Teema: Geotermilise elektrijaama soojusdiagrammi arvutamine
Geotermiline elektrijaam koosneb kahest turbiinist:
esimene töötab paisumisel tekkivas küllastunud veeaurus
keha Elektrienergia - N ePT = 3 MW;
teine töötab küllastunud külmutusagensi auruga - R11, mida kasutatakse
on tingitud ekspanderist eemaldatud vee soojusest. Elektriline
võimsus - N eHT, MW.
Vesi maasoojuskaevudest koos temperatuuriga t gv = 175 °C pärast
valab ekspanderisse. Kuiv küllastunud aur moodustub ekspanderis koos
|
|
|
|
|
temperatuur 25 kraadi madalam t Valvurid See aur saadetakse
turbiin. Ülejäänud vesi ekspanderist läheb aurustisse, kus
jahutati 60 kraadi võrra ja pumbati tagasi kaevu. Nedog-
möirgama sisse aurustusjaam-20 kraadi. Töövedelikud laienevad -
turbiinides ja sisenevad kondensaatoritesse, kust neid jahutatakse veega
temperatuuriga jõed t xv = 5 °C. Vee soojendamine kondensaatoris on
10 ºС ja allkuumutamist küllastustemperatuurini 5 ºС.
Turbiinide suhteline sisemine kasutegur ç oi= 0,8. Elektromehaaniline
Turbogeneraatorite tehniline kasutegur on çem = 0,95.
Määratlege:
freoonil töötava turbiini elektrienergia - N eCT ja
maasoojuselektrijaama koguvõimsus;
mõlema turbiini töövedelike tarbimine;
veevool kaevust;
Geotermilise elektrijaama kasutegur.
Valikuvõimaluste jaoks võtke algandmed tabelist 3.
Tabel 3
Ülesande nr 3 lähteandmed
|
|
välja
3. Määrake entalpiad iseloomulikes punktides:
|
|
4. Arvutame olemasoleva soojuslanguse turbiinis:
PT PT
5. Leidke turbiini tegelik soojuslang:
NIPT =EI OPT ⋅ç oi = 744,6 ⋅ 0,8 = 595,7kJ /kg .
6. Auru tarbimine (vesi maasoojuskaevust) vette
leiame turbiini valemi abil:
DoPT =
NIPT ⋅ç Em
5,3kg /Koos .
7. Veevool maasoojuskaevust aurustisse ja sinna
Kogu geotermiline elektrijaam leitakse üldiselt võrrandisüsteemist:
PT ISP
Selle süsteemi lahendamisel leiame:
7.1 veevool maasoojuskaevust aurustisse:
hGW −hp
2745,9 − 733,25
733,25 − 632, 25
7.2 Üldine veevool maasoojuskaevust
DGW = 5,3 + 105,6 = 110,9kg /Koos .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8. Freooni voolukiirus teises turbiinis leitakse soojusvõrrandist
kogujääk:
ISP vykhI XT XT
kus ç Ja= 0,98 - aurusti efektiivsus.
⋅ç Ja ⋅
hp −hexit
105,6 ⋅ 0,98 ⋅
632,25 − 376,97
114,4kg /Koos .
9. Teise jahutusvedelikul töötava turbiini elektrivõimsus
põhi, määratakse järgmise valemiga:
Kus HiXT = (hp −h HT)ç oi- tegelik soojuse vahe sekundis
XT XT T
10. Geotermilise elektrijaama elektrienergia koguvõimsus võrdub:
GeoTES XT
11. Leiame GeoTESi tõhususe:
ç GeoTES
GeoTES
D −h
⎜ ⎜D
N eGeoTES
⎛ ⎛ 5,3 105,6 ⎞ ⎞
⎝ 110,9 110,9 ⎠ ⎠
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
GEOTERMAALSE ELEKTROJAAMA ARVUTUS
Arvutame kahendtüüpi maasoojuselektrijaama soojusahela vastavalt.
Meie geotermiline elektrijaam koosneb kahest turbiinist:
Esimene töötab ekspanderis saadud küllastunud veeauruga. Elektrienergia - ;
Teine töötab külmutusagensi R11 küllastunud auruga, mis aurustub ekspanderist eemaldatud vee kuumuse tõttu.
Maasoojuskaevude vesi rõhuga pgw ja temperatuuriga tgw siseneb ekspanderisse. Ekspander toodab kuiva küllastunud auru rõhuga pp. See aur suunatakse auruturbiini. Ekspanderist järelejäänud vesi läheb aurustisse, kus see jahutatakse ja lõpeb tagasi kaevu. Temperatuurirõhk aurustusseadmes = 20°C. Töövedelikud paisuvad turbiinides ja sisenevad kondensaatoritesse, kus neid jahutatakse jõest tuleva veega temperatuuril thw. Vee soojendamine kondensaatoris = 10°C ja allkuumutamine küllastustemperatuurini = 5°C.
Turbiinide suhteline sisemine kasutegur. Turbogeneraatorite elektromehaaniline kasutegur = 0,95.
Algandmed on toodud tabelis 3.1.
Tabel 3.1. Algandmed GeoPP arvutamiseks
Binaarse tüübi GeoPP skemaatiline diagramm (joonis 3.2).
Riis. 3.2.
Vastavalt joonisel fig. 3.2 ja lähteandmed teostame arvutused.
Kuival küllastunud veeaurul töötava auruturbiini vooluringi arvutamine
Auru temperatuur turbiini kondensaatori sisselaskeava juures:
kus on jahutusvee temperatuur kondensaatori sisselaskeava juures; - vee soojendamine kondensaatoris; - temperatuuri erinevus kondensaatoris.
Auru rõhk turbiini kondensaatoris määratakse vee ja veeauru omaduste tabelitest:
Saadaolev soojuslang turbiini kohta:
kus on kuiva küllastunud auru entalpia turbiini sisselaskeava juures; - entalpia turbiini auru paisumise teoreetilise protsessi lõpus.
Auru tarbimine ekspanderist auruturbiini:
kus on auruturbiini suhteline sisemine kasutegur; - turbogeneraatorite elektromehaaniline efektiivsus.
Geotermilise veepaisutaja arvutus
Laiendaja soojusbilansi võrrand
kus on maasoojusvee vooluhulk kaevust; - kaevu geotermilise vee entalpia; - veevool ekspanderist aurustisse; - geotermilise vee entalpia ekspanderi väljapääsu juures. See määratakse vee ja veeauru omaduste tabelitest keeva vee entalpiana.
Võrrand materjali tasakaal laiendaja
Neid kahte võrrandit koos lahendades on vaja määrata ja.
Geotermilise vee temperatuur paisuti väljalaskeava juures määratakse vee ja veeauru omaduste tabelitest küllastustemperatuurina ekspanderis oleva rõhu juures:
Freoonis töötava turbiini soojusahela iseloomulikes punktides parameetrite määramine
Freooni auru temperatuur turbiini sisselaskeava juures:
Freooni auru temperatuur turbiini väljalaskeava juures:
Freooni auru entalpia turbiini sisselaskeava juures määratakse küllastusjoone freooni p-h diagrammi järgi:
240 kJ/kg.
Freooni auru entalpia turbiini väljalaskeava juures määratakse freooni p-h diagrammi järgi joonte ja temperatuurijoone ristumiskohas:
220 kJ/kg.
Kondensaatori väljalaskeava juures oleva keeva freooni entalpia määratakse freooni p-h diagrammi järgi keeva vedeliku kõveral temperatuuri järgi:
215 kJ/kg.
Aurusti arvutus
Geotermilise vee temperatuur aurusti väljalaskeava juures:
Aurusti soojusbilansi võrrand:
kus on vee soojusmahtuvus. Võtke =4,2 kJ/kg.
Sellest võrrandist on vaja kindlaks teha.
Freoonil töötava turbiini võimsuse arvutamine
kus on freoonturbiini suhteline sisemine kasutegur; - turbogeneraatorite elektromehaaniline efektiivsus.
Pumba võimsuse määramine geotermilise vee pumpamiseks kaevu
kus on pumba kasutegur, eeldatavasti 0,8; - geotermilise vee keskmine erimaht.
Kaheahelaline GeoTEP (joonis 4.2) sisaldab aurugeneraatorit 4, milles geotermilise auru-vee segu soojusenergiat kasutatakse traditsioonilise märg-auruturbiini 6 toitevee soojendamiseks ja aurustamiseks elektrilise elektriseadmega. generaator 5. Aurugeneraatoris kulutatud geotermiline vesi pumbatakse pumba 3 abil tagasivoolukaevu 2. Keemiline puhastus Turbiinijaama toitevee puhastamine toimub tavapärastel meetoditel. Toitepump 8 tagastab kondensaadi kondensaatorist 7 aurugeneraatorisse.
Kahekontuurilises paigaldises ei ole aurukontuuris mittekondenseeruvaid gaase, mistõttu on kondensaatoris tagatud sügavam vaakum ja paigaldise soojusefektiivsus tõuseb võrreldes üheahelalisega. Aurugeneraatori väljapääsu juures saab maasoojusvee järelejäänud soojust, nagu üheahelalise maasoojuselektrijaama puhul, kasutada soojusvarustuse vajadusteks.
Joon.4.2. Kaheahelalise geotermilise elektrijaama soojusskeem
Gaasid, sealhulgas vesiniksulfiid, juhitakse aurugeneraatorist mullide absorbendisse ja lahustatakse heitgeotermilises vees, misjärel see pumbatakse jäätmekaevu. Ehitatava ookeani geotermilise elektrijaama (Kuriili saared) katsete kohaselt on mullitavas absorberis lahustunud 93,97% esialgsest vesiniksulfiidist.
Temperatuuride erinevus aurugeneraatoris vähendab elava auru entalpiat kaheahelalises paigalduses h 1 võrreldes üheahelalisega, kuid üldiselt suureneb turbiini soojuserinevus heitgaaside entalpia vähenemise tõttu. aur h 2 . Tsükli termodünaamiline arvutus viiakse läbi nagu tavalise auruturbiiniga soojuselektrijaama puhul (vt peatükki Päikese auruturbiinijaamade kohta).
Tarbimine kuum vesi maasoojuskaevudest paigaldamiseks võimsusega N, kW, määratakse avaldisest
kg/s, (4,3)
kus on geotermilise vee temperatuuride erinevus aurugeneraatori sisse- ja väljalaskeava juures, °C, on aurugeneraatori kasutegur. Kaasaegsete kaheahelaliste auruturbiiniga geotermiliste elektrijaamade üldine kasutegur on 17,27%.
Suhteliselt madala temperatuuriga geotermilise vee (100-200°C) põldudel kasutatakse madala keemistemperatuuriga töövedelikke (freoonid, süsivesinikud) kasutavaid kaheahelalisi seadmeid. Samuti on majanduslikult põhjendatud selliste seadmete kasutamine üheahelaliste geotermiliste elektrijaamade eraldatud vee soojuse taaskasutamiseks (joonis 4.1 kujutatud kaugkütte soojusvaheti asemel). Meie riigis loodi esmakordselt maailmas (1967. aastal) seda tüüpi R-12 külmutusagensit kasutav elektrijaam võimsusega 600 kW, mis ehitati Paratunsky geotermilisele väljale (Kamtšatka) teadusliku juhtimise all. NSVL Teaduste Akadeemia Siberi Filiaali Termofüüsika Instituut. Jahutusvedeliku temperatuuride vahe oli 80...5 o C, külm vesi toodi kondensaatorisse jõest. Paratunka aasta keskmise temperatuuriga 5 o C. Kahjuks jäid need tööd orgaanilise kütuse kunagise odavuse tõttu välja töötamata.
Praegu on JSC "Kirovsky Plant" välja töötanud 1,5 MW võimsusega kaheahelalise geotermilise mooduli projekteerimise ja tehnilise dokumentatsiooni, kasutades freooni R142v (varu jahutusvedelik - isobutaan). Energiamoodul valmistatakse täielikult tehases ja tarnitakse raudteel, ehitus- ja paigaldustööd ning elektrivõrguga ühendamine nõuavad minimaalseid kulutusi. Eeldatakse, et jõumoodulite masstootmise tehasekulusid vähendatakse ligikaudu 800 dollarini paigaldatud võimsuse kilovati kohta.
Koos GeoTES-iga, mis kasutab homogeenset madala keemistemperatuuriga jahutusvedelikku, töötab ENIN välja paljulubava paigalduse, mis kasutab vee-ammoniaagi segatud töövedelikku. Sellise paigalduse peamiseks eeliseks on selle kasutamise võimalus geotermiliste vete ja auru-vee segude laias temperatuurivahemikus (90–220 o C). Homogeense töövedeliku korral põhjustab aurugeneraatori väljalaskeava temperatuuri kõrvalekalle 10...20 o C võrra arvestuslikust tsükli efektiivsuse järsu languse - 2,4 korda. Segatud jahutusvedeliku komponentide kontsentratsiooni muutmisega on võimalik tagada vastuvõetav paigaldusjõudlus muutuvatel temperatuuridel. Ammoniaagi veeturbiini võimsus selles temperatuurivahemikus varieerub vähem kui 15%. Lisaks on sellisel turbiinil paremad kaalu- ja mõõtmeparameetrid ning vee-ammoniaagi segu paremad soojusülekande omadused, mis võimaldab vähendada aurugeneraatori ja kondensaatori metallikulu ja maksumust võrreldes homogeenset moodulit kasutava jõumooduliga. jahutusvedelik. Selliseid elektrijaamu saab laialdaselt kasutada heitsoojuse taaskasutamiseks tööstuses. Neil võib olla rahvusvahelisel geotermiliste seadmete turul suur nõudlus.
Madala keemistemperatuuriga ja segatud töövedelikega geotermiliste elektrijaamade arvutamine toimub termodünaamiliste omaduste tabelite ja nende vedelike aurude h - s diagrammide abil.
Geotermiliste elektrijaamade probleemiga on seotud kirjanduses sageli mainitud Maailma ookeani soojusressursside kasutamise võimalus. Troopilistel laiuskraadidel on merevee temperatuur pinnal umbes 25 o C, sügavusel 500...1000 m - umbes 2...3 o C. Juba 1881. aastal väljendas D'Arsonval mõtet Kasutades seda temperatuurivahet elektri tootmiseks. Selle idee elluviimise ühe projekti skeempaigaldised on näidatud joonisel 4.3.
Joon.4.3. Ookeani soojuselektrijaama skeem: 1 - pump sooja pinnavee varustamiseks; 2 - madala keemistemperatuuriga jahutusvedeliku aurugeneraator; 3 - turbiin; 4 - elektrigeneraator; 5 - kondensaator; 6 - külma süvaveevarustuspump; 7 - toitepump; 8 - laevaplatvorm
Pump 1 annab sooja pinnavesi aurugeneraatorisse 2, kus madala keemistemperatuuriga jahutusvedelik aurustub. Aur, mille temperatuur on umbes 20°C, suunatakse turbiini 3, mis käitab elektrigeneraatorit 4. Heitgaasi aur siseneb kondensaatorisse 5 ja kondenseerub külma süvaveega, mida toidab tsirkulatsioonipump 6. Toitepump 7 suunab jahutusvedeliku tagasi aurugeneraatorisse. .
Läbi soojade pinnakihtide tõustes soojeneb süvavesi vastavalt vähemalt 7...8° C-ni, väljatõmmatud märja jahutusvedeliku auru temperatuur on vähemalt 12...13° C. Selle tulemusena on termiline selle tsükli efektiivsus on = 0,028 ja reaalse tsükli puhul alla 2%. Samas iseloomustavad ookeanisoojuselektrijaamu kõrged energiakulud nende enda vajaduste rahuldamiseks, väga suured sooja- ja elektrienergia kulud. külm vesi, aga ka jahutusvedelikku, ületab pumpade energiatarve seadme poolt toodetud energia. USA-s ei andnud katsed rajada selliseid elektrijaamu Hawaii saarte lähedale positiivset tulemust.
Teine ookeani soojuselektrijaama projekt - termoelektriline - hõlmab Seebecki efekti kasutamist, asetades termoelektroodide ristmikud ookeani pinnale ja sügavamatesse kihtidesse. Sellise paigalduse ideaalne efektiivsus, nagu ka Carnot' tsükli puhul, on umbes 2%. Jaotis 3.2 näitab, et soojusmuundurite tegelik kasutegur on suurusjärgu võrra väiksem. Sellest lähtuvalt oleks ookeanivee pindmistes kihtides soojuse eemaldamiseks ja sügavates kihtides soojusülekandeks vajalik ehitada väga suure pindalaga soojusvahetuspinnad (“veealused purjed”). Praktiliselt märgatava võimsusega elektrijaamade puhul on see ebareaalne. Madal energiatihedus takistab ookeani soojusvarude kasutamist.
Loe ja kirjuta kasulik
Praktiline tund nr 6
Sihtmärk: tutvuda geotermiliste elektrijaamade ja ookeani soojusenergia muundamise tehnoloogiate (OTEC) tööpõhimõttega ning nende arvutamise metoodikaga.
Õppetunni kestus- 2 tundi
Edusammud:
1. Tutvuda töö teoreetilise osa alusel geotermiliste elektrijaamade tööpõhimõttega ja ookeani soojusenergia muundamise tehnoloogiatega (PTEC.
2. Lahendage praktilisi ülesandeid vastavalt individuaalsele ülesandele.
1. TEOREETILINE OSA
Ookeani soojusenergia kasutamine
Ookeani soojusenergia muundamise (OTEC) tehnoloogia loob elektrit, kasutades ära sooja ja külma ookeanivee temperatuuride erinevust. Külm vesi pumbatakse läbi toru enam kui 1000 meetri sügavuselt (kohast, kuhu päikesekiired kunagi ei ulatu). Süsteem kasutab ka sooja vett ookeanipinna lähedasest piirkonnast. Kuumutatud päikesekiired Vesi läbib soojusvaheti koos madala keemistemperatuuriga kemikaalidega, nagu ammoniaak, mis tekitab keemilise auru, mis juhib elektrigeneraatorite turbiine. Seejärel kondenseeritakse aur sügavast ookeanist pärit jahutatud vee abil tagasi vedelaks. Troopilisi piirkondi peetakse PTEC-süsteemide jaoks kõige sobivamaks asukohaks. See on tingitud suuremast temperatuuride erinevusest madalas ja sügavas vees.
Erinevalt tuule- ja päikeseparkidest suudavad ookeanisoojuselektrijaamad toota puhast elektrit ööpäevaringselt, 365 päeva aastas. Selliste jõuallikate ainsaks kõrvalsaaduseks on külm vesi, mida saab kasutada elektritootmisjaama lähedal asuvates haldus- ja elamutes jahutamiseks ja konditsioneerimiseks.
Geotermilise energia kasutamine
Geotermiline energia on Maa looduslikust soojusest saadav energia. Seda soojust saab saavutada kaevude abil. Kaevu geotermiline gradient suureneb 1 °C võrra iga 36 meetri järel. See soojus toimetatakse pinnale auru või kuuma vee kujul. Seda soojust saab kasutada nii otse kodude ja hoonete kütmiseks kui ka elektri tootmiseks.
Erinevate hinnangute kohaselt on temperatuur Maa keskpunktis vähemalt 6650 °C. Maa jahtumise kiirus on ligikaudu 300–350 °C miljardi aasta kohta. Maa eraldab 42·10 12 W soojust, millest 2% neeldub maakoores ja 98% vahevöös ja tuumas. Kaasaegsed tehnoloogiad ei võimalda jõuda liiga sügavale eralduva soojuseni, kuid 840000000000 W (2%) saadaolevast maasoojusenergiast suudab inimkonna vajadused rahuldada pikaks ajaks. Mandrilaamade servad on parimad kohad geotermiliste jaamade rajamiseks, sest maakoor on sellistel aladel palju õhem.
Geotermilistest elektrijaamadest energia saamiseks on mitu võimalust:
· Otsene skeem: aur juhitakse torude kaudu elektrigeneraatoritega ühendatud turbiinidesse;
· Kaudne skeem: sarnane otsesele skeemile, kuid enne auru sisenemist torudesse puhastatakse see gaasidest, mis põhjustavad torude hävimist;
· Segaskeem: sarnane otseskeemile, kuid pärast kondenseerumist eemaldatakse veest gaasid, mis pole selles lahustunud.
2. PRAKTILINE OSA
Ülesanne 1. Määrake algtemperatuur t 2 ja geotermilise energia hulk E o (J) põhjaveekihi paksus h km sügavuses z km, kui on antud tekkekivimi karakteristikud: tihedus r gr = 2700 kg/m3; poorsus A = 5 %; erisoojus Koos gr =840 J/(kg K). Temperatuuri gradient (dT/dz) °C / km, valige ülesannete valikute tabelist.
Keskmine pinnatemperatuur t o võta 10 °C. Vee erisoojusmaht C sisse = 4200 J/(kg K); vee tihedus ρ = 1,10 3 kg/m3. Arvutage pinna põhjal F = 1 km 2. Eeldatakse, et reservuaari minimaalne lubatud temperatuur on t 1=40 °C.
Määrake ka soojusenergia ammutamise ajakonstant τ o (aastat) vee reservuaari pumpamisel ja selle tarbimisel V =0,1 m 3 /(s km 2). Kuidas see saab olema soojusvõimsus, ekstraheeriti esialgu (dE/dz) τ =0 ja 10 aasta pärast (dE/dz) τ =10?
Ülesanne 1 on pühendatud maapinnast sügavusel z (km) asuvatesse looduslikesse põhjaveekihtidesse koondunud geotermilise energia soojuspotentsiaalile. Tavaliselt on põhjaveekihi paksus h (km) väiksem selle sügavusest. Kiht on poorse struktuuriga – kivimite poorid on täidetud veega (poorsust hinnatakse koefitsiendiga α). Maakoore tahkete kivimite keskmine tihedus on p gr = 2700 kg/m 3 ja soojusjuhtivuse koefitsient λ gr = 2 W/(m K). Maapinna temperatuuri muutust maapinna suunas iseloomustab temperatuurigradient (dT/dz), mida mõõdetakse °C/km või K/km.
Maakera kõige levinumad piirkonnad on normaalse temperatuurigradiendiga (alla 40 °C/km) alad, mille pinnale väljuvate soojusvoogude tihedus on ≈ 0,06 W/m2. Maa sisikonnast soojuse ammutamise majanduslik otstarbekus on siin ebatõenäoline.
Poolsoojuses piirkondades on temperatuurigradient 40-80 °C/km. Siin on soovitav kasutada aluspinnase soojust kütteks, kasvuhoonetes ja balneoloogias.
Hüpertermilises seisundis aladel (kooreplatvormide piiride lähedal) on gradient üle 80 °C/km. Soovitav on siia rajada geotermiline elektrijaam.
Teadaoleva temperatuurigradiendi korral on võimalik määrata põhjaveekihi temperatuur enne selle ekspluateerimise algust:
T g =T o +(dT/dz)·z,
kus T o on temperatuur Maa pinnal, K (° C).
Arvutuspraktikas viidatakse geotermilise energia omadustele tavaliselt 1 km 2 pindalale F.
Kihistu soojusmahtuvust Cpl (J/K) saab määrata võrrandiga
C pl =[α·ρ in ·C in +(1- α)·ρ gr ·C gr ]·h·F,
kus p in ja C in on vastavalt tihedus ja isobaarne erisoojus
r gr ja C gr - pinnase (tekkekivimite) tihedus ja erisoojusmahtuvus; tavaliselt p gr = 820-850 J/(kg K).
Kui määrate minimaalse lubatud temperatuuri, mille juures saate kasutada soojusenergia moodustumist T 1 (K), siis saame hinnata selle soojuspotentsiaali töö alguses (J):
E 0 =C pl (T 2 -T 1)
Mahuti ajakonstandi τ 0 (võimalik kasutusaeg, aastad) soojusenergia eemaldamise korral, pumbates sinna vett mahulise vooluhulgaga V (m 3 /s), saab määrata võrrandiga:
τ 0 =C pl /(V·ρ in ·С tolli)
Arvatakse, et reservuaari soojuspotentsiaal selle arengu ajal muutub vastavalt eksponentsiaalsele seadusele:
E=E 0 ·e -(τ / τ o)
kus τ on aastate arv alates käitamise algusest;
e on naturaallogaritmide alus.
Geotermilise reservuaari soojusvõimsus ajahetkel τ (aastad alates arenduse algusest) W (MW):
Probleem 2 Arvatakse, et tegelik tõhusus η ookeani soojuselektrijaam, mis kasutab pinna- ja süvavee temperatuuride erinevust (T 1 -T 2) = ∆T ja töötab Rankine'i tsüklis, on pool Carnot' tsüklil töötava käitise soojuslikust kasutegurist, η t k . Hinnake OTES-i, mille töövedelikuks on ammoniaak, tegeliku efektiivsuse võimalikku väärtust, kui vee temperatuur ookeani pinnal t , °С ja vee temperatuur ookeani sügavuses t 2 , °C. Mis on tarbimine soe vesi V , m/h on vaja läbilaskevõimega OTES-i puhul N MW?
Ülesanne 2 on pühendatud väljavaadetele kasutada ookeani pinna- ja süvavee temperatuuride erinevust elektri tootmiseks OTES-is, mis töötab hästi tuntud Rankine tsükli järgi. Töövedelik peaks kasutama madala keemistemperatuuriga aineid (ammoniaak, freoon). Tänu väikestele temperatuuride erinevustele (∆T=15÷26 o C) on Carnot tsüklil töötava paigaldise soojuslik kasutegur vaid 5-9%. Rankine tsükli järgi töötava paigaldise tegelik efektiivsus on poole väiksem. Selle tulemusena on OTESis suhteliselt väikeste võimsuste osa saamiseks vaja suuri sooja ja külma vee voogusid ning sellest tulenevalt suuri sisse- ja väljalasketorustike läbimõõtu.
Q 0 =p·V·C p ·∆T,
kus p on merevee tihedus, kg/m3;
Ср - merevee massiline soojusmahtuvus, J/(kg K);
V - mahuline veevool, m 3 /s;
∆T = T 1 -T 2 - pinna- ja süvavee temperatuuride erinevus
(tsükli temperatuuride erinevus) °C või K.
Ideaalses teoreetilises Carnot tsüklis mehaaniline jõud N 0 (W) võib defineerida kui
N 0 = η t k · Q o ,
või võttes arvesse (1) ja Carnot' tsükli termilise efektiivsuse avaldist η t k:
N 0 =p·C p ·V·(∆T) 2 /T 1.
Probleem 3 Kaheahelaline elektrienergiaga auru-vesi geotermiline elektrijaam N saab soojust maasoojuskaevude veest temperatuuril t gs . Kuiva küllastunud auru temperatuur aurugeneraatori väljalaskeava juures on 20 0 C madalam kui t gs . Aur paisub turbiinis ja siseneb kondensaatorisse, kust see jahutatakse veega keskkond temperatuuriga t xv . Jahutusvett soojendatakse kondensaatoris 12 0 C võrra. Kondensaadi temperatuur on 20 0 C kõrgem kui t xv . Geotermiline vesi väljub aurutootmisjaamast kondensaadist 15 0 C kõrgemal temperatuuril. Suhteline siseturbiini koefitsient η oi , turbogeneraatori elektriline kasutegur η e =0,96. Määrake Rankine tsükli soojuslik kasutegur, auru tarbimine ja soojuse eritarbimine, vee tarbimine maasoojuskaevudest ja keskkonnast.
Üheahelalises auruturbiiniga geotermilises elektrijaamas määratakse kuiva küllastunud auru entalpia pärast eraldamist geotermilise vee temperatuuriga t gv. Vee ja veeauru termodünaamiliste omaduste tabelitest või h-s graafikud s. Kaheahelalise GeoTEP puhul võetakse arvesse temperatuuride erinevust aurugeneraatoris Δt. Ülejäänud arvutused tehakse nagu päikeseauruturbiiniga soojuselektrijaama puhul.
Aurukulu määratakse seose järgi
kg/s,
kus η t on tsükli termiline kasutegur,
η оі – turbiini suhteline sisemine efektiivsus,
η e – turbogeneraatori elektriline kasutegur,
N – GeoTEU võimsus, kW,
Maasoojuskaevude sooja vee tarbimine määratakse valemiga
, kg/s,
külma vee tarbimine keskkonnast auru kondenseerumiseks
, kg/s,
kus с = 4,19 kJ/kg∙K – vee soojusmahtuvus,
η pg – aurugeneraatori efektiivsus,
Δt pg – geotermilise vee temperatuuride erinevus aurugeneraatoris, 0 C,
Δt xv – külma vee temperatuuride vahe kondensaatoris, 0 C.
Madala keemistemperatuuriga ja segatud töövedelikega geotermiliste elektrijaamade arvutamine toimub termodünaamiliste omaduste tabelite ja nende vedelike aurude h-s diagrammide abil.
| Kogused ja mõõtühikud | Ülesande valikud | |||||||||
| N, MW | ||||||||||
| t külm, 0 C | ||||||||||
| t külm, 0 C | ||||||||||
| ηoi, % |
Geotermiline energia
Abstraktne.
Sissejuhatus.
Maasoojuselektrijaamades toodetud elektrienergia maksumus.
Bibliograafia.
Abstraktne.
See artikkel kirjeldab geotermilise energia arengu ajalugu nii kogu maailmas kui ka meie riigis Venemaal. Analüüsiti Maa süvasoojuse kasutamist selle muundamiseks elektrienergiaks, samuti linnade soojuse ja sooja veega varustamiseks meie riigi sellistes piirkondades nagu Kamtšatka, Sahhalin ja Põhja-Kaukaasia. Tehtud on majanduslik põhjendus maasoojusmaardlate arendamiseks, elektrijaamade rajamiseks ja nende tasuvusaegadeks. Võrreldes maasoojusallikate energiat teist tüüpi elektriallikatega, saame geotermilise energia arendamise väljavaated, mis peaksid võtma tähtis koht energiakasutuse üldises tasakaalus. Eelkõige tuleks Kamtšatka piirkonna ja Kuriili saarte, osaliselt Primorje ja Põhja-Kaukaasia energiasektori ümberkorraldamiseks ja varustamise jaoks kasutada oma geotermilisi ressursse.
Sissejuhatus.
Riigi energiasektori tootmisvõimsuste arendamise lähituleviku põhisuundadeks on elektrijaamade tehniline ümbervarustus ja rekonstrueerimine, samuti uute tootmisvõimsuste kasutuselevõtt. Esiteks on tegemist 5560% kasuteguriga kombineeritud tsükliga gaasijaamade rajamisega, mis tõstab olemasolevate soojuselektrijaamade efektiivsust 2540%. Järgmine etapp peaks olema soojuselektrijaamade ehitamine, kasutades uusi tehnoloogiaid tahkekütuste põletamiseks ja ülekriitiliste auruparameetritega, et saavutada soojuselektrijaama kasutegur 46-48%. Edasi arenevad ka uut tüüpi soojus- ja kiirneutronreaktoritega tuumaelektrijaamad.
Venemaa energeetikasektori kujunemisel on olulisel kohal riigi soojusvarustussektor, mis on tarbitavate energiaressursside mahult suurim, üle 45% nende kogutarbimisest. Rohkem kui 71% toodetakse tsentraliseeritud soojusvarustussüsteemides ja umbes 29% kogu soojusest toodetakse detsentraliseeritud allikatest. Elektrijaamad annavad üle 34% kogu soojusest, katlamajad ligikaudu 50%. Vastavalt Venemaa energiastrateegiale aastani 2020. Soojuse tarbimist plaanitakse riigis suurendada vähemalt 1,3 korda ning detsentraliseeritud soojusvarustuse osakaal suureneb 2000. aasta 28,6%-lt. 2020. aastal kuni 33%.
Viimastel aastatel toimunud orgaanilise kütuse (gaas, kütteõli, diislikütus) ja selle transpordi Venemaa kaugematesse piirkondadesse hinnatõus ning sellest tulenevalt ka elektri- ja soojusenergia müügihindade objektiivne tõus muudavad põhjalikult suhtumine taastuvate energiaallikate kasutusse: maasoojus, tuul, päikeseline.
Seega võimaldab geotermilise energia areng riigi teatud piirkondades täna lahendada elektri- ja soojusvarustuse probleemi, eriti Kamtšatkal, Kuriili saartel, aga ka Põhja-Kaukaasias, teatud Siberi piirkondades ja piirkondades. Venemaa Euroopa osa.
Soojusvarustussüsteemide täiustamise ja arendamise põhisuundade hulka peaks kuuluma kohalike ebatraditsiooniliste taastuvate energiaallikate ja eelkõige maasoojuse kasutamise laiendamine. Juba järgmise 7-10 aasta jooksul abiga kaasaegsed tehnoloogiad Lokaalne küte tänu termilisele soojusele võib oluliselt säästa fossiilkütuste ressursse.
Viimasel kümnendil on mittetraditsiooniliste taastuvate energiaallikate (NRES) kasutamine maailmas kogenud tõelist buumi. Nende allikate kasutamise ulatus on mitu korda suurenenud. See valdkond areneb võrreldes teiste energeetikavaldkondadega kõige intensiivsemalt. Sellel nähtusel on mitu põhjust. Esiteks on ilmne, et odavate traditsiooniliste energiaressursside ajastu on pöördumatult möödas. Selles valdkonnas on ainult üks trend – kõikide tüüpide hinnad tõusevad. Mitte vähem oluline on paljude kütusebaasist ilma jäänud riikide soov saavutada energiasõltumatus.Olulist rolli mängivad keskkonnakaalutlused, sealhulgas kahjulike gaaside emissioon. Arenenud riikide elanikkond toetab taastuvate energiaallikate kasutamist aktiivselt moraalselt.
Nendel põhjustel on taastuvate energiaallikate arendamine paljudes riikides energeetikavaldkonna tehnilise poliitika prioriteetne ülesanne. Paljudes riikides rakendatakse seda poliitikat vastuvõetud seadusandliku ja reguleeriva raamistiku kaudu, mis loob taastuvate energiaallikate kasutamise õigusliku, majandusliku ja organisatsioonilise aluse. Eelkõige koosnevad majanduslikud alused erinevatest meetmetest taastuvate energiaallikate toetamiseks nende energiaturu arengu staadiumis (maksu- ja krediidisoodustused, otsetoetused jne).
Venemaal praktiline kasutamine NRES jääb juhtivatest riikidest märkimisväärselt maha. Puudub seadusandlik või normatiivne baas, samuti valitsuse majanduslik toetus. Kõik see muudab praktilise tegevuse selles valdkonnas äärmiselt keeruliseks. Inhibeerivate tegurite peamiseks põhjuseks on pikaleveninud majandusprobleemid riigis ja sellest tulenevalt raskused investeeringutega, vähene efektiivne nõudlus ning rahapuudus vajalikeks arendusteks. Küll aga tehakse meie riigis mõningaid töid ja praktilisi meetmeid taastuvate energiaallikate (maasoojusenergia) kasutamise osas. Auru-hüdrotermilisi maardlaid leidub Venemaal ainult Kamtšatkal ja Kuriili saartel. Seetõttu ei saa maasoojus tulevikus kogu riigi energeetikasektoris olulist kohta võtta. Küll aga on see võimeline radikaalselt ja kõige ökonoomsematel alustel lahendama energiavarustuse probleemi nendes piirkondades, mis kasutavad kallist importkütust (kütteõli, kivisüsi, diislikütus) ja on energiakriisi lävel. Kamtšatka auru-hüdrotermiliste maardlate potentsiaal on võimeline andma erinevatest allikatest 1000–2000 MW installeeritud elektrienergiat, mis ületab oluliselt selle piirkonna vajadused lähitulevikus. Seega on siin maasoojusenergia arendamiseks reaalsed väljavaated.
Geotermilise energia arengu ajalugu.
Lisaks tohututele orgaanilise kütuse ressurssidele on Venemaal märkimisväärsed maasoojusvarud, mida võivad suurendada 300–2500 m sügavusel asuvad geotermilised allikad, peamiselt maakoore rikkepiirkondades.
Venemaa territoorium on hästi läbi uuritud ja tänapäeval on teada maa peamised soojusressursid, millel on märkimisväärne tööstuspotentsiaal, sealhulgas energia. Pealegi on peaaegu kõikjal soojusvarusid, mille temperatuur on vahemikus 30–200 °C.
Tagasi aastal 1983 VSEGINGEO koostas NSV Liidu termaalveevarude atlase. Meie riigis on uuritud 47 geotermilist maardlat koos termaalveevarudega, mis võimaldavad saada rohkem kui 240·10³m³/ööpäevas. Täna tegelevad Venemaal peaaegu 50 teadusorganisatsiooni spetsialistid maa soojuse kasutamise probleemidega.
Geotermiliste ressursside kasutamiseks on puuritud üle 3000 kaevu. Selles piirkonnas juba tehtud maasoojusuuringute ja puurimistööde maksumus on kaasaegsed hinnad on üle 4 miljardi. dollarit. Nii et Kamtšatkal on maasoojusväljadesse juba puuritud 365 kaevu sügavusega 225–2266 m ja kulutatud umbes 300 miljonit (nõukogude ajal). dollarit (kaasaegsete hindadega).
Esimese geotermilise elektrijaama tööd alustati Itaalias 1904. aastal. Esimene geotermiline elektrijaam Kamtšatkal ja esimene NSV Liidus, Paužetskaja geotermiline elektrijaam, võeti kasutusele 1967. aastal. ja selle võimsus oli 5 mW, mida suurendati seejärel 11 mW-ni. Uue tõuke Kamtšatka geotermilise energia arengule andis 90. aastatel organisatsioonide ja ettevõtete (JSC Geotherm, JSC Intergeotherm, JSC Nauka) tekkimine, mis koostöös tööstusega (eelkõige Kaluga turbiinitehasega) töötasid välja uusi. progressiivsed skeemid, tehnoloogiad ja seadmete tüübid geotermilise energia muundamiseks elektriks ning saadud laenud Euroopa Rekonstruktsiooni- ja Arengupangalt. Selle tulemusena 1999. a Kamtšatkal võeti kasutusele Verhne-Mutnovskaja geotermiline elektrijaam (kolm moodulit, igaüks 4 MW). Kasutusele võetakse esimene 25 mW plokk. Mutnovskaja geotermilise elektrijaama esimene etapp koguvõimsusega 50 MW.
Teine etapp võimsusega 100 MW saab kasutusele võtta 2004. aastal
Seega on kindlaks tehtud Kamtšatka geotermilise energia vahetud ja väga reaalsed väljavaated, mis on positiivne, vaieldamatu näide taastuvate energiaallikate kasutamisest Venemaal, hoolimata riigis valitsevatest tõsistest majandusraskustest. Kamtšatka auru-hüdrotermiliste maardlate potentsiaal on võimeline andma 1000 MW paigaldatud elektrienergiat, mis katab oluliselt selle piirkonna vajadused lähitulevikus.
Venemaa Teaduste Akadeemia Kaug-Ida filiaali vulkanoloogiainstituudi andmetel võimaldavad juba tuvastatud geotermilised ressursid Kamtšatkat enam kui 100 aastaks täielikult elektri ja soojusega varustada. Koos 300 MW (e) võimsusega kõrgtemperatuurse Mutnovskoje väljaga on Kamtšatka lõunaosas teada olulised geotermiliste ressursside varud Koshelevskoje, Bolshe Bannoye ja põhjas Kireunskoje väljadel. Kamtšatka geotermiliste vete soojusvarud on hinnanguliselt 5000 MW (t).
Tšukotkal on ka märkimisväärsed geotermilise soojuse varud (piiril Kamtšatka piirkonnaga), mõned neist on juba avastatud ja neid saab aktiivselt kasutada lähedalasuvate linnade ja alevite jaoks.
Kuriili saared on rikkad ka maa soojusvarude poolest, need on täiesti piisavad selle territooriumi soojuse ja elektriga varustamiseks 100 200 aastaks. Iturupi saarel on avastatud kahefaasilise geotermilise jahutusvedeliku varud, mille võimsus (30 MW(e)) on piisav kogu saare energiavajaduse katmiseks järgmiseks 100 aastaks. Siin on Okeanskoje geotermilisel väljal juba puuritud kaevud ja ehitatakse geoelektrijaama. Peal lõuna saar Kunashiril on geotermilise soojuse varud, mida juba kasutatakse elektri tootmiseks ja Južno Kurilski linna soojusvarustuseks. Põhjapoolse Paramushiri saare aluspinnast on vähem uuritud, kuid on teada, et sellel saarel on ka märkimisväärsed geotermilise vee varud temperatuuriga 70–95 °C, samuti on valmimas 20 MW (t) võimsusega GeoTS. siia ehitatud.
Märksa laiemalt on levinud termaalvee ladestused temperatuuriga 100-200°C. Sellel temperatuuril on auruturbiini tsüklis soovitatav kasutada madala keemistemperatuuriga töövedelikke. Termovett kasutavate kaheahelaliste geotermiliste elektrijaamade kasutamine on võimalik paljudes Venemaa piirkondades, eelkõige Põhja-Kaukaasias. Siin on hästi uuritud geotermilisi maardlaid, mille temperatuur on 70–180 ° C ja mis asuvad sügavusel 300–5000 m. Geotermilist vett on siin pikka aega kasutatud kütteks ja sooja veevarustuseks. Dagestanis toodetakse aastas üle 6 miljoni m geotermilist vett. Põhja-Kaukaasias kasutab geotermilist vett umbes 500 tuhat inimest.
Primorye, Baikali piirkonnas ja Lääne-Siberi piirkonnas on ka geotermilise soojuse varud, mis sobivad suuremahuliseks kasutamiseks tööstuses ja põllumajanduses.
Geotermilise energia muundamine elektri- ja soojusenergiaks.
Üks neist paljutõotavad suunad kõrge mineralisatsiooniga maa-aluste termaalvete soojuse kasutamine ja selle muundamine elektrienergiaks. Selleks töötati välja geotermilise elektrijaama ehitamise tehnoloogiline skeem, mis koosneb maasoojuselektrijaamast. tsirkulatsioonisüsteem(GCS) ja auruturbiiniseade (STU), mille skeem on näidatud joonisel 1. Tuntud tehnoloogilise skeemi eripäraks on see, et selles täidab aurusti ja ülekuumendi rolli kaevu sees olev vertikaalne vastuvooluga soojusvaheti, mis asub sissepritsekaevu ülemises osas, kust eemaldatakse kõrge temperatuur. termiline vesi tarnitakse maismaa torujuhtme kaudu, mis pärast soojuse ülekandmist sekundaarsesse jahutusvedelikku pumbatakse tagasi kihistusse. Auruturbiini agregaadi kondensaatorist tulev sekundaarne jahutusvedelik voolab soojusvaheti sees põhja alla lastud toru kaudu raskusjõu mõjul küttetsooni.
Kutsekoolide töö põhineb Rankine tsüklil; Selle tsükli t,s diagramm ja jahutusvedeliku temperatuuride muutumise olemus aurusti soojusvahetis.
Enamik oluline punkt Maasoojuselektrijaama ehitamisel on oluline töövedeliku valik sekundaarringis. Maasoojuspaigaldise jaoks valitud töövedelik peab olema antud töötingimustes soodsate keemiliste, füüsikaliste ja tööomadustega, s.o. olema stabiilne, mittesüttiv, plahvatuskindel, mittetoksiline, konstruktsioonimaterjalide suhtes inertne ja odav. Soovitatav on valida madalama dünaamilise viskoossuse koefitsiendiga (väiksemad hüdraulilised kaod) ja suurema soojusjuhtivuse koefitsiendiga (paranenud soojusülekanne) töövedelik.
Kõiki neid nõudeid üheaegselt täita on peaaegu võimatu, mistõttu on alati vaja optimeerida ühe või teise töövedeliku valikut.
Geotermiliste elektrijaamade töövedelike madalad algparameetrid toovad kaasa madala keemistemperatuuriga töövedelike otsimise, mille parempoolse piirkõvera kõverus on negatiivne t, s diagrammil, kuna vee ja veeauru kasutamine viib sel juhul termodünaamiliste parameetrite halvenemisele ja auruturbiiniseadmete mõõtmete järsule suurenemisele, mis suurendab oluliselt nende kulusid.
Tehakse ettepanek kasutada binaarsete energiatsüklite sekundaarses ahelas superkriitilise agensina isobutaani + isopentaani segu superkriitilises olekus. Ülekriitiliste segude kasutamine on mugav, kuna kriitilised omadused, s.o. kriitiline temperatuur tк(x), kriitiline rõhk pк(x) ja kriitiline tihedus qк(x) sõltuvad segu koostisest x. See võimaldab segu koostist valides valida konkreetse geotermilise maardla termilise vee vastava temperatuuri jaoks kõige soodsamate kriitiliste parameetritega superkriitilise aine.
Sekundaarse jahutusvedelikuna kasutatakse madala keemistemperatuuriga süsivesiniku isobutaani, mille termodünaamilised parameetrid vastavad vajalikele tingimustele. Isobutaani kriitilised parameetrid: tc = 134,69°C; pk = 3,629 MPa; qк =225,5 kg/m³. Lisaks on isobutaani valik sekundaarseks jahutusvedelikuks tingitud selle suhteliselt madalast hinnast ja keskkonnasõbralikkusest (erinevalt freoonidest). Isobutaani kui töövedelikku kasutatakse laialdaselt välismaal, samuti tehakse ettepanek kasutada seda ülekriitilises olekus binaarsetes geotermilistes energiatsüklites.
Käitise energiaomadused arvutatakse toodetava vee laia temperatuurivahemiku ja selle erinevate töörežiimide jaoks. Kõigil juhtudel eeldati, et isobutaani tcon kondensatsioonitemperatuur = 30 °C.
Tekib küsimus väikseima temperatuurierinevuse valimise kohta (joonis 2). Ühest küljest toob êt vähenemine kaasa aurusti soojusvaheti pinna suurenemise, mis ei pruugi olla majanduslikult põhjendatud. Teisest küljest toob êt tõus antud termilise vee temperatuuril tt kaasa vajaduse alandada aurustumistemperatuuri tz (ja sellest tulenevalt ka rõhku), mis mõjutab negatiivselt tsükli efektiivsust. Enamikul praktilistel juhtudel on soovitatav võtta êt = 10÷25ºС.
Saadud tulemused näitavad, et auruelektrijaama jaoks on olemas optimaalsed tööparameetrid, mis sõltuvad soojusvaheti aurugeneraatori primaarahelasse siseneva vee temperatuurist. Isobutaani tз aurustumistemperatuuri tõusuga suureneb turbiini poolt tekitatud võimsus N sekundaarse jahutusvedeliku 1 kg/s voolu kohta. Sel juhul tz suurenedes väheneb aurustunud isobutaani kogus 1 kg/s termilise vee tarbimise kohta.
Termovee temperatuuri tõustes tõuseb ka optimaalne temperatuur aurustumine.
Joonisel 3 on graafikud turbiini genereeritud võimsuse N sõltuvusest sekundaarse jahutusvedeliku aurustumistemperatuurist tз termilise vee erinevatel temperatuuridel.
Kõrge temperatuuriga vee (tt = 180ºС) puhul arvestatakse ülekriitilisi tsükleid, kui algne aururõhk on pn = 3,8; 4,0; 4,2; ja 5,0 MPa. Nendest on maksimaalse võimsuse saavutamisel kõige tõhusam ülikriitiline tsükkel, mis on lähedane nn kolmnurksele tsüklile algrõhuga pн = 5,0 MPa. Selles tsüklis kasutatakse jahutusvedeliku ja töövedeliku minimaalse temperatuuride erinevuse tõttu termilise vee soojuspotentsiaali kõige täiel määral. Selle tsükli võrdlus subkriitilise tsükliga (pn = 3,4 MPa) näitab, et turbiini poolt ülekriitilise tsükli jooksul genereeritud võimsus suureneb 11%, turbiini siseneva aine voolutihedus on 1,7 korda suurem kui pn-ga tsüklis. = 3,4 MPa, mis toob kaasa jahutusvedeliku transpordiomaduste paranemise ja auruturbiinitehase seadmete (toitetorustiku ja turbiini) mõõtmete vähenemise. Lisaks on tsüklis pn = 5,0 MPa kihistusse tagasi juhitava heitvee tn temperatuur 42ºC, alakriitilises tsüklis pn = 3,4 MPa aga temperatuur tn = 55ºC.
Samal ajal mõjutab ülekriitilise tsükli algrõhu tõus 5,0 MPa-ni seadmete, eelkõige turbiini maksumust. Kuigi rõhu suurenedes vähenevad turbiini voolutee mõõtmed, suureneb samaaegselt turbiini astmete arv, on vaja rohkem arenenud otsatihendit ja mis kõige tähtsam, korpuse seinte paksus suureneb.
Geotermilise elektrijaama tehnoloogilises skeemis ülekriitilise tsükli tekitamiseks on vaja kondensaatorit soojusvahetiga ühendavale torustikule paigaldada pump.
Ülekriitilise tsükli kasuks räägivad aga sellised tegurid nagu suurenenud võimsus, toitetorustike ja turbiinide väiksemad mõõtmed ning termilise vee soojuspotentsiaali täielikum aktiveerimine.
Tulevikus peaksime otsima madalama kriitilise temperatuuriga jahutusvedelikke, mis võimaldavad madalama temperatuuriga termaalvee kasutamisel luua ülekriitilisi tsükleid, kuna enamiku Venemaal uuritud maardlate soojuspotentsiaal ei ületa 100 ÷120ºС. Sellega seoses on kõige lootustandvam R13B1 (trifluorobromometaan) järgmiste kriitiliste parameetritega: tк = 66,9ºС; pk = 3,946 MPa; qк= 770kg/m³.
Hindamisarvutuste tulemused näitavad, et termaalvee kasutamine temperatuuriga tk = 120ºC GeoTPP primaarringis ja superkriitilise tsükli loomine sekundaarahelas freooni R13B1 abil algrõhuga pn = 5,0 MPa võimalik tõsta turbiini võimsust kuni 14% võrreldes alakriitilise tsükliga algrõhuga pn = 3,5 MPa.
Geotermiliste elektrijaamade edukaks tööks on vaja lahendada probleemid, mis on seotud korrosiooni ja soolaladestuste tekkega, mida reeglina süvendab termilise vee mineraliseerumise suurenemine. Kõige intensiivsemad soolaladestused tekivad termaalvee degaseerumise ja sellest tuleneva süsihappegaasi tasakaalu häire tõttu.
Kavandatavas tehnoloogilises skeemis ringleb primaarne jahutusvedelik suletud ahelas: reservuaar - tootmiskaev - maismaa torujuhe - pump - sissepritsekaev - reservuaar, kus vee degaseerimise tingimused on viidud miinimumini. Samal ajal tuleb primaarringi maapealses osas kinni pidada sellistest termobaarilistest tingimustest, mis takistavad degaseerumist ja karbonaadisademete sadenemist (olenevalt temperatuurist ja soolsusest tuleb rõhku hoida tasemel 1,5 MPa ja üle selle).
Termilise vee temperatuuri langus põhjustab mittekarbonaatsoolade sadestumist, mida kinnitasid Kayasulinsky geotermilises kohas tehtud uuringud. Osa sadestunud sooladest ladestub süstekaevu sisepinnale ja suurem osa kantakse põhjaaugu tsooni. Soolade sadestumine süstimiskaevu põhja aitab kaasa süstimise vähenemisele ja ringikujulise voolukiiruse järkjärgulisele vähenemisele kuni GCS-i täieliku seiskumiseni.
Korrosiooni ja katlakivi ladestumise vältimiseks GCS-i vooluringis võite kasutada tõhusat reaktiivi OEDPA (oksüetülideendifosfoonhape), millel on pikaajaline korrosioonivastane ja pinna passiveerimise katlakivivastane toime. OEDPC passiveeriva kihi taastamine toimub reaktiivilahuse perioodilise impulsssüstiga termaalvette tootmiskaevu suudmes.
Põhjaaugu tsooni koguneva soolapulber lahustamiseks ja sellest tulenevalt süstekaevu injektsioonivõime taastamiseks on väga tõhus reagent NMA (madalmolekulaarne happekontsentraat), mida saab perioodiliselt sisestada termaalvee ringlemine piirkonnas enne sissepritsepumpa.
Järelikult võib eeltoodust järeldada, et üks paljutõotav suund maakera sisemuse soojusenergia arendamiseks on selle muundamine elektriks kaheahelaliste geotermiliste elektrijaamade ehitamise teel, kasutades madala keemistemperatuuriga tööaineid. Sellise muundamise efektiivsus sõltub paljudest teguritest, eelkõige töövedeliku valikust ja geotermilise elektrijaama sekundaarahela termodünaamilise tsükli parameetritest.
Sekundaarringis erinevaid jahutusvedelikke kasutavate tsüklite arvutusanalüüsi tulemused näitavad, et kõige optimaalsemad on ülekriitilised tsüklid, mis võimaldavad tõsta turbiini võimsust ja tsükli efektiivsust, parandada jahutusvedeliku transpordiomadusi ja täielikumalt kontrollida temperatuuri. geotermilise elektrijaama primaarringis ringleva allika termilise vee kohta.
Samuti on kindlaks tehtud, et kõrge temperatuuriga termaalvee (180ºС ja üle selle) puhul on kõige lootustandvam superkriitiliste tsüklite loomine geotermilise elektrijaama sekundaarahelas, kasutades isobutaani, madalama temperatuuriga vete puhul (100÷120ºС ja üle selle). ) samade tsüklite loomisel on sobivaim jahutusvedelik freoon R13B1.
Sõltuvalt ekstraheeritud termaalvee temperatuurist on sekundaarse jahutusvedeliku optimaalne aurustumistemperatuur, mis vastab turbiini tekitatavale maksimaalsele võimsusele.
Edaspidi on vaja uurida ülekriitilisi segusid, mille kasutamine geotermiliste energiatsüklite tööainena on kõige mugavam, kuna segu koostist valides saab nende kriitilisi omadusi kergesti muuta sõltuvalt välistingimustest.
Teine geotermilise energia kasutamise suund on geotermiline soojusvarustus, mida on Kamtšatkal ja Põhja-Kaukaasias pikka aega kasutatud kasvuhoonete kütmiseks, kütte- ja soojaveevarustuseks elamu- ja kommunaalteenuste sektoris. Maailma ja kodumaiste kogemuste analüüs näitab maasoojusvarustuse väljavaateid. Praegu töötavad maailmas maasoojussüsteemid koguvõimsusega 17 175 MW, ainuüksi USA-s on töös üle 200 tuhande maasoojuspaigaldise. Euroopa Liidu plaanide kohaselt võim geotermilised süsteemid soojusvarustus, sh soojuspumbad, peaks kasvama 1300 MW-lt 1995. aastal 5000 MW-ni 2010. aastal.
NSV Liidus kasutati geotermilist vett Krasnodari ja Stavropoli territooriumil, Kabardi-Balkarias, Põhja-Osseetias, Tšetšeenia-Inguššias, Dagestanis, Kamtšatka piirkonnas, Krimmis, Gruusias, Aserbaidžaanis ja Kasahstanis. 1988. aastal toodeti 60,8 miljonit m³ geotermilist vett, praegu toodetakse Venemaal kuni 30 miljonit m³. m³ aastas, mis võrdub 150÷170 tuhande tonni tavakütusega. Samal ajal on geotermilise energia tehniline potentsiaal Venemaa Föderatsiooni energeetikaministeeriumi andmetel 2950 miljonit tonni standardkütust.
Viimase 10 aasta jooksul on geotermiliste ressursside uurimise, arendamise ja kasutamise süsteem meie riigis kokku varisenud. NSV Liidus tegid selle probleemi uurimistööd Teaduste Akadeemia instituudid, geoloogia- ja gaasitööstuse ministeeriumid. Maardlate varude uurimist, hindamist ja kinnitamist teostasid Geoloogiaministeeriumi instituudid ja piirkondlikud talitused. Tootmiskaevude puurimine, väljade arendamine, taassissepritse tehnoloogiate väljatöötamine, maasoojusvee puhastamine ja maasoojussüsteemide käitamine toimusid Gaasitööstuse Ministeeriumi allüksuste poolt. See hõlmas viit piirkondlikku operatiivosakonda, teadus- ja tootmisühendust Sojuzgeotherm (Makhachkala), mis töötas välja skeemi geotermiliste vete tulevaseks kasutamiseks NSV Liidus. Maasoojussüsteemide ja -seadmete projekteerimise teostas Inseneriseadmete Keskinstituudi Teadus- ja Projekteerimis- ja Eksperimentaalinstituut.
Praeguseks on katkenud põhjalik geotermia alane uurimistöö: geoloogilistest ja hüdrogeoloogilistest uuringutest kuni geotermiliste vete puhastamise probleemideni. Pole läbi viidud uurimuslik puurimine, varem uuritud maardlate arendamine, olemasolevate maasoojussüsteemide seadmeid ei kaasajastata. Valitsuse roll geotermia arendamisel on tühine. Maasoojusspetsialistid on laiali ja nende kogemustele pole nõudlust. Analüüsime praegust olukorda ja arenguväljavaateid Venemaa uutes majandustingimustes Krasnodari territooriumi näitel.
Selle piirkonna jaoks on kõigist taastuvatest energiaallikatest kõige lootustandvam geotermiliste vete kasutamine. Joonisel 4 on näidatud taastuvate energiaallikate kasutamise prioriteedid Krasnodari territooriumi rajatiste soojusvarustuseks.
Krasnodari territooriumil toodetakse aastas kuni 10 miljonit m³/aastas geotermilist vett temperatuuriga 70÷100ºC, mis asendab 40÷50 tuhat tonni orgaanilist kütust (ekvivalendi kütusena). Töös on 10 põldu 37 puurkaevuga, arendusjärgus on 6 põldu 23 kaevuga. Maasoojuskaevu on kokku 77. 32 hektarit köetakse maasoojusveega. kasvuhooned, 11 tuhat korterit kaheksas asulas, sooja veega varustatakse 2 tuhat inimest. Piirkonna geotermiliste vete uuritud kaevandatavad varud on hinnanguliselt 77,7 tuhat. m³/päevas või töötamise ajal kütteperiood-11,7 miljonit m³ hooajal, prognoositav varu on vastavalt 165 tuh. m³/päevas ja 24,7 miljonit. m³ hooaja kohta.
Üks arenenumaid Mostovskoje geotermilisi väljasid, 240 km kaugusel Krasnodarist Kaukaasia jalamil, kus puuriti 14 puurauku sügavusel 1650÷1850 m vooluhulgaga 1500÷3300 m³/ööpäevas, temperatuur suudmes 67 ÷78º C, kogumineraliseerumine 0,9÷1, 9g/l. Geotermilise vee keemiline koostis vastab peaaegu joogivee normidele. Selle maardla geotermilise vee peamiseks tarbijaks on kuni 30 hektari suuruse kasvuhoonegaaside kompleks, kus varem töötas 8 kaevu. Praegu köetakse siin 40% kasvuhoone pinnast.
Küla elamute ja administratiivhoonete soojavarustuseks. 80ndatel rajati Mostovajale geotermiline keskküttepunkt (CHS) hinnangulise soojusvõimsusega 5 MW, mille skeem on näidatud joonisel 5. Keskküttejaama maaküttevesi tuleb kahest kaevust voolukiirusega 45÷70 m³/h ja temperatuuriga 70÷74ºС kahte mahutisse mahuga 300 m³. Geotermilise heitvee soojuse ärakasutamiseks paigaldati kaks aurukompressorsoojuspumpa projekteeritud soojusvõimsusega 500 kW. Küttesüsteemide geotermilise heitvee temperatuur on 30–35ºС, enne kui soojuspumbaseade (HPU) jagatakse kaheks vooluks, millest üks jahutatakse temperatuurini 10ºС ja juhitakse reservuaari ning teine soojendatakse temperatuurini 50ºС ja suunatakse tagasi säilituspaagid. Soojuspumbaseadmeid valmistas Moskva tehas "Compressor". külmutusmasinad A-220-2-0.
Maakütte soojusvõimsuse reguleerimine tippkütte puudumisel toimub kahel viisil: jahutusvedeliku läbilaskmisega ja tsükliliselt. Viimase meetodi puhul täidetakse süsteemid perioodiliselt geotermilise jahutusvedelikuga, samal ajal tühjendades jahutatud vedelikku. Päevase kütteperioodi Z korral määratakse kütteaeg Zн valemiga
Zн = 48j/(1 + j), kus soojuse eraldumise koefitsient; hinnanguline ruumiõhu temperatuur, °C; ning tegelik ja arvestuslik välisõhu temperatuur, °C.
Geotermiliste süsteemide akumulatsioonipaakide mahutavus määratakse tingimusest tagada õhutemperatuuri kõikumiste normaliseeritud amplituudi köetavates eluruumides (±3°C) valemi järgi.
kus kF on küttesüsteemi soojusülekanne 1°C temperatuuride erinevuse kohta, W/°C; Z = Zн + Z Maakütte tööperiood; Zpausi kestus, h; Qp ja Qp hoone küttesüsteemi arvestuslik ja hooajaline keskmine soojusvõimsus, W; c · geotermilise vee soojusmaht, J/(m³· ºС); nmaakütte käivitamiste arv ööpäevas; k1soojuskao koefitsient maasoojussüsteemis; А1 temperatuurikõikumiste amplituud köetavas hoones, ºС; Köetavate ruumide soojuse neeldumise Rnomtaalne näitaja; Küttesüsteemide ja soojusvõrkude Vc ja Vts võimsus, m³.
Kui soojuspumbad töötavad, määratakse aurusti Gi ja kondensaatori Gk läbivate geotermilise vee voolukiiruste suhe valemiga:
Kus tk, to, t on geotermilise vee temperatuur pärast kondensaatorit, hoone küttesüsteemi ja HPU aurusteid, ºС.
Märkimist väärib kasutatud soojuspumba konstruktsioonide madal töökindlus, kuna nende töötingimused erinesid oluliselt külmutusmasinate töötingimustest. Kompressorite tühjendus- ja imemisrõhkude suhe soojuspumba režiimil töötamisel on 1,5÷2 korda suurem kui samalaadne suhe külmutusmasinatel. Ühendusvarda ja kolvirühma, õliseadmete ja automaatika rikked viisid nende masinate enneaegse rikkeni.
Hüdroloogilise režiimi kontrolli puudumise tõttu vähenes Mostovskoje geotermilise välja töötamise tõttu juba 10 aasta pärast rõhk kaevupeas 2 korda. Põllu reservuaari rõhu taastamiseks 1985. a. Puuriti kolm sissepritsekaevu ja rajati pumbajaam, kuid nende töö ei andnud kihistute vähese injektsiooni tõttu positiivset tulemust.
Krasnodarist 60 km kaugusel asuvas 50 tuhande elanikuga Ust-Labinski linna geotermiliste ressursside kõige lootustandvamaks kasutamiseks on välja töötatud geotermiline soojusvarustussüsteem hinnangulise soojusvõimsusega 65 MW. Kolmest veepumpamishorisondist valiti välja eotseeni-paleotseeni maardlad matmissügavusega 2200÷2600 m, tekketemperatuuriga 97÷100ºС ja mineralisatsiooniga 17÷24 g/l.
Olemasolevate ja tulevaste soojuskoormuste analüüsi tulemusena vastavalt linna soojusvarustuse arendamise skeemile määrati maasoojussüsteemi optimaalne arvestuslik soojusvõimsus. Nelja variandi tehniline ja majanduslik võrdlus (neist kolm ilma erineva arvu kaevude arvuga tipukatlamajadeta ja üks katlamajas lisaküttega) näitas, et tippkatlamajaga skeemil on minimaalne tasuvusaeg (joon. 6). .
Maaküttesüsteemiga kaasneb lääne- ja kesksoojusveehaarde rajamine seitsme sissepritsekaevuga. Termovee sissevõtuavade töörežiim jahutatud jahutusvedeliku uuesti sissepritsega. Kahekontuuriline küttesüsteem katlaruumi tippküttega ja sõltuva ühendusega olemasolevad süsteemid hoonete kütmine. Kapitaliinvesteeringud selle maasoojussüsteemi rajamisse ulatusid 5,14 miljoni euroni. hõõruda. (1984.a. hindades), tasuvusaeg 4,5 aastat, asendatud kütuse arvestuslik kokkuhoid 18,4 tuhat tonni tavakütust aastas.
Maasoojuselektrijaamades toodetud elektrienergia maksumus.
Maasoojusväljade uurimis- ja arendustegevuse (puurimise) kulud moodustavad kuni 50% maasoojuselektrijaama kogumaksumusest ning seetõttu on maasoojuselektrijaama toodetava elektrienergia maksumus üsna märkimisväärne. Seega kogu piloot-tööstusliku (IP) Verkhnee-Mutnovskaya GeoPP [võimsus 12(3×4) MW] maksumus ulatus umbes 300 miljoni rublani. Kütuse transpordikulude puudumine, maasoojusenergia taastuv iseloom ning elektri- ja soojustootmise keskkonnasõbralikkus võimaldavad aga maasoojusenergial edukalt energiaturul konkureerida ning mõnel juhul toota odavamat elektrit ja soojust kui traditsioonilised CPPd ning Koostootmisjaamad. Kõrvalpiirkondades (Kamtšatka, Kuriili saared) on GeoPP-del absoluutne eelis imporditud kütusel töötavate soojuselektrijaamade ja diiseljaamade ees.
Kui võtta näiteks Kamtšatkat, kus üle 80% elektrienergiast toodetakse imporditud kütteõlil töötavates CHPP-1 ja CHPP-2, siis on maasoojusenergia kasutamine tulusam. Isegi täna, kui Mutnovski geotermilises väljas uute geoelektrijaamade ehitus- ja arendusprotsess alles käib, on Verhne-Mutnovskaja geotermilise elektrijaama elektrienergia maksumus üle kahe korra madalam kui Petropavlovski-Kamtšatski koostootmisjaamas. Vana Pauzhetskaya GeoPP 1 kWh(e) maksumus on 2¸3 korda madalam kui CHPP-1 ja CHPP-2 puhul.
1 kWh elektrienergia maksumus oli Kamtšatkal 1988. aasta juulis 10-25 senti ja keskmiseks elektritariifiks määrati 14 senti. Juunis 2001 samas piirkonnas jäi 1 kWh elektritariif vahemikku 7-15 senti. 2002. aasta alguses OJSC Kamtšatskenergo keskmine tariif oli 3,6 rubla. (12 senti). On täiesti selge, et Kamtšatka majandus ei saa edukalt areneda ilma tarbitava elektrienergia maksumust vähendamata ja seda on võimalik saavutada ainult geotermiliste ressursside kasutamisega.
Nüüd on energiasektori ümberkorraldamisel väga oluline lähtuda kütuse ja seadmete reaalsetest hindadest ning energiahindadest erinevatele tarbijatele. Vastasel juhul võite teha ekslikke järeldusi ja ennustusi. Seega oli Kamtšatka piirkonna majandusarengu strateegias, mis töötati välja 2001. aastal Dalsetproektis, ilma piisava põhjenduseta 1000 m³ gaasi eest 50 dollarit, kuigi on selge, et gaasi tegelik hind ei ole madalam kui 100 dollarit ja gaasiväljade arendamise kestus on 5 ÷10 aastat. Veelgi enam, kavandatud strateegia kohaselt arvutatakse gaasivarud kasutuseaks, mis ei ületa 12 aastat. Seetõttu tuleks Kamtšatka piirkonna energiaarengu väljavaateid seostada eelkõige mitmete geotermiliste elektrijaamade ehitamisega Mutnovskoje väljale [kuni 300 MW(e)], Pauzhetskaya GeoPP ümbervarustusega, võimsusega. millest tuleks suurendada 20 MW-ni ning uute GeoPP-de ehitamist. Viimane tagab Kamtšatka energiasõltumatuse pikkadeks aastateks (vähemalt 100 aastaks) ja vähendab müüdava elektri maksumust.
Maailma Energianõukogu andmetel taastuvatest energiaallikatest kõige rohkem madal hind 1 kWh eest GeoPP-s (vt tabelit).
|
võimsus |
kasutada võimsus |
Hind paigaldatud |
lõpuks |
||||
| 10200 | 55÷95 (84) | 2÷10 | 1÷8 | 800÷3000 | 70,2 | 22 | |
| Tuul | 12500 | 20÷30(25) | 5÷13 | 3÷10 | 1100÷ 1700 | 27,1 | 30 |
| 50 | 8÷20 | 25÷125 | 5÷25 | 5000÷10000 | 2,1 | 30 | |
| Looded | 34 | 20÷30 | 8÷15 | 8÷15 | 1700÷ 2500 | 0,6 |
Filipiinide, Uus-Meremaa, Mehhiko ja USA suurte GeoPP-de käitamise kogemusest järeldub, et 1 kWh elektrienergia maksumus ei ületa sageli 1 senti, samas tuleb meeles pidada, et GeoPP-de võimsuskasutuskoefitsient jõuab väärtuseni 0,95.
Geotermiline soojusvarustus on kõige kasulikum maakütte kuuma vee otsesel kasutamisel, samuti soojuspumpade kasutuselevõtul, mis suudavad efektiivselt ära kasutada maasoojust temperatuuriga 10÷30ºС, s.o. madala kvaliteediga maasoojus. Venemaa praegustes majandustingimustes on maasoojusvarustuse arendamine äärmiselt keeruline. Kaevude puurimiseks tuleb investeerida põhivahendeid. Krasnodari territooriumil 1 m kaevu puurimise maksumus 8 tuhat rubla, selle sügavus on 1800 m, kulud on 14,4 miljonit rubla. Arvestusliku kaevu voolukiirusega 70 m³/h, aktiveeritud temperatuurirõhuga 30ºC, ööpäevaringselt 150 päeva. aastas on eeldatava vooluhulga kasutuskoefitsient kütteperioodil 0,5, tarnitud soojuse kogus on 4385 MWh ehk väärtuses 1,3 miljonit rubla. tariifiga 300 rub./(MWh). Sellise tempo juures tasub kaevude puurimine end ära 11 aastaga. Samas on vajadus selle valdkonna arendamiseks energiasektoris tulevikus väljaspool kahtlust.
Järeldused.
1. Peaaegu kogu Venemaa territooriumil on ainulaadsed geotermilise soojuse varud, mille jahutusvedeliku temperatuur (vesi, kahefaasiline vool ja aur) on 30–200ºC.
2. Venemaal on viimastel aastatel suurte fundamentaaluuringute põhjal loodud geotermilisi tehnoloogiaid, mis suudavad kiiresti tagada maasoojuse efektiivse kasutamise GeoPPs ja GeoTS-is elektri ja soojuse tootmiseks.
3. Geotermiline energia peaks energiakasutuse üldises tasakaalus võtma olulise koha. Eelkõige tuleks Kamtšatka piirkonna ja Kuriili saarte ning osaliselt Primorje, Siberi ja Põhja-Kaukaasia energiasektori ümberkorraldamiseks ja varustamiseks kasutada oma geotermilisi ressursse.
4. Uute soojusvarustusskeemide laiaulatuslik rakendamine madala kvaliteediga soojusallikaid kasutavate soojuspumpadega vähendab fossiilkütuste tarbimist 20÷25%.
5. Investeeringute ja laenude meelitamiseks energeetikasektorisse on vaja ellu viia tõhusaid projekte ja tagada laenatud vahendite õigeaegne tagasimaksmine, mis on võimalik ainult tarbijatele tarnitud elektri ja soojuse täieliku ja õigeaegse tasumisega.
Bibliograafia.
1. Geotermilise energia muundamine elektrienergiaks, kasutades sekundaarahelas ülekriitilist tsüklit. Abdulagatov I.M., Alkhasov A.B. “Soojusenergeetika.-1988 nr 4-lk. 53-56".
2. Salamov A.A. “Geotermilised elektrijaamad maailma energeetikasektoris” Soojusenergeetika 2000 nr 1-lk. 79-80"
3. Maa soojus: Raportist “Geotermiliste tehnoloogiate arendamise väljavaated” Ökoloogia ja elu-2001-nr.6-lk49-52.
4. Tarniževski B.V. “Taastuvate energiaallikate kasutamise olukord ja väljavaated Venemaal” Tööstusenergia-2002-nr 1-lk. 52-56.
5. Kuznetsov V.A. "Mutnovskaja geotermiline elektrijaam" Elektrijaamad-2002-Nr.1-lk. 31-35.
6. Butuzov V.A. “Krasnodari piirkonna geotermilised soojusvarustussüsteemid” Energiajuht-2002-nr 1-lk 14-16.
7. Butuzov V.A. “Venemaa geotermiliste soojusvarustussüsteemide analüüs” Industrial Energy-2002-Nr.6-pp.53-57.
8. Dobrokhotov V.I. “Geotermiliste ressursside kasutamine Venemaa energeetikasektoris” Soojusenergeetika-2003-nr 1-lk 2-11.
9. Alkhasov A.B. “Maotermilise soojuse kasutamise efektiivsuse tõstmine” Soojusenergeetika-2003-nr.3-lk.52-54.
