Расчет тепловой схемы геоэс

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ. РАСЧЕТ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНОВ;

Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.

Практическое занятие № 6

Цель: ознакомиться с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО), а также с методикой их расчета.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО.

2. В соответствии с индивидуальным заданием решить практические задачи.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Использование тепловой энергии океана

Технология преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) позволяет создавать электричество за счет разницы температур между теплой и холодной океанской водой. Холодная вода перекачивается через трубу с глубины более 1000 метров (из места, куда солнечные лучи никогда не попадают). Система также использует и теплую воду из области, близкой к поверхности океана. Нагретая солнечными лучами вода проходит через теплообменник с химическими веществами с низкой температурой кипения, например аммиаком, что создает химический пар, приводящий в движение турбины электрогенераторов. Затем пар конденсируется обратно в жидкую форму при помощи охлажденной воды из глубин океана. Тропические регионы считаются наиболее удачным местом для размещения систем ПТЭО. Это обусловлено большей разностью температур между водой на мелководье и на глубине.

В отличие от ветровых и солнечных ферм, океаническая ТЭС может производить экологически чистую электроэнергию круглосуточно, 365 дней в году. Единственным побочным продуктом таких энергоблоков является холодная вода, которая может использоваться для охлаждения и кондиционирования воздуха в административных и жилых зданиях рядом с энергогенерирующим объектом.

Использование геотермальной энергии

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300-350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·10 12 Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% — в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840000000000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

· Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;

· Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задача 1. Определить начальную температуру t₂ и количество геотермальной энергии Е_o (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р_гр = 2700 кг/ м 3 ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С_гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.

Среднюю температуру поверхности t_o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ= 1·10 3 кг/м 3 . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км 2 . Минимально допустимую температуру пласта принять равной t₁ =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ_o(лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м 3 /(с·км 2 ). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz)_τ=0 и через 10 лет (dE/dz)_τ=10?

Задача 1 посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру — скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры р_гр =2700 кг/м 3 , а коэффициент теплопроводности λ_гр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км .

Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м 2 . Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.

В полутермальныхрайонах температурный градиент равен 40-80 °С/км. Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.

В гипертермальныхрайонах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км . Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

где Т_o — температура на поверхности Земли, К (° С ).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности F.

Теплоемкость пласта С_пл (Дж/К) можно определить по уравнению

где р_в и С_в— соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость

р_гр и С_гр — плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р_гр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т₁ (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

Постоянную времени пласта τ (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м 3 /с) можно определить по уравнению:

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

где τ — число лет с начала эксплуатации;

е — основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

Расчет тепловая схема геотермальной электростанции бинарного типа. Геотермальная энергетика: технологии и оборудование

В состав двухконтурной ГеоТЭУ (рис. 4.2) входит парогенератор 4, в котором тепловая энергия геотермальной пароводяной смеси используется для нагревания и испарения питательной воды традиционной влажнопаровой паротурбинной установки 6 с электрогенератором 5. Отработавшая в парогенераторе геотермальная вода закачивается насосом 3 в обратную скважину 2. Химочистка питательной воды турбоустановки ведется обычными методами. Питательный насос 8 возвращает конденсат из конденсатора 7 в парогенератор.

В двухконтурной установке неконденсирующиеся газы в паровом контуре отсутствуют, поэтому в конденсаторе обеспечивается более глубокий вакуум и термический КПД установки возрастает по сравнению с одноконтурной. На выходе из парогенератора остающаяся теплота геотермальных вод может, как и в случае одноконтурной ГеоТЭС, использоваться для нужд теплоснабжения.

Рис.4.2. Тепловая схема двухконтурной ГеоТЭС

Газы, в том числе сероводород, подаются из парогенератора в барботажный абсорбер и растворяются в отработанной геотермальной воде, после чего она закачивается в скважину захоронения. По данным испытаний на строящейся Океанской ГеоТЭС (Курильские острова) в барботажном абсорбере растворяется 93.97% исходного сероводорода.

Перепад температур в парогенераторе снижает энтальпию острого пара двухконтурной установки h 1 по сравнению с одноконтурной, однако в целом теплоперепад в турбине увеличивается из-за уменьшения энтальпии отработавшего пара h 2 . Термодинамический расчет цикла ведется как для обычной паротурбинной ТЭС (см. раздел по солнечным паротурбинным установкам).

Расход горячей воды из геотермальных скважин для установки мощностью N, кВт, определяется из выражения

где — перепад температур геотермальной воды на входе и выходе из парогенератора,°C, — КПД парогенератора. Полный КПД современных двухконтурных паротурбинных ГеоТЭУ составляет 17.27%.

На месторождениях со сравнительно низкой температурой геотермальных вод (100-200°С) применяют двухконтурные установки на низко- кипящих рабочих телах (фреонах, углеводородах). Экономически оправдано также использование таких установок для утилизации теплоты отсепарированной воды одноконтурных ГеоТЭС (вместо теплофикационного теплообменника на рис. 4.1). В нашей стране впервые в мире (в 1967 г.) создана энергоустановка этого типа на хладоне R-12 мощностью 600 кВт, построенная на Паратунском геотермальном месторождении (Камчатка) при научном руководстве института теплофизики Сибирского отделения АН СССР. Перепад температур теплоносителя составлял 80. 5 о С, холодная вода подавалась в конденсатор из р. Паратунка со среднегодовой температурой 5 о С. К сожалению, эти работы не получили развития из-за былой дешевизны органического топлива.

В настоящее время в АО «Кировский завод» проработан проект и техническая документация двухконтурного геотермального модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R142в (резервный теплоноситель — изобутан). Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях и доставляться железнодорожным транспортом, строительно-монтажные работы и подключение к энергосистеме потребуют минимальных затрат. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до $800 за киловатт установленной мощности.

Наряду с ГеоТЭС на однородном низкокипящем теплоносителе в ЭНИН разрабатывается перспективная установка на смесевом водоаммиачном рабочем теле. Основное преимущество такой установки — возможность ее использования в широком интервале температур геотермальных вод и пароводяной смеси (от 90 до 220 о С). При однородном рабочем теле отклонение температуры на выходе из парогенератора на 10. 20 о С от расчетной приводит к резкому снижению КПД цикла — в 2.4 раза. Изменяя концентрацию компонентов смесевого теплоносителя, можно обеспечить при меняющихся температурах приемлемые показатели установки. Мощность во- доаммиачной турбины в этом диапазоне температур меняется менее чем на 15%. Кроме того, такая турбина имеет лучшие массогабаритные показатели, и водоаммиачная смесь отличается лучшими характеристиками теплообмена, что позволяет уменьшить металлоемкость и стоимость парогенератора и конденсатора по сравнению с энергомодулем на однородном теплоносителе. Такие энергоустановки могут широко использоваться для утилизации сбросной теплоты в промышленности. Они могут иметь устойчивый спрос на международном рынке геотермального оборудования.

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h — s диаграмм паров этих жидкостей.

К проблеме ГеоТЭС примыкает часто упоминаемая в литературе возможность использования тепловых ресурсов Мирового океана. В тропических широтах температура морской воды на поверхности около 25 о С, на глубине 500. 1000 м — около 2. 3 о С. Еще в 1881 г. Д»Арсонваль высказал идею использовать эту разность температур для производства электроэнергии. Схема установки по одному из проектов реализации этой идеи представлена на рис. 4.3.

Рис.4.3. Схема океанской ТЭС: 1 — насос подачи теплой поверхностной воды; 2 — парогенератор низко- кипящего теплоносителя; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — насос подачи холодной глубинной воды; 7 — питательный насос; 8 — судноплатформа

Насос 1 подает теплую поверхностную воду в парогенератор 2, где испаряется низкокипящий теплоноситель. Пар с температурой около 20° C направляется в турбину 3, приводящую в движение электрогенератор 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5 и конденсируется холодной глубинной водой, подаваемой циркуляционным насосом 6. Питательный насос 7 возвращает теплоноситель в парогенератор.

При подъеме через теплые поверхностные слои глубинная вода нагревается не мене чем до до 7. 8° C, соответственно отработавший влажный пар теплоносителя будет иметь температуру не ниже 12. 13° C. В итоге термический КПД этого цикла составит = 0,028, а для реального цикла — менее 2%. В то же время для океанской ТЭЦ характерны высокие затраты энергии на собственные нужды, потребуются очень большие расходы теплой и холодной воды, а также теплоносителя, потребление энергии насосами превысят энергию, вырабатываемую блоком. В США попытки реализовать такие энергоустановки у Гавайских островов не дали положительного результата.

Другой проект океанской ТЭС — термоэлектрический — предполагает использовать эффект Зеебека, размещая спаи термоэлектродов в поверхностных и глубинных слоях океана. Идеальный КПД такой установки, как и для цикла Карно, составляет около 2%. В п.3.2 показано, что реальный КПД термопреобразователей на порядок ниже. Соответственно для теплосъема в поверхностных слоях океанской воды и отдачи теплоты в глубинных пришлось бы сооружать поверхности теплообмена («подводные паруса») очень большой площади. Это нереально для энергетических установок практически заметной мощности. Малая плотность энергии является препятствием для использования океанских запасов теплоты.

Читайте и пишите полезные

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расшири-

теле. Электрическая мощность – N эПТ = 3 МВт;

вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испа-

ряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая

мощность — N эХТ, МВт.

Вода из геотермальных скважин с температурой t гв = 175 °С посту-

пает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с

Электростанции бинарного типа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Наименование института ЭНИН

Наименование специальности Теплоэнергетика и теплотехника

Наименование выпускающей АТЭС

Индивидуальное домашнее задание №9

Расчет тепловой схемы геотермальной

электростанции бинарного типа

Исполнители, студент группы 5Б1В ________ ________ Опарин А.О.

Руководитель ________ ________ Матвеева А.А.

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной

электростанции бинарного типа

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

· первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расширителе. Электрическая мощность – .

· вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испаряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая мощность – .

Вода из геотермальных скважин с давлением температурой и расходом поступает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар. Этот пар направляется в паровую турбину. Оставшаяся вода из расширителя идёт в испаритель, где охлаждается на и закачивается обратно в скважину. Температурный напор в испарительной установке ºС. Рабочие тела расширяются в турбинах и поступают в конденсаторы, где охлаждаются водой из реки с температурой . Нагрев воды в конденсаторе ºС, а недогрев до температуры насыщения ºС.

Относительные внутренние КПД турбин . Электромеханический КПД турбогенераторов .

Определить:

· оптимальное давление геотермальной воды в расширителе из условия получения максимальной мощности пароводяной турбины;

· электрические мощности турбин и суммарную мощность ГеоТЭС с учетом затрат энергии на насос, закачивающий геотермальную воду в скважину;

Расчет тепловая схема геотермальной электростанции бинарного типа. Геотермальная энергетика: технологии и оборудование

В состав двухконтурной ГеоТЭУ (рис. 4.2) входит парогенератор 4, в котором тепловая энергия геотермальной пароводяной смеси используется для нагревания и испарения питательной воды традиционной влажнопаровой паротурбинной установки 6 с электрогенератором 5. Отработавшая в парогенераторе геотермальная вода закачивается насосом 3 в обратную скважину 2. Химочистка питательной воды турбоустановки ведется обычными методами. Питательный насос 8 возвращает конденсат из конденсатора 7 в парогенератор.

В двухконтурной установке неконденсирующиеся газы в паровом контуре отсутствуют, поэтому в конденсаторе обеспечивается более глубокий вакуум и термический КПД установки возрастает по сравнению с одноконтурной. На выходе из парогенератора остающаяся теплота геотермальных вод может, как и в случае одноконтурной ГеоТЭС, использоваться для нужд теплоснабжения.

Рис.4.2. Тепловая схема двухконтурной ГеоТЭС

Газы, в том числе сероводород, подаются из парогенератора в барботажный абсорбер и растворяются в отработанной геотермальной воде, после чего она закачивается в скважину захоронения. По данным испытаний на строящейся Океанской ГеоТЭС (Курильские острова) в барботажном абсорбере растворяется 93.97% исходного сероводорода.

Перепад температур в парогенераторе снижает энтальпию острого пара двухконтурной установки h 1 по сравнению с одноконтурной, однако в целом теплоперепад в турбине увеличивается из-за уменьшения энтальпии отработавшего пара h 2 . Термодинамический расчет цикла ведется как для обычной паротурбинной ТЭС (см. раздел по солнечным паротурбинным установкам).

Расход горячей воды из геотермальных скважин для установки мощностью N, кВт, определяется из выражения

где — перепад температур геотермальной воды на входе и выходе из парогенератора,°C, — КПД парогенератора. Полный КПД современных двухконтурных паротурбинных ГеоТЭУ составляет 17.27%.

На месторождениях со сравнительно низкой температурой геотермальных вод (100-200°С) применяют двухконтурные установки на низко- кипящих рабочих телах (фреонах, углеводородах). Экономически оправдано также использование таких установок для утилизации теплоты отсепарированной воды одноконтурных ГеоТЭС (вместо теплофикационного теплообменника на рис. 4.1). В нашей стране впервые в мире (в 1967 г.) создана энергоустановка этого типа на хладоне R-12 мощностью 600 кВт, построенная на Паратунском геотермальном месторождении (Камчатка) при научном руководстве института теплофизики Сибирского отделения АН СССР. Перепад температур теплоносителя составлял 80. 5 о С, холодная вода подавалась в конденсатор из р. Паратунка со среднегодовой температурой 5 о С. К сожалению, эти работы не получили развития из-за былой дешевизны органического топлива.

В настоящее время в АО «Кировский завод» проработан проект и техническая документация двухконтурного геотермального модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R142в (резервный теплоноситель — изобутан). Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях и доставляться железнодорожным транспортом, строительно-монтажные работы и подключение к энергосистеме потребуют минимальных затрат. Ожидается, что заводская стоимость при серийном изготовлении энергомодулей будет снижена примерно до $800 за киловатт установленной мощности.

Наряду с ГеоТЭС на однородном низкокипящем теплоносителе в ЭНИН разрабатывается перспективная установка на смесевом водоаммиачном рабочем теле. Основное преимущество такой установки — возможность ее использования в широком интервале температур геотермальных вод и пароводяной смеси (от 90 до 220 о С). При однородном рабочем теле отклонение температуры на выходе из парогенератора на 10. 20 о С от расчетной приводит к резкому снижению КПД цикла — в 2.4 раза. Изменяя концентрацию компонентов смесевого теплоносителя, можно обеспечить при меняющихся температурах приемлемые показатели установки. Мощность во- доаммиачной турбины в этом диапазоне температур меняется менее чем на 15%. Кроме того, такая турбина имеет лучшие массогабаритные показатели, и водоаммиачная смесь отличается лучшими характеристиками теплообмена, что позволяет уменьшить металлоемкость и стоимость парогенератора и конденсатора по сравнению с энергомодулем на однородном теплоносителе. Такие энергоустановки могут широко использоваться для утилизации сбросной теплоты в промышленности. Они могут иметь устойчивый спрос на международном рынке геотермального оборудования.

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h — s диаграмм паров этих жидкостей.

К проблеме ГеоТЭС примыкает часто упоминаемая в литературе возможность использования тепловых ресурсов Мирового океана. В тропических широтах температура морской воды на поверхности около 25 о С, на глубине 500. 1000 м — около 2. 3 о С. Еще в 1881 г. Д»Арсонваль высказал идею использовать эту разность температур для производства электроэнергии. Схема установки по одному из проектов реализации этой идеи представлена на рис. 4.3.

Рис.4.3. Схема океанской ТЭС: 1 — насос подачи теплой поверхностной воды; 2 — парогенератор низко- кипящего теплоносителя; 3 — турбина; 4 — электрогенератор; 5 — конденсатор; 6 — насос подачи холодной глубинной воды; 7 — питательный насос; 8 — судноплатформа

Насос 1 подает теплую поверхностную воду в парогенератор 2, где испаряется низкокипящий теплоноситель. Пар с температурой около 20° C направляется в турбину 3, приводящую в движение электрогенератор 4. Отработавший пар поступает в конденсатор 5 и конденсируется холодной глубинной водой, подаваемой циркуляционным насосом 6. Питательный насос 7 возвращает теплоноситель в парогенератор.

При подъеме через теплые поверхностные слои глубинная вода нагревается не мене чем до до 7. 8° C, соответственно отработавший влажный пар теплоносителя будет иметь температуру не ниже 12. 13° C. В итоге термический КПД этого цикла составит = 0,028, а для реального цикла — менее 2%. В то же время для океанской ТЭЦ характерны высокие затраты энергии на собственные нужды, потребуются очень большие расходы теплой и холодной воды, а также теплоносителя, потребление энергии насосами превысят энергию, вырабатываемую блоком. В США попытки реализовать такие энергоустановки у Гавайских островов не дали положительного результата.

Другой проект океанской ТЭС — термоэлектрический — предполагает использовать эффект Зеебека, размещая спаи термоэлектродов в поверхностных и глубинных слоях океана. Идеальный КПД такой установки, как и для цикла Карно, составляет около 2%. В п.3.2 показано, что реальный КПД термопреобразователей на порядок ниже. Соответственно для теплосъема в поверхностных слоях океанской воды и отдачи теплоты в глубинных пришлось бы сооружать поверхности теплообмена («подводные паруса») очень большой площади. Это нереально для энергетических установок практически заметной мощности. Малая плотность энергии является препятствием для использования океанских запасов теплоты.

Читайте и пишите полезные

Тема: Расчет тепловой схемы геотермальной электростанции

Геотермальная электростанция состоит из двух турбин:

первая – работает насыщенном водяном паре, полученном в расшири-

теле. Электрическая мощность – N эПТ = 3 МВт;

вторая – работает на насыщенном паре хладона – R11, который испа-

ряется за счёт тепла воды, отводимой из расширителя. Электрическая

мощность — N эХТ, МВт.

Вода из геотермальных скважин с температурой t гв = 175 °С посту-

пает в расширитель. В расширителе образуется сухой насыщенный пар с