Calculul schemei termice a unei centrale geotermale. Energie geotermală

CALCULUL CENTRALEI GEOTERMIALE

Să calculăm circuitul termic al unei centrale geotermale de tip binar, conform.

Centrala noastră geotermală este formată din două turbine:

Primul operează pe vapori de apă saturați obținuți într-un expandor. Putere electrica - ;

Al doilea funcționează pe vapori saturați ai agentului frigorific R11, care se evaporă din cauza căldurii apei îndepărtate din expandor.

Apa din puțurile geotermale cu presiune pgw și temperatură tgw intră în expandor. Expansorul produce abur saturat uscat cu o presiune de pp. Acest abur este trimis la o turbină cu abur. Apa rămasă din expandor merge la evaporator, unde este răcită și se termină înapoi în puț. Diferența de temperatură în instalație de evaporare= 20°C. Fluidele de lucru se extind în turbine și intră în condensatoare, unde sunt răcite cu apa din râu la temperatura thw. Încălzirea apei în condensator = 10°C și subîncălzirea la temperatura de saturație = 5°C.

Eficiența internă relativă a turbinelor. Randamentul electromecanic al turbogeneratoarelor = 0,95.

Datele inițiale sunt prezentate în Tabelul 3.1.

Masă 3.1. Date inițiale pentru calcularea GeoPP

Schema schematică a unui GeoPP de tip binar (Fig. 3.2).

Orez. 3.2.

Conform diagramei din Fig. 3.2 și datele inițiale efectuăm calcule.

Calculul circuitului unei turbine cu abur care funcționează pe abur de apă saturată uscată

Temperatura aburului la admisia condensatorului turbinei:

unde este temperatura apei de răcire la intrarea în condensator; - incalzirea apei in condensator; - diferenta de temperatura in condensator.

Presiunea aburului în condensatorul turbinei este determinată din tabelele cu proprietățile apei și ale aburului de apă:

Pierderea de căldură disponibilă per turbină:

unde este entalpia aburului saturat uscat la intrarea turbinei; - entalpia la finalul procesului teoretic de expansiune a aburului în turbină.

Consumul de abur de la expandator la turbina cu abur:

unde este relativ intern Eficiența aburului turbine; - randamentul electromecanic al turbogeneratoarelor.

Calculul expansorului de apă geotermală

Ecuația echilibrului termic al expansorului

unde este debitul apei geotermale din puț; - entalpia apei geotermale dintr-un puţ; - curgerea apei de la expandator la evaporator; - entalpia apei geotermale la iesirea din expandor. Se determină din tabele de proprietăți ale apei și vaporilor de apă ca entalpia apei clocotite.

Ecuația bilanțului materialului expander

Rezolvând împreună aceste două ecuații, este necesar să se determine și.

Temperatura apei geotermale la ieșirea expansorului este determinată din tabelele cu proprietățile apei și vaporilor de apă ca temperatura de saturație la presiunea din expandor:

Determinarea parametrilor în puncte caracteristice ale circuitului termic al unei turbine care funcționează în freon

Temperatura vaporilor de freon la admisia turbinei:

Temperatura vaporilor de freon la ieșirea turbinei:

Entalpia vaporilor de agent frigorific la intrarea turbinei este determinată de diagrama p-h pentru freon pe linia de saturație la:

240 kJ/kg.

Entalpia vaporilor de freon la ieșirea turbinei este determinată din diagrama p-h pentru freonul de la intersecția liniilor și a liniei de temperatură:

220 kJ/kg.

Entalpia freonului de fierbere la ieșirea din condensator se determină din diagrama p-h pentru freon pe curba lichidului de fierbere după temperatură:

215 kJ/kg.

Calculul vaporizatorului

Temperatura apei geotermale la ieșirea din evaporator:

Ecuația echilibrului termic al vaporizatorului:

unde este capacitatea termică a apei. Luați =4,2 kJ/kg.

Din această ecuație este necesar să se determine.

Calculul puterii unei turbine care funcționează pe freon

unde este randamentul intern relativ al turbinei cu freon; - randamentul electromecanic al turbogeneratoarelor.

Determinarea puterii pompei pentru pomparea apei geotermale într-un puț

unde este randamentul pompei, presupus a fi 0,8; - volum specific mediu de apă geotermală.

Scopul prelegerii: arată posibilitățile și modalitățile de utilizare a căldurii geotermale în sistemele de alimentare cu energie electrică.

Căldura sub formă de izvoare termale și gheizere poate fi folosită pentru a genera electricitate prin diverse scheme la centralele geotermale (GeoPP). Schema cel mai ușor de implementat este cea care utilizează abur de lichide cu un punct de fierbere scăzut. Apa calda de la surse naturale, încălzind un astfel de lichid în evaporator, îl transformă în abur, care este utilizat în turbină și servește drept antrenare pentru generatorul de curent.

Figura 1 prezintă un ciclu cu un fluid de lucru, de exemplu apă sau freon ( O); ciclu cu două fluide de lucru – apă și freon ( b); ciclu direct de abur ( V) și ciclu cu dublu circuit ( G).

Tehnologii de producție energie electrica depind în mare măsură de potențialul termic al apelor termale.

Desen. 1 - Exemple de organizare a unui ciclu de producere a energiei electrice:

I – sursă geotermală; II – ciclul turbinei; III – apă de răcire

Depozitele cu potențial ridicat permit utilizarea modelelor aproape tradiționale ale centralelor termice cu turbine cu abur.

Tabelul 1 -Specificații centrale geotermale

Figura 2 arată cel mai mult circuit simplu o centrală electrică mică (GeoPP) care utilizează căldura unei surse subterane fierbinți.

Apa dintr-un izvor termal cu o temperatură de aproximativ 95 °C este furnizată de pompa 2 către dispozitivul de îndepărtare a gazelor 3, unde gazele dizolvate în acesta sunt separate.

Apoi, apa intră în evaporatorul 4, în care este transformată în abur saturat și ușor supraîncălzită din cauza căldurii aburului (de la boilerul auxiliar), care a fost evacuat anterior în ejectorul condensatorului.

Aburul ușor supraîncălzit funcționează în turbina 5, pe arborele căreia se află un generator de curent. Aburul evacuat este condensat în condensatorul 6, răcit cu apă la temperatură normală.

Figura 2-. Schema unui GeoPP mic:

1 – receptor apa calda; 2 – pompa de apa calda; 3 – îndepărtarea gazelor;

4 – evaporator; 5 – turbină cu abur cu generator de curent; 6 – condensator; 7 – pompa de circulatie; 8 – receptor de apă de răcire

Astfel de instalații simple funcționau în Africa deja în anii 50.

O opțiune evidentă de proiectare pentru o centrală modernă este o centrală geotermală cu o substanță de lucru cu punct de fierbere scăzut, prezentată în Figura 3. Apa fierbinte din rezervorul de stocare intră în evaporatorul 3, unde își degajă căldura unei substanțe cu un nivel scăzut de fierbere. punct de fierbere. Astfel de substanțe pot fi dioxid de carbon, diverși freoni, hexafluorură de sulf, butan etc. Condensatorul 6 este un tip de amestecare, care este răcit cu butan lichid rece care provine de la un răcitor de aer de suprafață. O parte din butanul din condensator este furnizată de pompa de alimentare 9 către încălzitorul 10 și apoi către evaporatorul 3.

Caracteristică importantă această schemă este capacitatea de a lucra în ora de iarna cu temperaturi scăzute de condensare. Această temperatură poate fi aproape de zero sau chiar negativă, deoarece toate substanțele enumerate au temperaturi de îngheț foarte scăzute. Acest lucru vă permite să extindeți semnificativ limitele de temperatură utilizate în ciclu.

Desen 3. Schema unei centrale geotermale cu o substanță de lucru cu punct de fierbere scăzut:

1 – puț, 2 – rezervor de stocare, 3 – evaporator, 4 – turbină, 5 – generator, 6 – condensator, 7 – pompă de circulație, 8 – răcitor de aer de suprafață, 9 – pompă de alimentare, 10 – încălzitor substanță de lucru

geotermal centrala electrica Cu direct folosind abur natural.

Cea mai simplă și mai accesibilă centrală geotermală este o centrală cu turbină cu abur cu contrapresiune. Aburul natural din puț este furnizat direct la turbină și apoi eliberat în atmosferă sau într-un dispozitiv care captează substanțe chimice valoroase. Turbina de contrapresiune poate fi alimentată cu abur secundar sau cu abur obținut din separator. Conform acestei scheme, centrala funcționează fără condensatori și nu este nevoie de un compresor pentru a elimina gazele necondensabile din condensatoare. Această instalare este cea mai simplă, iar costurile de exploatare sunt minime. Ocupă o suprafață mică și necesită aproape nu echipamente auxiliareși poate fi ușor adaptată ca centrală geotermală portabilă (Figura 4).

Figura 4 - Schema unei centrale geotermale cu utilizare directă a aburului natural:

1 – bine; 2 – turbină; 3 – generator;

4 – ieșire în atmosferă sau într-o fabrică chimică

Schema luată în considerare poate fi cea mai profitabilă pentru acele zone în care există suficiente rezerve de abur natural. Operarea rațională oferă oportunitatea munca eficienta o astfel de instalaţie chiar şi cu debite variabile de sondă.

Există mai multe astfel de stații care funcționează în Italia. Una dintre ele are o putere de 4 mii kW cu un consum specific de abur de circa 20 kg/s sau 80 t/h; celălalt are o capacitate de 16 mii kW, unde sunt instalate patru turbogeneratoare cu o capacitate de 4 mii kW fiecare. Acesta din urmă este alimentat cu abur din 7-8 godeuri.

Centrală geotermală cu turbină de condensare și utilizare directă a aburului natural (Figura 5) este cea mai modernă schemă de generare a energiei electrice.

Aburul din puț este furnizat turbinei. Petrecut în turbină, intră în condensatorul de amestecare. Un amestec de apă de răcire și condensat de abur deja evacuat în turbină este evacuat din condensator într-un rezervor subteran, de unde este preluat pompe de circulatieși este trimis la un turn de răcire pentru răcire. Din turnul de răcire, apa de răcire curge din nou în condensator (Figura 5).

Multe centrale geotermale funcționează după această schemă cu unele modificări: Larderello-2 (Italia), Wairakei ( Noua Zeelandă), etc.

Zona de aplicare centrale electrice cu dublu circuit care utilizează substanțe de lucru cu punct de fierbere scăzut (freon-R12, amestec apă-amoniac) este utilizarea căldurii din ape termale cu temperatura de 100...200 °C, precum și a apei separate la depozitele hidrotermale de abur.

Figura 5 - Schema unei centrale geotermale cu turbină în condensare și utilizare directă a aburului natural:

1 – bine; 2 – turbină; 3 – generator; 4 – pompa;

5 – condensator; 6 – turn de racire; 7 – compresor; 8 – resetare

Combinate producerea de energie electrică și termică

Producția combinată de energie electrică și termică este posibilă la centralele termice geotermale (GeoTES).

Cea mai simplă diagramă a unei centrale geotermale de tip vid pentru utilizarea căldurii apei calde cu temperaturi de până la 100 °C este prezentată în Figura 6.

Funcționarea unei astfel de centrale electrice se desfășoară după cum urmează. Apa fierbinte din puțul 1 intră în rezervorul de acumulare 2. În rezervor, este eliberată de gazele dizolvate în acesta și trimisă la expandorul 3, în care se menține o presiune de 0,3 atm. La această presiune și la o temperatură de 69 °C, o mică parte din apă se transformă în abur și este trimisă la turbina de vid 5, iar apa rămasă este pompată de pompa 4 în sistemul de alimentare cu căldură. Aburul evacuat în turbină este evacuat în condensatorul de amestecare 7. Pentru a elimina aerul din condensator, este instalată o pompă de vid 10. Un amestec de apă de răcire și condens de abur evacuat este preluat din condensator de către pompa 8 și trimis pentru răcire la. turnul de răcire cu ventilație 9. Apa răcită în turnul de răcire este alimentată condensatorului prin gravitație datorită vidului.

Verkhne-Mutnovskaya GeoTPP cu o capacitate de 12 MW (3x4 MW) este o etapă pilot a Mutnovskaya GeoTPP cu o capacitate de proiectare de 200 MW, creată pentru a furniza energie regiunii industriale Petropavlovsk-Kamchatsky.

Figura 6 -. Schema unei centrale geotermale în vid cu un expandor:

1 – puț, 2 – rezervor de stocare, 3 – expansor, 4 – pompă de apă caldă, 5 – turbină de vid 750 kW, 6 – generator, 7 – condensator de amestec,

8 – pompă de apă de răcire, 9 – ventilator turn de răcire, 10 – pompă de vid

La Centrala Geotermală Pauzhetskaya (la sud de Kamchatka), cu o capacitate de 11 MW, la turbinele cu abur se utilizează numai abur geotermal separat din amestecul de abur și apă obținut din puțurile geotermale. O cantitate mare de apă geotermală (aproximativ 80 consum total de PVA) cu o temperatură de 120 °C este deversată în râul de reproducere Ozernaya, ceea ce duce nu numai la pierderea potențialului termic al lichidului de răcire geotermal, ci și semnificativ. înrăutățește starea ecologică a râului.

Pompe de caldura

Pompa de caldura- un dispozitiv pentru transferul energiei termice de la o sursă de energie termică de calitate scăzută cu o temperatură scăzută către un consumator de lichid de răcire cu o temperatură mai mare. Din punct de vedere termodinamic, o pompă de căldură este o mașină de refrigerare inversată. Dacă în aparat frigorific scopul principal este de a produce frig prin extragerea căldurii din orice volum printr-un evaporator, iar condensatorul evacuează căldură în mediu, apoi într-o pompă de căldură imaginea este inversă (Figura 7). Condensatorul este un schimbător de căldură care produce căldură pentru consumator, iar evaporatorul este un schimbător de căldură care utilizează căldură de calitate scăzută situată în rezervoare, soluri, ape uzate si altele asemenea. În funcție de principiul de funcționare, pompele de căldură sunt împărțite în compresie și absorbție. Pompele de căldură prin compresie sunt întotdeauna acționate de un motor electric, în timp ce pompele de căldură cu absorbție pot folosi și căldura ca sursă de energie. De asemenea, compresorul are nevoie de o sursă de căldură de calitate scăzută.

În timpul funcționării, compresorul consumă energie electrică. Raportul dintre energia termică generată și energia electrică consumată se numește coeficient de transformare (sau coeficient de conversie a căldurii) și servește ca indicator al eficienței pompa de caldura.

Această valoare depinde de diferența dintre nivelurile de temperatură din evaporator și condensator: cu cât diferența este mai mare, cu atât este mai mică această valoare. De tip de lichid de răcire

în circuitele de intrare și de ieșire, pompele sunt împărțite în șase tipuri: „apă subterană”, „apă-apă”, „aer-apă”, „sol-aer”, „apă-aer”, „aer-aer”.

Când se folosește energia solului ca sursă de căldură, conducta în care circulă lichidul este îngropată în pământ la 30-50 cm sub nivelul de îngheț al solului într-o anumită regiune (Figura 8). Pentru a instala o pompă de căldură cu o capacitate de 10 kW, este necesar un circuit de pământ de 350-450 m lungime, pentru a cărui instalare va fi necesar un teren cu o suprafață de aproximativ 400 m² (20x20 m).

Figura 7 – Diagrama de funcționare a pompei de căldură

Avantajele pompelor de căldură includ, în primul rând, eficiența: pentru a transfera 1 kWh de energie termică către sistemul de încălzire, instalația pompei de căldură trebuie să cheltuiască 0,2-0,35 kWh de energie electrică Toate sistemele funcționează în bucle închise și nu necesită practic nicio operare costuri, altele decât costul energiei electrice necesare exploatării echipamentului, care pot fi obținute din centrale eoliene și solare. Perioada de amortizare a pompelor de căldură este de 4-9 ani, cu o durată de viață de 15-20 de ani înainte de reparațiile majore.

Valorile efective ale eficienței pompelor de căldură moderne sunt de ordinul COP = 2,0 la o temperatură a sursei de -20 °C și de ordinul COP = 4,0 la o temperatură a sursei de +7 °C.

Resursele de energie geotermală din Rusia au un potențial industrial semnificativ, inclusiv potențial energetic. Rezervele de căldură ale Pământului cu o temperatură de 30-40 °C (Fig. 17.20, vezi insertul color) sunt disponibile pe aproape întregul teritoriu al Rusiei, iar în unele regiuni există resurse geotermale cu temperaturi de până la 300 °C. În funcție de temperatură, resursele geotermale sunt utilizate în diverse industrii economie nationala: industria energiei electrice, termoficare, industrie, agricultură, balneologie.

La temperaturi ale resurselor geotermale peste 130 °C, este posibil să se genereze electricitate folosind un singur circuit centrale geotermale(GeoES). Cu toate acestea, o serie de regiuni din Rusia au rezerve semnificative de ape geotermale cu temperaturi mai scăzute de ordinul a 85 ° C și mai mari (Fig. 17.20, vezi insertul de culoare). În acest caz, este posibil să obțineți energie electrică dintr-un GeoPP cu ciclu binar. Centralele electrice binare sunt stații cu dublu circuit care utilizează propriul fluid de lucru în fiecare circuit. Stațiile binare sunt, de asemenea, uneori clasificate ca stații cu un singur circuit care funcționează pe un amestec de două fluide de lucru - amoniac și apă (Fig. 17.21, vezi insertul color).

Primele centrale geotermale din Rusia au fost construite în Kamchatka în 1965-1967: Pauzhetskaya GeoPP, care operează și produce în prezent cea mai ieftină energie electrică din Kamchatka, și Paratunka GeoPP cu ciclu binar. Ulterior, în lume au fost construite aproximativ 400 de GeoPP-uri cu ciclu binar.

În 2002, în Kamchatka a fost pus în funcțiune Mutnovskaya GeoPP cu două unități de putere cu o capacitate totală de 50 MW.

Schema tehnologică a centralei electrice prevede utilizarea aburului obținut prin separarea în două etape a unui amestec abur-apă prelevat din puțuri geotermale.

După separare, aburul cu o presiune de 0,62 MPa și un grad de uscare de 0,9998 intră într-o turbină cu abur cu două fluxuri având opt trepte. Împreună cu turbină cu abur funcționează un generator cu o putere nominală de 25 MW și o tensiune de 10,5 kV.

Pentru a asigura curățenia mediului în schema tehnologica Centrala electrică este echipată cu un sistem de pompare a condensului și separator înapoi în straturile pământului, precum și prevenirea emisiilor de hidrogen sulfurat în atmosferă.

Resursele geotermale sunt utilizate pe scară largă în scopuri de încălzire, în special în utilizarea directă a apei geotermale calde.

Este recomandabil să folosiți surse de căldură geotermală cu potențial scăzut, cu o temperatură de 10 până la 30 °C, folosind pompe de căldură. O pompă de căldură este o mașină concepută pentru a transfera energie internă de la un lichid de răcire la temperatură joasă la un lichid de răcire la temperatură înaltă folosind influențe externe pentru a efectua munca. Principiul de funcționare al pompei de căldură se bazează pe ciclul Carnot invers.

Pompa de căldură, consumând kW de energie electrică, furnizează sistemul de încălzire cu 3 până la 7 kW de putere termică. Coeficientul de transformare variază în funcție de temperatura sursei geotermale de grad scăzut.

Pompele de căldură sunt utilizate pe scară largă în multe țări din întreaga lume. Cea mai puternică instalație de pompă de căldură funcționează în Suedia cu o capacitate termică de 320 MW și folosește căldura apei Mării Baltice.

Eficiența utilizării unei pompe de căldură este determinată în principal de raportul dintre prețurile pentru electricitate și energie termică, precum și coeficientul de transformare, indicând de câte ori se produce mai multă energie termică în comparație cu energia electrică (sau mecanică) cheltuită.

Funcționarea pompelor de căldură este cea mai economică în perioada de sarcini minime în sistemul de alimentare. Funcționarea acestora poate ajuta la nivelarea programelor de sarcină electrică a sistemului de alimentare.

Literatura pentru auto-studiu

17.1.Utilizare energia apei: manual pentru universități / ed. Yu.S. Vasileva. -
Ed. a IV-a, revizuită. si suplimentare M.: Energoatomizdat, 1995.

17.2.Vasiliev Yu.S., Vissarionov V.I., Kubyshkin L.I. Soluție hidroenergetică
Sarcini rusești pe computer. M.: Energoatomizdat, 1987.

17.3.Neporozhny P.S., Obrezkov V.I. Introducere în specialitate. Energie hidroelectrică
bifați: manual de instruire pentru universități. - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare M: Energoatomizdat,
1990.

17.4.Calcule apă-energie și apă-economice: manual pentru universități /
editat de V.I. Vissarionova. M.: Editura MPEI, 2001.

17.5.Calcul resurse energie solară: manual pentru universităţi / ed.
V.I. Vissarionova. M.: Editura MPEI, 1997.

17.6.Resurseși eficiența utilizării surselor de energie regenerabilă
în Rusia / Echipa de autori. Sankt Petersburg: Nauka, 2002.

17.7.Dyakov A.F., Perminov E.M., Shakaryan Yu.G. Energia eoliană în Rusia. Stat
și perspectivele de dezvoltare. M.: Editura MPEI, 1996.

17.8.Calcul resurse de energie eoliană: manual pentru universități / ed. V.I. Wissa
Rionova. M.: Editura MPEI, 1997.

17.9.Mutnovsky complex electric geotermal din Kamchatka / O.V. Britvin,

Tema: Calculul schemei termice a unei centrale geotermale

O centrală geotermală este formată din două turbine:

prima operează în vapori de apă saturati obţinuţi în expansiune

corp putere electrica - N ePT = 3 MW;

al doilea funcționează pe vapori saturați de agent frigorific - R11, care este utilizat

se datorează căldurii apei îndepărtate din expandor. Electric

putere - N eHT, MW.

Apa din sonde geotermale cu temperatura t gv = 175 °C post-

se toarnă în expandor. În expandor se formează abur saturat uscat

temperatura cu 25 de grade mai mica t gardieni Acest abur este trimis către

turbină. Apa rămasă din expandor merge la evaporator, unde

răcit cu 60 de grade și pompat înapoi în puț. Nedog-

vuiet în unitatea de evaporare - 20 de grade. Fluidele de lucru se extind -

în turbine și intră în condensatoare, de unde sunt răcite cu apă din

râuri cu temperatură t xv = 5 °C. Încălzirea apei în condensator este

10 ºС și subîncălzire la o temperatură de saturație de 5 ºС.

Eficiențe interne relative ale turbinelor ç oi= 0,8. Electromecanic

Eficiența tehnică a turbogeneratoarelor este çem = 0,95.

Defini:

puterea electrică a unei turbine care funcționează pe freon - N eCT și

putere totală GeoTES;

consum de fluide de lucru pentru ambele turbine;

curge de apă din fântână;

Eficiența centralei geotermale.

Luați datele inițiale din tabelul 3 pentru opțiuni.

Tabelul 3

Date inițiale pentru sarcina nr. 3

afară

3. Determinați entalpiile în puncte caracteristice:

4. Calculăm căderea de căldură disponibilă în turbină:

PT PT

5. Găsiți căderea reală de căldură în turbină:

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

6. Consumul de abur (apa dintr-un puț geotermal) la apă

găsim turbina folosind formula:

DoPT =

NIPT ⋅ç Em

5,3kg /Cu .

7. Curgerea apei de la o sondă geotermală către evaporator și către

Gasim intreaga centrala geotermala in general din sistemul de ecuatii:

PT ISP

Rezolvând acest sistem, găsim:

7.1 fluxul de apă de la o sondă geotermală la evaporator:

hGW −hp

2745,9 − 733,25

733,25 − 632, 25

7.2 Consumul general de apă dintr-un puț geotermal

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

8. Debitul de freon în a doua turbină se găsește din ecuația căldurii

sold total:

ISP vykhI XT XT

unde ç Şi= 0,98 - randamentul evaporatorului.

⋅ç Şi ⋅

hp −hexit

105,6 ⋅ 0,98 ⋅

632,25 − 376,97

114,4kg /Cu .

9. Puterea electrică a celei de-a doua turbine care funcționează pe lichid de răcire

de jos, determinată de formula:

Unde HiXT = (hp −h HT)ç oi- diferența reală de căldură secundă

XT XT T

10. Puterea electrică totală a centralei geotermale va fi egală cu:

GeoTES XT

11. Să găsim eficiența GeoTES:

ç GeoTES

GeoTES

D −h

⎜ ⎜D

N eGeoTES

⎛ ⎛ 5,3 105,6 ⎞ ⎞

⎝ 110,9 110,9 ⎠ ⎠

Lecția practică nr. 6

Ţintă: se familiarizează cu principiul de funcționare al centralelor geotermale și al tehnologiilor de conversie a energiei termice oceanice (OTEC), precum și cu metodologia de calcul a acestora.

Durata lecției- 2 ore

Progresul lucrării:

1. Pe baza părții teoretice a lucrării, familiarizați-vă cu principiul de funcționare al GeoTES și tehnologiile de conversie a energiei termice oceanice (PTEC.

2. Rezolvați probleme practice în conformitate cu sarcina individuală.

1. PARTEA TEORETICĂ

Valorificarea energiei termice oceanice

Tehnologia Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) creează electricitate prin valorificarea diferenței de temperatură dintre apa caldă și rece a oceanului. Apa rece este pompată printr-o conductă de la o adâncime mai mare de 1000 de metri (dintr-un loc unde razele soarelui nu ajung niciodată). Sistemul folosește și apă caldă dintr-o zonă apropiată de suprafața oceanului. Apa încălzită de razele soarelui trece printr-un schimbător de căldură cu chimicale cu un punct de fierbere scăzut, cum ar fi amoniacul, care creează abur chimic care antrenează turbinele generatoarelor electrice. Aburul este apoi condensat înapoi în formă lichidă folosind apă răcită din adâncul oceanului. Regiunile tropicale sunt considerate locația cea mai potrivită pentru sistemele PTEC. Acest lucru se datorează diferenței mai mari de temperatură între apa de mică adâncime și cea adâncă.

Spre deosebire de fermele eoliene și solare, centralele termice oceanice pot produce energie electrică curată non-stop, 365 de zile pe an. Singurul produs secundar al acestor unități de alimentare este apa rece, care poate fi folosită pentru răcire și aer condiționat în clădirile administrative și rezidențiale din apropierea unității de producere a energiei.

Utilizarea energiei geotermale

Energie geotermală- Aceasta este energia obținută din căldura naturală a Pământului. Această căldură poate fi obținută folosind puțuri. Gradientul geotermal din sondă crește cu 1 °C la fiecare 36 de metri. Această căldură este livrată la suprafață sub formă de abur sau apă fierbinte. Această căldură poate fi folosită atât direct pentru încălzirea locuințelor și clădirilor, cât și pentru generarea de energie electrică.

Potrivit diferitelor estimări, temperatura în centrul Pământului este de cel puțin 6650 °C. Rata de răcire a Pământului este de aproximativ 300-350 °C pe miliard de ani. Pământul emite 42·10 12 W de căldură, din care 2% este absorbit în crustă și 98% în manta și miez. Tehnologii moderne nu permit atingerea căldurii care este eliberată prea adânc, dar 840000000000 W (2%) din energia geotermală disponibilă poate satisface nevoile omenirii pentru pentru o lungă perioadă de timp. Zonele din jurul marginilor plăcilor continentale sunt cel mai bun loc pentru construirea de statii geotermale, deoarece crusta in astfel de zone este mult mai subtire.

Există mai multe moduri de a obține energie din centralele geotermale:

· Schema directă: aburul este direcționat prin conducte către turbinele conectate la generatoare electrice;

· Schema indirectă: asemănătoare cu schema directă, dar înainte de a pătrunde aburul în conducte, acesta este curățat de gazele care provoacă distrugerea conductelor;

· Schema mixtă: asemănătoare cu schema directă, dar după condensare, gazele care nu s-au dizolvat în ea sunt îndepărtate din apă.

2. PARTEA PRACTICĂ

Sarcina 1. Determinați temperatura inițială t 2 și cantitatea de energie geotermală E o (J) grosimea acviferului h km la adâncime z km, dacă sunt date caracteristicile rocii de formare: densitatea r gr = 2700 kg/m3; porozitate O = 5%; căldură specifică Cu gr =840 J/(kg K). Gradient de temperatură (dT/dz) în °C / km, selectați din tabelul cu opțiuni de activitate.

Temperatura medie a suprafeței t o ia egal cu 10 °C. Capacitatea termică specifică a apei C în = 4200 J/(kg K); densitatea apei ρ = 1·10 3 kg/m3. Calculați pe baza suprafeței F = 1 km2. Minim temperatura admisa luați formația egală t 1=40°C.

De asemenea, determinați constanta de timp pentru extracția energiei termice τ o (ani) la pomparea apei în rezervor și consumarea acesteia V =0,1 m 3 /(s km 2). Care va fi puterea termică extrasă inițial? (dE/dz) τ =0 și după 10 ani (dE/dz) τ =10?

Sarcina 1 este dedicată potențialului termic al energiei geotermale concentrate în natură acvifere la adâncimea z (km) de la suprafata pamantului. De obicei, grosimea acviferului h (km) este mai mică decât adâncimea acestuia. Stratul are o structură poroasă - rocile au pori umpluți cu apă (porozitatea este estimată prin coeficientul α). Densitate medie roci dure scoarta terestra p gr =2700 kg/m 3, iar coeficientul de conductivitate termică λ gr =2 W/(m K). Modificarea temperaturii solului spre suprafața pământului este caracterizată de un gradient de temperatură (dT/dz), măsurat în °C/km sau K/km.

Cel mai frecvent pe glob zone cu un gradient de temperatură normal (sub 40 °C/km) cu o densitate a fluxurilor de căldură care emană spre suprafață ≈ 0,06 W/m2. Fezabilitatea economică a extragerii căldurii din intestinele Pământului este puțin probabilă aici.

În semitermic zone, gradientul de temperatură este de 40-80 °C/km. Aici este indicat să folosiți căldura subsolului pentru încălzire, în sere și în balneologie.

În hipertermal zone (în apropierea limitelor platformelor crustale) gradientul este mai mare de 80 °C/km. Este indicat să construiți aici o centrală geotermală.

Cu un gradient de temperatură cunoscut, este posibil să se determine temperatura acviferului înainte de a începe exploatarea acestuia:

T g =T o +(dT/dz)·z,

unde T o este temperatura de pe suprafața Pământului, K (° C).

În practica de calcul, caracteristicile energiei geotermale se referă de obicei la 1 km2 de suprafață F.

Capacitatea termică a formațiunii Cpl (J/K) poate fi determinată prin ecuație

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

unde p in și C in sunt densitatea și, respectiv, căldura specifică izobară

r gr și C gr - densitatea și capacitatea termică specifică a solului (roci de formare); de obicei p gr = 820-850 J/(kg K).

Dacă setați temperatura minimă admisă la care poate fi utilizată energia termică a formațiunii T 1 (K), atunci puteți estima potențialul său termic la începutul funcționării (J):

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

Constanta de timp a rezervorului τ 0 ( timp posibil utilizarea sa, ani) în cazul eliminării energiei termice prin pomparea apei în el cu un debit volumetric V (m 3 /s) poate fi determinat prin ecuația:

τ 0 =C pl /(V·ρ în ·С în)

Se crede că potențialul termic al unei formațiuni în timpul dezvoltării sale se modifică conform unei legi exponențiale:

E=E 0 ·e -(τ / τ o)

unde τ este numărul de ani de la începerea funcționării;

e este baza logaritmilor naturali.

Putere termică rezervor geotermal la momentul τ (ani de la începutul dezvoltării) în W (MW):

Problema 2 Se crede că eficiența reală η o centrală termică oceanică care utilizează diferența de temperatură dintre apele de suprafață și cele de adâncime (T 1 -T 2) = ∆T și care funcționează pe ciclul Rankine este jumătate din randamentul termic al unei instalații care funcționează pe ciclul Carnot, η t k . Estimați valoarea posibilă a eficienței reale a unui OTES, al cărui fluid de lucru este amoniacul, dacă temperatura apei la suprafața oceanului t , °С și temperatura apei la adâncimea oceanului t 2 , °C. Care este consumul de apă caldă V , m/h va fi necesar pentru OTES cu capacitate N MW?

Problema 2 este dedicată perspectivelor de utilizare a diferenței de temperatură dintre apele oceanice de suprafață și cele de adâncime pentru a genera electricitate la un OTES care funcționează conform bine-cunoscutului ciclu Rankine. Substanțe cu punct de fierbere scăzut (amoniac, freon) sunt de așteptat să fie utilizate ca fluid de lucru. Datorită micilor diferențe de temperatură (∆T=15÷26 o C), randamentul termic al unei instalații care funcționează pe ciclul Carnot este de doar 5-9%. Eficiența reală a unei instalații care funcționează conform ciclului Rankine va fi la jumătate. Ca urmare, pentru a obține o pondere a capacităților relativ mici la OTES, sunt necesare debite mari de apă „caldă” și „rece” și, în consecință, diametre uriașe de conducte de intrare și ieșire.

Q 0 =p·V·C p ·∆T,

unde p este densitatea apei de mare, kg/m3;

Ср - capacitatea termică de masă a apei de mare, J/(kg K);

V - debit volumetric de apă, m 3 /s;

∆T = T 1 -T 2 - diferența de temperatură între apele de suprafață și cele de adâncime

(diferența de temperatură a ciclului) în °C sau K.

Într-un ciclu Carnot teoretic ideal, puterea mecanică N 0 (W) poate fi definită ca

N 0 =η t k ·Q o ,

sau luând în considerare (1) și expresia eficienței termice a ciclului Carnot η t k:

N0 =p·Cp·V·(∆T)2/T1.

Problema 3 Centrală geotermală cu dublu circuit abur-apă cu energie electrică N primește căldură din apa din puțurile geotermale la o temperatură t gs . Aburul saturat uscat la ieșirea generatorului de abur are o temperatură cu 20 0 C mai mică decât t gs . Aburul se extinde în turbină și intră în condensator, de unde este răcit de apă mediu cu temperatura t xv . Apa de răcire este încălzită în condensator cu 12 0 C. Condensul are o temperatură cu 20 0 C mai mare decât t xv . Apa geotermală părăsește instalația generatoare de abur la o temperatură cu 15 0 C mai mare decât cea a condensului. Coeficientul relativ intern al turbinei η oi , randamentul electric al turbogeneratorului η e =0,96. Determinați eficiența termică a ciclului Rankine, consumul de abur și consum specific consumul de căldură, apă din puțuri geotermale și din mediu.

Într-o centrală geotermală cu turbină cu abur cu un singur circuit, entalpia aburului saturat uscat după separare este determinată de temperatura apei geotermale t gv. Din tabele de proprietăți termodinamice ale apei și vaporilor de apă sau diagrame h-s s. În cazul unui GeoTEP cu dublu circuit, se ia în considerare diferența de temperatură în generatorul de abur Δt. Restul calculului se efectuează ca pentru o centrală termică cu turbină solară cu abur.

Consumul de abur este determinat din relație

kg/s,

unde η t este randamentul termic al ciclului,

η оі – Eficiența internă relativă a turbinei,

η e – randamentul electric al turbogeneratorului,

N – puterea GeoTEU, kW,

Consumul de apă caldă din puțurile geotermale este determinat din formulă

, kg/s,

consum apa rece de la mediu la condensarea aburului

, kg/s,

unde с = 4,19 kJ/kg∙K – capacitatea termică a apei,

η pg – randamentul generatorului de abur,

Δt pg – diferența de temperatură a apei geotermale din generatorul de abur, 0 C,

Δt xv – diferența de temperatură a apei reci din condensator, 0 C.

Calculul GeoTEI cu fluide de lucru cu punct de fierbere scăzut și amestecat se realizează folosind tabele cu proprietăți termodinamice și diagrame h-s ale vaporilor acestor lichide.