) stvara električnu energiju iskorištavanjem temperaturne razlike između tople i hladne oceanske vode. Hladna voda se pumpa kroz cijev s dubine veće od 1000 metara (s mjesta gdje sunčeve zrake nikada ne dopiru). Sustav također koristi toplu vodu iz područja blizu površine oceana. Voda zagrijana sunčevim zrakama prolazi kroz izmjenjivač topline sa kemikalije s niskim vrelištem, poput amonijaka, koji stvara kemijsku paru koja pokreće turbine električnih generatora. Para se potom kondenzira natrag u tekući oblik pomoću ohlađene vode iz dubokog oceana. Tropska područja smatraju se najprikladnijim mjestom za PTEC sustave. To je zbog veće temperaturne razlike između vode u plitkoj i dubokoj vodi.

Za razliku od vjetroelektrana i solarnih farmi, oceanske termoelektrane mogu proizvoditi čistu električnu energiju 24 sata dnevno, 365 dana u godini. Jedini nusprodukt ovakvih agregata je hladna voda koja se može koristiti za hlađenje i klimatizaciju upravnih i stambenih zgrada u blizini elektroenergetskog objekta.

Korištenje geotermalne energije

Geotermalna energija- To je energija dobivena iz prirodne topline Zemlje. Ova toplina se može postići pomoću bunara. Geotermalni gradijent u bušotini povećava se za 1 °C svakih 36 metara. Ta se toplina predaje površini u obliku pare ili tople vode. Ta se toplina može koristiti kako izravno za grijanje domova i zgrada, tako i za proizvodnju električne energije.

Prema različitim procjenama, temperatura u središtu Zemlje iznosi najmanje 6650 °C. Brzina hlađenja Zemlje je otprilike 300-350 °C po milijardu godina. Zemlja emitira 42·10 12 W topline, od čega se 2% apsorbira u kori, a 98% u plaštu i jezgri. Moderne tehnologije ne dopuštaju dosezanje topline koja se oslobađa preduboko, ali 840000000000 W (2%) raspoložive geotermalne energije može zadovoljiti potrebe čovječanstva za dugo vremena. Područja oko rubova kontinentalnih ploča su najbolje mjesto za izgradnju geotermalnih stanica, jer je kora u takvim područjima znatno tanja.

Postoji nekoliko načina dobivanja energije iz geotermalnih elektrana:

· Izravna shema: para se kroz cijevi usmjerava do turbina spojenih na električne generatore;

· Neizravna shema: slična izravnoj shemi, ali prije nego što para uđe u cijevi, ona se čisti od plinova koji uzrokuju uništavanje cijevi;

· Mješovita shema: slična izravnoj shemi, ali nakon kondenzacije iz vode se uklanjaju plinovi koji nisu otopljeni u njoj.

2. PRAKTIČNI DIO

Zadatak 1. Odredite početnu temperaturu t 2 i količina geotermalne energije E o (J) debljina vodonosnika h km na dubini z km, ako su dane karakteristike formacijske stijene: gustoća r gr = 2700 kg/m3; poroznost A = 5%; određena toplina Uz gr =840 J/(kg K). Gradijent temperature (dT/dz) u °C / km, odaberite iz tablice opcija zadataka.

Prosječna površinska temperatura t o uzeti jednaku 10 °C. Specifični toplinski kapacitet vode C in = 4200 J/(kg K); gustoća vode ρ = 1·10 3 kg/m3. Izračunajte na temelju površine F = 1 km 2. Minimum dopuštena temperatura uzeti tvorbu jednako t 1=40°C.

Odredite i vremensku konstantu za oduzimanje toplinske energije τ o (godina) prilikom crpljenja vode u akumulaciju i njezine potrošnje V =0,1 m 3 /(s km 2). Kolika će biti toplinska energija ekstrahirana u početku? (dE/dz) τ =0 i nakon 10 godina (dE/dz) τ =10?

Zadatak 1 posvećen je toplinskom potencijalu geotermalne energije koncentrirane u prirodnim vodonosnici na dubini z (km) od Zemljina površina. Obično je debljina vodonosnika h (km) manja od njegove dubine. Sloj ima poroznu strukturu - stijene imaju pore ispunjene vodom (poroznost se procjenjuje koeficijentom α). Prosječna gustoća tvrde stijene Zemljina kora p gr =2700 kg/m 3, a koeficijent toplinske vodljivosti λ gr =2 W/(m K). Promjenu temperature tla prema zemljinoj površini karakterizira temperaturni gradijent (dT/dz), mjeren u °C/km ili K/km.

Najčešći na Globus područja s normalnim temperaturnim gradijentom (manjim od 40 °C/km) s gustoćom toplinskih tokova koji izlaze prema površini ≈ 0,06 W/m2. Ovdje je malo vjerojatna ekonomska izvedivost vađenja topline iz utrobe Zemlje.

U polu-termalnom područja, temperaturni gradijent je 40-80 °C/km. Ovdje je preporučljivo koristiti toplinu podzemlja za grijanje, u staklenicima i balneologiji.

U hipertermalnoj područjima (u blizini granica kore platformi) gradijent je veći od 80 °C/km. Ovdje je poželjno izgraditi geotermalnu elektranu.

Uz poznati temperaturni gradijent, moguće je odrediti temperaturu vodonosnika prije početka njegove eksploatacije:

T g = To + (dT/dz)·z,

gdje je T o temperatura na površini Zemlje, K (°C).

U proračunskoj praksi karakteristike geotermalne energije obično se odnose na 1 km 2 površine F.

Toplinski kapacitet formacije Cpl (J/K) može se odrediti jednadžbom

C pl =[α·ρ u ·C u +(1- α)·ρ gr ·C gr ]·h·F,

gdje su p in i C in gustoća odnosno izobarna specifična toplina

r gr i C gr - gustoća i specifični toplinski kapacitet tla (formacijske stijene); obično p gr = 820-850 J/(kg K).

Ako postavite minimalnu dopuštenu temperaturu na kojoj se može koristiti toplinska energija formacije T 1 (K), tada možete procijeniti njen toplinski potencijal na početku rada (J):

E 0 =C pl (T 2 -T 1)

Vremenska konstanta ležišta τ 0 ( moguće vrijeme njegova uporaba, godine) u slučaju oduzimanja toplinske energije pumpanjem vode u nju s volumenskim protokom V (m 3 /s) može se odrediti jednadžbom:

τ 0 =C pl /(V·ρ u ·S u)

Smatra se da se toplinski potencijal ležišta tijekom njegovog razvoja mijenja prema eksponencijalnom zakonu:

E=E 0 ·e -(τ / τ o)

gdje je τ broj godina od početka rada;

e je baza prirodnih logaritama.

Toplinska snaga geotermalni rezervoar u vremenu τ (godine od početka razvoja) u W (MW):

Problem 2 Vjeruje se da je stvarna učinkovitost η oceanska termoelektrana koja koristi temperaturnu razliku između površinskih i dubinskih voda (T 1 -T 2) = ∆T i radi na Rankineovom ciklusu je polovica toplinske učinkovitosti postrojenja koje radi na Carnotovom ciklusu, η t k . Procijenite moguću vrijednost stvarne učinkovitosti OTES-a, čiji je radni fluid amonijak, ako je temperatura vode na površini oceana t , °S, i temperatura vode na dubini oceana t 2 , °C. Kolika je potrošnja tople vode V , m/h bit će potreban za OTES s kapacitetom N MW?

Problem 2 posvećen je mogućnostima korištenja temperaturne razlike između površinskih i dubokih oceanskih voda za proizvodnju električne energije u OTES-u koji radi prema dobro poznatom Rankineovom ciklusu. Radni fluid trebao bi koristiti tvari niskog vrelišta (amonijak, freon). Zbog malih temperaturnih razlika (∆T=15÷26 o C), toplinska učinkovitost instalacije koja radi na Carnotovom ciklusu je samo 5-9%. Stvarna učinkovitost instalacije koja radi prema Rankineovom ciklusu bit će upola manja. Kao rezultat toga, da bi se dobio udio relativno malih kapaciteta na OTES-u, potrebni su veliki protoki "tople" i "hladne" vode i, posljedično, veliki promjeri ulaznih i izlaznih cjevovoda.

Q 0 =p·V·C p ·∆T,

gdje je p gustoća morske vode, kg/m3;

C p - maseni toplinski kapacitet morske vode, J/(kg K);

V - volumetrijski protok vode, m 3 / s;

∆T = T 1 -T 2 - temperaturna razlika površinskih i dubokih voda

(temperaturna razlika ciklusa) u °C ili K.

U idealnom teoretskom Carnotovom ciklusu, mehanička snaga N 0 (W) može se definirati kao

N 0 =η t k · Q o ,

ili uzimajući u obzir (1) i izraz za toplinsku učinkovitost Carnotovog ciklusa η t k:

N 0 =p·C p ·V·(∆T) 2 /T 1.

Problem 3 Dvokružna parno-vodena geotermalna elektrana s električnom energijom N prima toplinu od vode iz geotermalnih izvora na temperaturi t gc . Suha zasićena para na izlazu iz generatora pare ima 20 0 C nižu temperaturu od t gc . Para se širi u turbini i ulazi u kondenzator, odakle se hladi vodom okoliš s temperaturom t xv . Rashladna voda se u kondenzatoru zagrije za 12 0 C. Kondenzat ima 20 0 C višu temperaturu od t xv . Geotermalna voda izlazi iz postrojenja za proizvodnju pare na temperaturi 15 0 C višoj od kondenzata. Relativni unutarnji koeficijent turbine η oi , električna učinkovitost turbogeneratora η e =0,96. Odrediti toplinsku učinkovitost Rankineovog ciklusa, potrošnju pare i specifična potrošnja topline, potrošnje vode iz geotermalnih izvora i iz okoliša.

U geotermalnoj elektrani s jednokružnom parnom turbinom entalpija suhe zasićene pare nakon separacije određena je temperaturom geotermalne vode t gv. Iz tablica termodinamičkih svojstava vode i vodene pare odn h-s karte s. U slučaju dvokružnog GeoTEP-a uzima se u obzir temperaturna razlika u generatoru pare Δt. Ostatak proračuna provodi se kao za termoelektranu solarne parne turbine.

Potrošnja pare određena je iz relacije

kg/s,

gdje je η t toplinska učinkovitost ciklusa,

η oí – Relativna unutarnja učinkovitost turbine,

η e – električna učinkovitost turbogeneratora,

N – snaga GeoTEU, kW,

Potrošnja tople vode iz geotermalnih izvora određuje se iz formule

, kg/s,

potrošnja hladna voda iz okoline do kondenzacije pare

, kg/s,

gdje je s = 4,19 kJ/kg∙K – toplinski kapacitet vode,

η pg – učinkovitost generatora pare,

Δt pg – temperaturna razlika geotermalne vode u generatoru pare, 0 C,

Δt xv – temperaturna razlika hladne vode u kondenzatoru, 0 C.

Proračun geotermalnih elektrana s niskim vrelištem i miješanim radnim fluidima provodi se pomoću tablica termodinamičkih svojstava i h-s dijagrama para ovih tekućina.