Berekening van het thermische schema van een geothermische energiecentrale. Geothermische energie

BEREKENING VAN EEN GEOTHERMISCHE KRACHTCENTRALE

We zullen het thermische schema van een geothermische energiecentrale van het binaire type berekenen, volgens.

Onze aardwarmtecentrale bestaat uit twee turbines:

De eerste werkt op verzadigde waterdamp verkregen in de expander. Elektrische energie - ;

De tweede werkt op verzadigde stoom van R11-freon, die verdampt door de warmte van water dat uit de expander wordt verwijderd.

Water uit geothermische putten met druk pgw en temperatuur tgw komt de expander binnen. De expander genereert droge verzadigde stoom bij een druk van pp. Deze stoom wordt naar een stoomturbine gestuurd. Het resterende water uit de expander gaat naar de verdamper, waar het afkoelt en weer in de put terechtkomt. temperatuurverschil in verdampingsinstallatie= 20°С. De werkvloeistoffen zetten uit in de turbines en komen de condensors binnen, waar ze worden gekoeld door water uit de rivier met een temperatuur txw. Waterverwarming in de condensor = 10°C, en onderkoeling tot verzadigingstemperatuur = 5°C.

Relatieve interne efficiëntie van turbines. Elektromechanische efficiëntie van turbogeneratoren = 0,95.

De eerste gegevens zijn weergegeven in tabel 3.1.

Tabblad. 3.1. Initiële gegevens voor GeoPP-berekening

Schematisch diagram van GeoPP van binair type (Fig. 3.2).

Rijst. 3.2.

Volgens het schema in afb. 3.2 en de eerste gegevens voeren we berekeningen uit.

Berekening van het schema van een stoomturbine die werkt op droge verzadigde stoom

Stoomtemperatuur bij de inlaat van de turbinecondensor:

waar is de temperatuur van het koelwater bij de condensorinlaat; - waterverwarming in de condensor; is het temperatuurverschil in de condensor.

De stoomdruk in de turbinecondensor wordt bepaald aan de hand van de tabellen met eigenschappen van water en stoom:

Beschikbare warmtedaling naar de turbine:

waar is de enthalpie van droge verzadigde stoom bij de turbine-inlaat; - enthalpie aan het einde van het theoretische stoomexpansieproces in de turbine.

Stoomstroom van expander naar stoomturbine:

waar is de relatieve interne? stoom efficiëntie turbines; - elektromechanische efficiëntie van turbogeneratoren.

Berekening geothermische waterexpander

Expander warmtebalans vergelijking

waar is de stroomsnelheid van geothermisch water uit de put; - enthalpie van geothermisch water uit de put; - waterstroom van de expander naar de verdamper; - enthalpie van geothermisch water aan de uitlaat van de expander. Het wordt bepaald uit de tabellen met eigenschappen van water en waterdamp als de enthalpie van kokend water.

Uitbreiding Materiaal Balans Vergelijking

Door deze twee vergelijkingen samen op te lossen, is het noodzakelijk om te bepalen en.

De temperatuur van geothermisch water aan de uitlaat van de expander wordt bepaald uit de tabellen met eigenschappen van water en waterdamp als de verzadigingstemperatuur bij de druk in de expander:

Bepaling van parameters op karakteristieke punten van het thermische circuit van een turbine die werkt in freon

Freondamptemperatuur bij de turbine-inlaat:

Freon-damptemperatuur aan de uitlaat van de turbine:

De enthalpie van freondamp bij de turbine-inlaat wordt bepaald door: p-h diagram voor freon op de verzadigingslijn bij:

240 kJ/kg.

De enthalpie van freondamp aan de uitlaat van de turbine wordt bepaald uit het ph-diagram voor freon op het snijpunt van de lijnen en de temperatuurlijn:

220 kJ/kg.

De enthalpie van kokende freon aan de uitlaat van de condensor wordt bepaald uit het ph-diagram voor freon op de curve voor kokende vloeistof op basis van temperatuur:

215 kJ/kg.

Verdamper berekening

Temperatuur van geothermisch water aan de uitlaat van de verdamper:

Verdamper warmtebalans vergelijking:

waar is de warmtecapaciteit van water. Accepteren = 4,2 kJ / kg.

Uit deze vergelijking moet worden bepaald.

Berekening van het vermogen van een turbine die op freon werkt

waar is de relatieve interne efficiëntie van de freon-turbine; - elektromechanische efficiëntie van turbogeneratoren.

Bepaling van het vermogen van de pomp voor het pompen van aardwarmte in de put

waar het rendement van de pomp is, wordt uitgegaan van 0,8; - gemiddeld soortelijk volume geothermisch water.

Doel van de lezing: tonen de mogelijkheden en manieren van het gebruik van aardwarmte inen.

Warmte in de vorm van warmwaterbronnen en geisers kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken door: verschillende schema's bij geothermische centrales (GeoES). Het gemakkelijkst te implementeren schema is een schema met een paar vloeistoffen met een laag kookpunt. Warm water van natuurlijke bronnen Door een dergelijke vloeistof in de verdamper op te warmen, wordt deze omgezet in stoom, die in de turbine wordt gebruikt en dient als aandrijving voor de stroomgenerator.

Figuur 1 toont een cyclus met één werkvloeistof, bijvoorbeeld met water of freon ( a); cyclus met twee werkvloeistoffen - water en freon ( b); directe stoomcyclus ( in) en een cyclus met twee lussen ( G).

productietechnologieën elektrische energie hangen grotendeels af van het thermische potentieel van thermaal water.

Afbeelding. 1 - Voorbeelden van kringlooporganisatie voor elektriciteitsopwekking:

I - geothermische bron; II - turbinecyclus; III - koelwater

Hoge potentiële afzettingen maken het gebruik van praktisch traditionele ontwerpen van thermische krachtcentrales met stoomturbines mogelijk.

tafel 1 -Specificaties: geothermische centrales

Figuur 2 laat het meest zien eenvoudige schakeling een kleine elektriciteitscentrale (GeoES) die gebruik maakt van de warmte van een hete ondergrondse bron.

Water uit een warmwaterbron met een temperatuur van ongeveer 95°C wordt door pomp 2 naar ontgasser 3 gepompt, waar de daarin opgeloste gassen worden afgescheiden.

Vervolgens komt het water in de verdamper 4, waar het wordt omgezet in verzadigde stoom en enigszins oververhit door de hitte van de stoom (van de hulpketel), die eerder is afgevoerd in de condensor-ejector.

Licht oververhitte stoom werkt wel in turbine 5, op de as waarvan een stroomgenerator staat. De uitlaatstoom condenseert in condensor 6, die wordt gekoeld door water op normale temperatuur.

Figuur 2-. Schema van een kleine GeoPP:

1 - ontvanger heet water; 2 - warmwaterpomp; 3 - gasverwijderaar;

4 - verdamper; 5 - stoomturbine met een stroomgenerator; 6 - condensator; 7 - circulatiepomp; 8 - koelwaterontvanger

Dergelijke eenvoudige installaties waren in de jaren vijftig al in gebruik in Afrika.

Een voor de hand liggende ontwerpoptie voor een moderne energiecentrale is een geothermische centrale met een laagkokende werkstof, weergegeven in figuur 3. Heet water uit de opslagtank komt de verdamper 3 binnen, waar het zijn warmte afgeeft aan een stof met een laag kookpunt. Dergelijke stoffen kunnen kooldioxide, verschillende freonen, zwavelhexafluoride, butaan, enz. zijn. Condensor 6 is een mengtype, dat wordt gekoeld door koud vloeibaar butaan dat uit een luchtkoeler aan het oppervlak komt. Een deel van het butaan uit de condensor wordt door de voedingspomp 9 aan de verwarmer 10 toegevoerd en vervolgens aan de verdamper 3.

Een belangrijk kenmerk: van deze regeling is het kunnen werken in wintertijd met lage condensatietemperaturen. Deze temperatuur kan bijna nul of zelfs negatief zijn, omdat alle vermelde stoffen een zeer laag vriespunt hebben. Hierdoor kunt u de temperatuurlimieten die in de cyclus worden gebruikt aanzienlijk uitbreiden.

Afbeelding 3. Schema van een geothermische energiecentrale met een laagkokende werkstof:

1 - put, 2 - opslagtank, 3 - verdamper, 4 - turbine, 5 - generator, 6 - condensor, 7 - circulatiepomp, 8 - oppervlakteluchtkoeler, 9 - voedingspomp, 10 - werkmediumverwarmer

Geothermisch elektriciteitscentrale met onmiddellijk gebruik makend van natuurlijke stoom.

De eenvoudigste en meest betaalbare geothermische krachtcentrale is een tegendrukstoomturbine. Natuurlijke stoom uit de put wordt rechtstreeks aan de turbine geleverd en vervolgens in de atmosfeer of in een apparaat dat waardevolle chemicaliën opvangt, vrijgelaten. De tegendrukturbine kan worden voorzien van secundaire stoom of stoom verkregen uit een afscheider. Volgens dit schema werkt de energiecentrale zonder condensatoren en is er geen compressor nodig om niet-condenseerbare gassen uit de condensatoren te verwijderen. Deze installatie is het eenvoudigst, kapitaal- en bedrijfskosten hiervoor zijn minimaal. Het beslaat een klein gebied, bijna niet nodig! hulpapparatuur en het is eenvoudig aan te passen als draagbare geothermische energiecentrale (Figuur 4).

Figuur 4 - Schema van een geothermische energiecentrale met direct gebruik van natuurlijke stoom:

1 - goed; 2 - turbine; 3 - generator;

4 - uitgang naar de atmosfeer of naar een chemische fabriek

Het overwogen schema kan het meest winstgevend worden voor die gebieden waar er voldoende natuurlijke stoomreserves zijn. Rationele operatie biedt een kans effectief werk een dergelijke installatie zelfs met een variabel brondebiet.

Er zijn verschillende van dergelijke stations in Italië. Een van hen heeft een capaciteit van 4.000 kW bij een specifiek stoomverbruik van ongeveer 20 kg / s of 80 t / u; de andere met een vermogen van 16 duizend kW, waar vier turbogeneratoren met elk een vermogen van 4 duizend kW zijn geïnstalleerd. De laatste wordt van stoom voorzien van 7-8 putten.

Geothermische centrale met condensatieturbine en direct gebruik van natuurlijke stoom (Figuur 5) is het modernste schema voor het opwekken van elektrische energie.

De stoom uit de put wordt in de turbine gevoerd. Doorgebracht in de turbine, komt het in de mengcondensor. Een mengsel van koelwater en condensaat van stoom dat al in de turbine is uitgeput, wordt uit de condensor afgevoerd naar een ondergrondse tank, van waaruit het wordt afgevoerd. circulatiepompen en naar de koeltoren gestuurd voor koeling. Vanuit de koeltoren komt het koelwater weer de condensor binnen (Figuur 5).

Volgens dit schema, met enkele wijzigingen, werken veel geothermische energiecentrales: Larderello-2 (Italië), Wairakei ( Nieuw-Zeeland) en etc.

Domein dubbelcircuitcentrales op laagkokende werkstoffen (freon-R12, water-ammoniak mengsel,) is het gebruik van warmte van thermaal water met een temperatuur van 100 ... 200 ° C, evenals gescheiden water in de afzettingen van stoomhydrothermen.

Figuur 5 - Schema van een geothermische centrale met een condensatieturbine en direct gebruik van natuurlijke stoom:

1 - goed; 2 - turbine; 3 - generator; 4 - pomp;

5 - condensator; 6 - koeltoren; 7 - compressor; 8 - resetten

gecombineerd productie van elektrische en thermische energie

Gecombineerde productie van elektrische en thermische energie is mogelijk bij geothermische thermische centrales (GeoTPP).

Het eenvoudigste diagram van een GeoTPP van het vacuümtype voor het gebruik van de warmte van warm water met een temperatuur tot 100 ° C wordt weergegeven in figuur 6.

De werking van een dergelijke energiecentrale verloopt als volgt. Heet water uit put 1 komt in opslagtank 2. In de tank wordt het ontdaan van de daarin opgeloste gassen en gaat het naar expander 3, waarin een druk van 0,3 atm wordt gehandhaafd. Bij deze druk en bij een temperatuur van 69 ° C verandert een klein deel van het water in stoom en wordt naar de vacuümturbine 5 gestuurd, en het resterende water wordt door de pomp 4 naar het warmtetoevoersysteem gepompt. De in de turbine afgevoerde stoom wordt afgevoerd naar de mengcondensor 7. Om lucht uit de condensor te verwijderen, wordt een vacuümpomp 10 geïnstalleerd door zwaartekracht als gevolg van afvoer.

De Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP met een capaciteit van 12 MW (3x4 MW) is een proeffase van de Mutnovskaya GeoTPP met een ontwerpcapaciteit van 200 MW, gecreëerd om de industriële regio Petropavlovsk-Kamchatsky van elektriciteit te voorzien.

Figuur 6 -. Schema van een vacuüm GeoTPP met één expander:

1 - put, 2 - opslagtank, 3 - expander, 4 - warmwaterpomp, 5 - vacuümturbine 750 kW, 6 - generator, 7 - mengcondensor,

8 - koelwaterpomp, 9 - ventilator koeltoren, 10 - vacuümpomp

In de geothermische energiecentrale Pauzhetskaya (ten zuiden van Kamtsjatka) met een capaciteit van 11 MW gebruiken stoomturbines alleen gescheiden geothermische stoom uit een stoom-watermengsel verkregen uit geothermische bronnen. Een grote hoeveelheid geothermisch water (ongeveer 80  van het totale PVA-verbruik) met een temperatuur van 120 ° C wordt geloosd in de paaiende Ozernaya-rivier, wat niet alleen leidt tot verlies van het thermische potentieel van het geothermische koelmiddel, maar ook aanzienlijk verslechtert de ecologische toestand van de rivier.

Warmtepompen

Warmtepomp- een inrichting voor het overdragen van thermische energie van een bron van laagwaardige thermische energie met een lage temperatuur naar een warmtedragerverbruiker met een hogere temperatuur. Thermodynamisch gezien is een warmtepomp een omgekeerde koelmachine. Als in koelmachine het belangrijkste doel is om koude te produceren door warmte van elk volume door de verdamper te halen, en de condensor geeft warmte af aan de omgeving, en in de warmtepomp is het beeld omgekeerd (Figuur 7). De condensor is een warmtewisselaar die warmte genereert voor de consument, en de verdamper is een warmtewisselaar die gebruik maakt van laagwaardige warmte in waterlichamen, bodems, riolering enzovoort. Afhankelijk van het werkingsprincipe worden warmtepompen onderverdeeld in compressie en absorptie. Compressie-warmtepompen worden altijd aangedreven door een elektromotor, terwijl absorptie-warmtepompen ook warmte als energiebron kunnen gebruiken. De compressor heeft ook een bron van laagwaardige warmte nodig.

Tijdens bedrijf verbruikt de compressor elektriciteit. De verhouding tussen opgewekte thermische energie en verbruikte elektrische energie wordt de transformatieverhouding (of warmteomzettingscoëfficiënt) genoemd en dient als een indicator van de efficiëntie warmtepomp. Deze waarde is afhankelijk van het verschil tussen de temperatuurniveaus in de verdamper en condensor: hoe groter het verschil, hoe kleiner deze waarde.

Door soort koelvloeistof in de ingangs- en uitgangscircuits zijn de pompen onderverdeeld in zes typen: "grondwater", "water-water", "lucht-water", "grondlucht", "water-lucht", "lucht-lucht" .

Wanneer bodemenergie als warmtebron wordt gebruikt, wordt de pijpleiding waarin de vloeistof circuleert, 30-50 cm onder het bodemvriesniveau in de gegeven regio in de grond begraven (Figuur 8). Voor het plaatsen van een warmtepomp met een vermogen van 10 kW is een 350-450 m lang aardingscircuit nodig, waarvoor een perceel van ongeveer 400 m² (20x20 m) nodig is.

Afbeelding 7 - Schema van de werking van de warmtepomp

Figuur 8 - Gebruik van bodemenergie als warmtebron

Allereerst zijn de voordelen van warmtepompen de kosteneffectiviteit: om 1 kWh thermische energie over te dragen naar het verwarmingssysteem, moet de HPP-installatie 0,2-0,35 kWh elektriciteit verbruiken. Alle systemen werken met gesloten circuits en praktisch vereisen geen bedrijfskosten, behalve de kosten van elektriciteit die nodig is om de apparatuur te laten werken, die kan worden verkregen uit wind- en zonne-energiecentrales. De terugverdientijd van warmtepompen is 4-9 jaar, met een levensduur van 15-20 jaar vóór grote reparaties.

De werkelijke rendementswaarden van moderne warmtepompen zijn in de orde van COP = 2,0 bij een brontemperatuur van -20 °C, en in de orde van COP = 4,0 bij een brontemperatuur van +7 °C.

Geothermische energiebronnen in Rusland hebben een aanzienlijk industrieel potentieel, inclusief energie. De warmtereserves van de aarde met een temperatuur van 30-40 °С (Fig. 17.20, zie kleurbijlage) zijn bijna in heel Rusland beschikbaar en in sommige regio's zijn er geothermische bronnen met temperaturen tot 300 °С. Afhankelijk van de temperatuur worden aardwarmtebronnen gebruikt in verschillende industrieën nationale economie: elektriciteitsindustrie, warmtevoorziening, industrie, landbouw, balneologie.

Bij temperaturen van geothermische bronnen boven de 130 ° C is het mogelijk om elektriciteit op een enkel circuit te verkrijgen geothermische centrales(GeoES). Een aantal regio's van Rusland heeft echter aanzienlijke reserves aan geothermische wateren met een lagere temperatuur van ongeveer 85 ° C en hoger (Fig. 17.20, zie kleurbijlage). In dit geval is het mogelijk om bij de GeoPP elektriciteit te verkrijgen met een binaire cyclus. Binaire krachtcentrales zijn stations met twee circuits die hun eigen werkvloeistof in elk circuit gebruiken. Binaire stations worden soms ook enkelvoudige stations genoemd die werken op een mengsel van twee werkvloeistoffen - ammoniak en water (Fig. 17.21, zie kleurenbijlage).

De eerste geothermische centrales in Rusland werden gebouwd in Kamtsjatka in 1965-1967: de Pauzhetskaya GeoPP, die de goedkoopste elektriciteit exploiteert en momenteel produceert in Kamtsjatka, en de Paratunskaya GeoPP met een binaire cyclus. In de toekomst zijn er wereldwijd zo'n 400 GeoPP's met een binaire cyclus gebouwd.

In 2002 werd de Mutnovskaya GeoPP in Kamtsjatka in gebruik genomen met twee krachtbronnen met een totale capaciteit van 50 MW.

Het technologische schema van de krachtcentrale voorziet in het gebruik van stoom die wordt verkregen door tweetrapsscheiding van het stoom-watermengsel uit geothermische putten.

Na scheiding komt stoom met een druk van 0,62 MPa en een droogheidsgraad van 0,9998 een dubbelstroomstoomturbine met acht trappen binnen. Gepaard met stoomturbine een generator met een nominaal vermogen van 25 MW en een spanning van 10,5 kV is in bedrijf.

Om ervoor te zorgen dat het milieu schoon is in technologisch schema De elektriciteitscentrale voorziet in een systeem om condensaat te pompen en terug af te scheiden in de aardlagen, en om de uitstoot van waterstofsulfide in de atmosfeer te voorkomen.

Geothermische bronnen worden veel gebruikt voor warmtevoorziening, vooral bij direct gebruik van heet geothermisch water.

Bij warmtepompen moeten laagpotentiële aardwarmtebronnen met een temperatuur van 10 tot 30 °C worden gebruikt. Een warmtepomp is een machine die is ontworpen om interne energie over te dragen van een koelmiddel met een lage temperatuur naar een koelmiddel met een hoge temperatuur met behulp van een externe invloed om werkzaamheden uit te voeren. Het werkingsprincipe van een warmtepomp is gebaseerd op de omgekeerde Carnot-cyclus.

De warmtepomp, die) kW elektrisch vermogen verbruikt, produceert 3 tot 7 kW thermisch vermogen aan het warmtetoevoersysteem. De transformatieverhouding varieert afhankelijk van de temperatuur van de laagwaardige aardwarmtebron.

Warmtepompen worden in veel landen over de hele wereld veel gebruikt. De krachtigste warmtepompinstallatie in Zweden is actief met een thermisch vermogen van 320 MW en gebruikt de warmte van de Oostzee.

Het rendement van het gebruik van een warmtepomp wordt voornamelijk bepaald door de verhouding tussen prijzen voor elektriciteit en thermische energie, evenals de transformatieverhouding, die aangeeft hoeveel keer meer thermische energie wordt geproduceerd in vergelijking met de verbruikte elektrische (of mechanische) energie.

De meest economische werking van warmtepompen is tijdens de periode van minimale belasting in het voedingssysteem. Hun werking kan helpen om de elektrische belastingscurven van het voedingssysteem gelijk te maken.

Literatuur voor zelfstudie

17.1.Gebruik waterenergie: een leerboek voor universiteiten / red. Yu.S. Vasiliev. -
4e druk, herzien. en extra Moskou: Energoatomizdat, 1995.

17.2.Vasiliev Yu.S., Vissarionov VI, Kubyshkin L.I. Waterkracht oplossing
taken op een computer. Moskou: Energoatomizdat, 1987.

17.3.Neporozhny P.S., Obrezkov V.I. Inleiding tot de specialiteit. waterkracht
teak: zelfstudie voor universiteiten. - 2e ed. Herzien. en extra M: Energoatomizdat,
1990.

17.4 Water-energie- en waterbeheerberekeningen: leerboek voor universiteiten /
red. IN EN. Vissarionov. Moskou: MPEI Publishing House, 2001.

17.5.Berekening bronnen zonne energie: leerboek voor universiteiten / ed.
IN EN. Vissarionov. Moskou: MPEI Publishing House, 1997.

17.6 Bronnen en hernieuwbare energie-efficiëntie
in Rusland / Team van auteurs. Sint-Petersburg: Nauka, 2002.

17.7.Dyakov AF, Perminov EM, Shakaryan Yu.G. Windenergie-industrie in Rusland. Staat
en ontwikkelingsperspectieven. Moskou: MPEI Publishing House, 1996.

17.8.Berekening windenergiebronnen: leerboek voor universiteiten / ed. IN EN. wissa
rionova. Moskou: MPEI Publishing House, 1997.

17.9 Moetnovski geothermisch elektrisch complex in Kamtsjatka / O.V. Britvin,

Onderwerp: Berekening van het thermische schema van een geothermische energiecentrale

De aardwarmtecentrale bestaat uit twee turbines:

de eerste werkt op verzadigde waterdamp verkregen in een expansie

lichaam. Elektrische energie - N ePT = 3 MW;

de tweede - werkt op verzadigde stoom van freon - R11, die wordt gebruikt

ryatsya vanwege de hitte van het water dat uit de expander wordt verwijderd. Elektrisch

stroom - N eHT, MW.

Water uit geothermische bronnen met temperatuur t gv = 175 °С na-

gaat in de expander. De expander genereert droge verzadigde stoom met

25 graden koeler t bewakers Deze stoom wordt naar de baan gestuurd

turbine. Het resterende water van de expander gaat naar de verdamper, waar

60 graden afgekoeld en terug in de put gepompt. Niet goed-

brullen in de verdampingsinstallatie - 20 graden. Werklichamen breiden uit -

in de turbines en gaan de condensors binnen, waar ze worden gekoeld door water van

rivieren met temperatuur t xv \u003d 5 ° . De waterverwarming in de condensor is:

10 ºС, en onderkoeling tot verzadigingstemperatuur 5 ºС.

Relatief intern turbinerendement ç oi= 0,8. Elektromechanisch

kaal rendement van turbogeneratoren çem = 0,95 .

Definiëren:

elektrisch vermogen van de turbine die op freon werkt - N eChT en

totale kracht GeoTPP;

verbruik van werkvloeistoffen voor beide turbines;

waterstroom uit de put;

Efficiëntie van GeoTPP.

Neem de initiële gegevens uit tabel 3 volgens de opties.

tafel 3

Initiële gegevens voor taak nr. 3

UITGANG

3. Bepaal de enthalpieën op karakteristieke punten:

4. We berekenen het beschikbare warmteverlies in de turbine:

vrij vrij

5. We vinden de werkelijke warmtedaling in de turbine:

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

6. Verbruik van stoom (water uit een geothermische bron) voor water

turbine wordt gevonden door de formule:

DoPT =

NiPT ⋅ç Em

5,3kg /met .

7. Waterstroom van de geothermische bron naar de verdamper en

de gehele GeoTPP in het algemeen wordt gevonden uit het stelsel vergelijkingen:

PT ISP

Als we dit systeem oplossen, vinden we:

7.1 waterstroom van de geothermische put naar de verdamper:

hHW −pk

2745,9 − 733,25

733,25 − 632, 25

7.2 waterstroom uit een geothermische bron in het algemeen

DGV = 5,3 + 105,6 = 110,9kg /met .

8. Freonverbruik in de tweede turbine wordt gevonden uit de warmtevergelijking

balans:

ISP OUT XT XT

waar ç en= 0,98 - Efficiëntie van de verdamper.

⋅ç en ⋅

pk −hout

105,6 ⋅ 0,98 ⋅

632,25 − 376,97

114,4kg /met .

9. Het elektrisch vermogen van de tweede turbine, die op koeling draait

Klaar, wordt bepaald door de formule:

waar HiXT = (pk −h XT)ç oi- werkelijke warmtedaling seconde

XT XT T

10. Het totale elektrische vermogen van de GeoTPP is gelijk aan:

GeoTES HT

11. Laten we de efficiëntiefactor van GeoTPP vinden:

ç GeoTPP

GeoTPP

D −h

⎜ ⎜D

N eGeoTPP

⎛ ⎛ 5,3 105,6 ⎞ ⎞

⎝ 110,9 110,9 ⎠ ⎠

Oefening #6

Doel: maak kennis met het werkingsprincipe van GeoTPP en oceaanthermische energieconversietechnologieën (OTEC), evenals met de methodologie voor hun berekening.

Lesduur- twee uur

Werkproces:

1. Maak op basis van het theoretische deel van het werk kennis met het werkingsprincipe van de GeoTPP en de technologieën voor het omzetten van de thermische energie van de oceaan (PTEC.

2. Los praktische problemen op in overeenstemming met de individuele taak.

1. THEORETISCH DEEL

Gebruik van thermische energie uit de oceaan

Ocean Thermal Energy Conversion Technology (OTEC) wekt elektriciteit op uit het temperatuurverschil tussen warm en koud oceaanwater. Koud water wordt door een leiding gepompt vanaf een diepte van meer dan 1000 meter (vanaf een plek waar de zonnestralen nooit komen). Het systeem gebruikt ook warm water uit een gebied dicht bij het oppervlak van de oceaan. Het door de zonnestralen verwarmde water gaat door een warmtewisselaar met Chemicaliën met een laag kookpunt, zoals ammoniak, die een chemische stoom creëert die de turbines van elektrische generatoren aandrijft. De damp wordt vervolgens terug gecondenseerd in vloeibare vorm met behulp van gekoeld water uit de diepe oceaan. Tropische gebieden worden beschouwd als de beste plaats om PTEC-systemen te plaatsen. Dit komt door het grotere temperatuurverschil tussen water in ondiep water en op diepte.

In tegenstelling tot wind- en zonneparken, kunnen thermische energiecentrales in de oceaan 24 uur per dag, 365 dagen per jaar schone elektriciteit produceren. Het enige bijproduct van dergelijke krachtbronnen is koud water, dat kan worden gebruikt voor koeling en airconditioning in administratieve en woongebouwen in de buurt van de elektriciteitsproductie-installatie.

Gebruik van aardwarmte

Geothermische energie is de energie die wordt verkregen uit de natuurlijke warmte van de aarde. Deze warmte kan worden bereikt met behulp van putten. De geothermische helling in de put neemt elke 36 meter met 1°C toe. Deze warmte wordt aan de oppervlakte afgegeven in de vorm van stoom of heet water. Dergelijke warmte kan zowel direct worden gebruikt voor het verwarmen van huizen en gebouwen als voor de productie van elektriciteit.

Volgens verschillende schattingen is de temperatuur in het centrum van de aarde minimaal 6650 °C. De afkoelingssnelheid van de aarde is ongeveer gelijk aan 300-350 ° C per miljard jaar. De aarde straalt 42·10 12 W warmte uit, waarvan 2% wordt opgenomen in de korst en 98% in de mantel en kern. Moderne technologieën laat geen te diep vrijkomende warmte bereiken, maar ook 84000000000 W (2%) beschikbare aardwarmte kan voorzien in de behoefte van de mensheid aan lange tijd. De gebieden rond de randen van de continentale platen zijn beste plaats voor de bouw van geothermische stations, omdat de bast in dergelijke gebieden veel dunner is.

Er zijn verschillende manieren om energie te krijgen bij GeoTPP:

· Direct schema: stoom wordt via leidingen naar turbines gestuurd die zijn aangesloten op elektrische generatoren;

· Indirect circuit: vergelijkbaar met het directe circuit, maar voordat de stoom de leidingen binnengaat, wordt de stoom ontdaan van gassen die de leidingen beschadigen;

· Gemengd circuit: vergelijkbaar met het directe circuit, maar na condensatie worden gassen die er niet in zijn opgelost uit het water verwijderd.

2. PRAKTIJK DEEL

Taak 1. Bepaal de starttemperatuur t2 en hoeveelheid aardwarmte E o (J) aquifer dikte: h km op diepte z km, als de kenmerken van het reservoirgesteente worden gegeven: dichtheid p gr \u003d 2700 kg / m3; porositeit a = 5%; specifieke hitte C gr =840 J/(kgK). temperatuurgradiënt (dT/dz) in °C / km, selecteer volgens de tabel met taakopties.

Gemiddelde oppervlaktetemperatuur tot nemen gelijk aan 10 °C. Specifieke warmtecapaciteit van water Van naar = 4200 J/(kgK); dichtheid van water ρ \u003d 1 10 3 kg / m 3. Bereken met betrekking tot oppervlakte F \u003d 1km 2. Minimum toegestane temperatuur reservoir gelijk te nemen t1=40 °C.

Bepaal ook de tijdconstante van extractie van thermische energie O (jaren) wanneer water in het reservoir wordt geïnjecteerd en het verbruik ervan V \u003d 0,1 m 3 / (s km 2). Wat zal het thermische vermogen zijn dat in eerste instantie wordt geëxtraheerd? (dE/dz) =0 en na 10 jaar (dE/dz) =10?

Taak 1 is gewijd aan het thermische potentieel van geothermische energie geconcentreerd in natuurlijke watervoerende lagen op diepte z (km) van aardoppervlak. Gewoonlijk is de dikte van de watervoerende laag h (km) kleiner dan de diepte. De laag heeft een poreuze structuur - rotsen hebben poriën gevuld met water (porositeit wordt geschat door de coëfficiënt α). gemiddelde dichtheid hard Rock aardkorst p gr \u003d 2700 kg / m 3, en de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt λ gr \u003d 2 W / (m K). De verandering van de grondtemperatuur richting het aardoppervlak wordt gekenmerkt door een temperatuurgradiënt (dT/dz), gemeten in °C/km of K/km.

Meest voorkomende op de wereldbol gebieden met een normale temperatuurgradiënt (minder dan 40 ° C / km) met een dichtheid van warmtestromen die uitgaan naar het oppervlak van ≈ 0,06 W / m 2. De economische haalbaarheid van warmtewinning uit de ingewanden van de aarde is hier onwaarschijnlijk.

In semi-thermisch gebieden is de temperatuurgradiënt 40-80 °C/km. Hier is het raadzaam om de warmte van de darmen te gebruiken voor verwarming, in kassen, in balneologie.

bij hyperthermisch gebieden (nabij de grenzen van de platforms van de aardkorst) is de helling meer dan 80 °C/km. Het is handig om hier een GeoTPP te bouwen.

Met een bekende temperatuurgradiënt is het mogelijk om de temperatuur van de aquifer te bepalen vóór de start van de operatie:

T g \u003d T o + (dT / dz) z,

waarbij T o de temperatuur op het aardoppervlak is, K (° C).

In de rekenpraktijk worden de kenmerken van aardwarmte meestal aangeduid met 1 km 2 oppervlakte F.

De warmtecapaciteit van het reservoir C pl (J / K) kan worden bepaald door de vergelijking

C pl \u003d [α ρ in C in + (1- α) ρ gr C gr ] h F,

waarbij p in en C in respectievelijk de dichtheid en isobare soortelijke warmte zijn

p gr en C gr - dichtheid en soortelijke warmtecapaciteit van de bodem (formatiegesteenten); meestal p gr \u003d 820-850 J / (kg K).

Als u de minimaal toegestane temperatuur instelt waarbij u de thermische energie van het reservoir T 1 (K) kunt gebruiken, kunt u het thermische potentieel ervan schatten bij de start van de werking (J):

E 0 \u003d C pl (T 2 -T 1)

Reservoir tijdconstante τ 0 ( mogelijke tijd gebruik, jaren) in het geval van verwijdering van thermische energie door er water in te pompen met een volumestroom V (m 3 / s) kan worden bepaald door de vergelijking:

τ 0 \u003d C pl / (V ρ in C in)

Er wordt aangenomen dat het thermische potentieel van het reservoir tijdens zijn ontwikkeling verandert volgens de exponentiële wet:

E=E 0 e -(τ / τ o)

waarbij τ het aantal jaren is sinds de start van de exploitatie;

e is de basis van natuurlijke logaritmen.

Thermische kracht geothermisch reservoir op tijdstip τ (jaren sinds ontwikkeling) in W (MW):

Taak 2 Er wordt aangenomen dat de werkelijke efficiëntie η oceanische thermische centrale, die gebruik maakt van het temperatuurverschil van oppervlaktewater en diep water (T 1 -T 2) = ∆T en werkt volgens de Rankine-cyclus, is de helft van het thermische rendement van de centrale die werkt volgens de Carnot-cyclus, t k . Schat de mogelijke waarde van de werkelijke efficiëntie van de OTES, waarvan de werkvloeistof ammoniak is, als de watertemperatuur op het oceaanoppervlak t , °С, en de watertemperatuur op de diepte van de oceaan t2 , °С. Wat is het verbruik van warm water V , m/u is vereist voor OTES met een capaciteit van N MW?

Taak 2 is gewijd aan de vooruitzichten om het temperatuurverschil tussen het oppervlaktewater en de diepe oceaanwateren te gebruiken om elektriciteit op te wekken bij de OTES die werkt volgens de bekende Rankine-cyclus. Als werkvloeistof wordt het gebruik van laagkokende stoffen (ammoniak, freon) verondersteld. Door kleine temperatuurverschillen (∆T=15÷26 o C) is het thermisch rendement van een installatie die werkt volgens de Carnot-cyclus slechts 5-9%. De werkelijke efficiëntie van een fabriek die op de Rankine-cyclus draait, zal de helft daarvan zijn. Om een ​​aandeel van relatief kleine capaciteiten bij OTES te krijgen, zijn daarom grote verbruiken van "warm" en "koud" water nodig en bijgevolg enorme diameters van in- en uitlaatpijpleidingen.

Q 0 = p V C p ∆T,

waarbij p de dichtheid van zeewater is, kg / m 3;

C p - massawarmtecapaciteit van zeewater, J / (kg K);

V - volumetrische waterstroom, m 3 / s;

∆T \u003d T 1 -T 2 - temperatuurverschil tussen oppervlakte- en diep water

(cyclustemperatuurverschil) in °C of K.

In een ideale theoretische Carnot-cyclus kan het mechanische vermogen N 0 (W) worden gedefinieerd als

N 0 \u003d η t k Q o,

of rekening houdend met (1) en de uitdrukking voor het thermisch rendement van de Carnot-cyclus η t k:

N 0 \u003d p C p V (∆T) 2 /T 1.

Taak 3 Dubbel circuit stoom-water geothermische krachtcentrale met elektrische stroom N ontvangt warmte van water uit aardwarmtebronnen met een temperatuur t gs . Droge verzadigde stoom bij de uitlaat van de stoomgenerator heeft een temperatuur van 20 0 C lager dan t gs . De stoom zet uit in de turbine en komt de condensor binnen, waar het wordt gekoeld door water van omgeving met temperatuur t xv . Het koelwater wordt in de condensor met 12 0 C verwarmd. Het condensaat heeft een temperatuur van 20 0 C hoger dan t xv . Geothermisch water verlaat de stoomopwekkingsinstallatie met een temperatuur die 15 0 C hoger is dan het condensaat. Relatieve turbine interne coëfficiënt oi , elektrisch rendement van de turbogenerator e = 0,96. Bepaal de thermische efficiëntie van de Rankine-cyclus, stoomstroom en specifiek verbruik warmte, waterstroom uit geothermische bronnen en uit de omgeving.

In een enkelcircuit stoomturbine GeoTEP wordt de enthalpie van droge verzadigde stoom na scheiding bepaald door de temperatuur van geothermisch water t gw. Uit tabellen met thermodynamische eigenschappen van water en waterdamp of h-s diagrammen s. Bij een dubbelcircuit GeoTEU wordt rekening gehouden met het temperatuurverschil in de stoomgenerator Δt. Anders wordt de berekening uitgevoerd zoals voor een zonne-stoomturbine TPP.

Stoomverbruik wordt bepaald uit de verhouding

kg/s,

waarbij η t het thermische rendement van de cyclus is,

η оі - Relatieve interne efficiëntie van de turbine,

η e is het elektrisch rendement van de turbogenerator,

N is het vermogen van de GeoTEU, kW,

Het debiet van warm water uit geothermische bronnen wordt bepaald aan de hand van de formule

, kg/s,

consumptie koud water van het milieu naar stoomcondensatie

, kg/s,

waarbij c = 4,19 kJ/kg∙K de warmtecapaciteit van water is,

η pg is het rendement van de stoomgenerator,

Δt pg – temperatuurverschil van geothermisch water in de stoomgenerator, 0 С,

Δt xv - temperatuurdaling van koud water in de condensor, 0 C.

De berekening van GeoTEU met laagkokende en gemengde werkvloeistoffen wordt uitgevoerd met behulp van tabellen met thermodynamische eigenschappen en h-s-diagrammen van de dampen van deze vloeistoffen.