Оценка некоторых направлений повышения эффективности геотермальных теплоэнергетических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311:620.91

ОЦЕНКА НЕКОТОРЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Р.А. ИЛЬИН *, Д.И. АТДАЕВ **, А.К. ИЛЬИН *

'Лаборатория нетрадиционной энергетики Отдела энергетических проблем СНЦ РАН "Астраханский государственный технический университет

В работе проанализированы некоторые направления повышения эффективности использования геотермальных ресурсов: применение пиковых котлов, тепловых насосов, комбинирование работы геотермальных источников, использование рациональных схем распределения теплоносителей. Приводятся варианты численных значений оценочных параметров.

В связи с развитием систем использования геотермальной энергии [1-3] оценка эффективности их элементов весьма актуальна [1-4]. В настоящей работе изложены некоторые основы оценки эффективности элементов геотермальных теплоэнергетических систем. Они могут использоваться при разработке или модернизации систем.

Эффективность использования геотермальных источников с различной температурой

На практике при подключении геотермальной системы к нескольким источникам должны соблюдаться определенные условия. Авторами разработан метод оценки эффективности совместной работы источников с различной температурой воды. Он основан на коэффициенте использования располагаемой эксергии [5], который равен отношению эксергии теплового потока перед потребителем к его эксергии на входе в источник (в данном случае - сразу после выхода воды из скважины). В общем случае для системы из п источников с различными параметрами получена зависимость для определения этого коэффициента:

=(1 - Ппт )тп 1 (ф 1т 1 +Ф 2 т 2 + ... + Ф п т п ^ (1)

где ппт - потери тепловой энергии в теплопроводах между системой из п геотермальных источников и системой теплоснабжения (потребителем), в долях, Ппт = 0,08...0,12; тп = 1 -ТоIТп- эксергетическая температурная функция в интервале абсолютных температур То ...Тп; То - абсолютная температура окружающей среды, К; Тп - абсолютная температура теплоносителя на входе в потребитель, К; Т1— то же, в интервале температур То ...Т1; т2- то же, в интервале температур То...Т2 ; тп - то же, для п-го источника в интервале То ... Тп; Т1,Т2 и Тп - температуры, соответственно, от первого, второго и п-ого источника геотермальных вод, К; ф - доля теплового потока от данного геотермального источника в суммарном тепловом потоке от системы источников, т.е. ф1 = 010, ф 2 = 22 О и т.д.

© Р.А. Ильин, Д.И. Атдаев, А.К. Ильин Проблемы энергетики, 2008, № 9-10

По зависимости (1) выполнены расчеты для различных комбинаций параметров для схемы с двумя геотермальными источниками. Принятые параметры и результаты расчетов показаны на рис. 1.

Рис. 1. Коэффициент использования располагаемой эксергии в системе с двумя

геотермальными источниками при различном их сочетании по долям тепловых потоков теплоносителей ф: ^ = гаг; ^ = 60 °С, £п = 90 °С, сплошная линия - без учета потерь, т.е. Ппт = 0,

прерывистая линия - с учетом потерь при Ппт = 0,08

Можно отметить, что температура теплоносителя после теплового пункта *п + выше *п из-за тепловых потерь, которые учтены выше коэффициентом

Ппт. Величина А( составляет А* = Ппт & (тс), °С,

где т - массовый расход теплоносителя, кг/с; с - массовая удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг-К).

В целом для различных вариантов сочетания параметров схем совместного использования геотермальных источников сделаны следующие выводы.

1. Очевидно, что если температура воды каждого из источников больше *п, то их совместное использование возможно при любых долях тепловых потоков ф от этих источников, конкретные величины которых могут быть приняты по техническим соображениям, или ограничены дебитом скважин, или определены по максимальному значению коэффициента использования располагаемой эксергии по формуле (1).

2. В случае если температура воды на выходе из источников ниже *п, их

использование для потребителя невозможно.

3. Когда для группы источников в количестве р из п источников при температуре теплоносителя на выходе из источника геотермальной воды *и > *п, а для остальных источников в количестве (п - р) *и < 4, то для достижения температуры *п необходимо соблюсти условие

р п-р

£ + £ &(п-р)=о,

1 1

которое является алгебраической суммой величин и где - г-ый источник группы р; &(п - р) - г-ый источник группы (п - р). Данному условию соответствует

(применительно, например, к схеме с двумя источниками) следующая алгебраическая сумма (при допущении равенства удельных массовых теплоемкостей воды в источниках):

т1 (*1 -*п) + т2(*2 -*п) = 0,

где т1 и т2 - расходы воды из первого и второго источников.

4. Таким образом, для оценки эффективности совместной работы геотермальных источников с различными температурами теплоносителей на основе коэффициента использования располагаемой эксергии по зависимости (1) необходимо учитывать также изложенные выше ограничения и зависимости. Контроль взаимного соответствия всех параметров осуществляется по соотношению 6пе р (1 - Ппт).

Эффективность использования пикового котла

На практике возможны варианты совместной работы геотермального источника и традиционной топливной установки - пикового котла [1, 3, 6]. Это позволяет использовать низкотемпературные скважины с догревом геотермального теплоносителя за счет топливного котла.

Например [2, 3]: г. Рейкьявик (Исландия) - более 70 % отопительной нагрузки обеспечивается теплотой геотермальных вод с температурой на выходе из скважины 130 оС, остальную потребность в тепловой энергии покрывает пиковый котел; г. Кизляр - геотермальная вода с температурой 105...107 оС поступает в геотермальную теплораспределительную станцию, где во втором контуре подогревает воду для системы отопления и горячего водоснабжения, а пиковые нагрузки могут восполняться дополнительным котлом (по проекту модернизации); пос. Мостовской (Краснодарский край) - геотермальный теплоноситель с температурой 75 оС от двух скважин поступает в баки-аккумуляторы, а затем используется для теплоснабжения жилых и административных зданий, однако пиковые нагрузки компенсируются котлом; в системе геотермального теплоснабжения в жилой зоне Средне-Паратунского тепличного комбината на Камчатке используется пиковый электрокотел; в проекте электро- и теплоснабжения г. Махачкалы также предусмотрен пиковый котел [1].

Эффективность совместной работы геотермального источника и пикового котла выполнена также на основе коэффициента использования располагаемой эксергии [6]. В данном случае он равен отношению эксергии теплового потока перед потребителем к сумме располагаемых эксергий на входе в систему: для геотермального источника это эксергия потока воды на выходе из скважины, для пикового котла - эксергия теплового потока продуктов сгорания топлива при стандартных условиях сжигания. Таким образом, коэффициент учитывает, какая доля от первичной (располагаемой) эксергии подводится к потребителю. Применение этого коэффициента особенно важно вследствие включения в геотермальную систему котла, в котором потери располагаемой эксергии намного выше, чем в геотермальном источнике.

Коэффициент использования располагаемой эксергии получен в виде

=(Тп + РЛктк )(1 - Ппт )/(Ти + РЛкт т ), (2)

где ти - эксергетическая температурная функция в интервале температур То ...Ти; тк - то же, в интервале температур То ...Тк; тт - то же, в интервале температур То ...Тт; Тк - абсолютная температура теплоносителя на выходе из котла, К; Тт - максимальная теоретическая абсолютная температура горения топлива в котле, определяемая при стандартных условиях [6], при сжигании газа Тт = 2313 К; р = £к /би.

Снижение температур *к и *и после смешения соответствующих потоков до (*п + А) на выходе из теплового пункта происходит из-за наличия разности температур в теплообменниках этого пункта. Это ведет к потерям располагаемой эксергии. Величина А* учитывает, что температура потока после теплового пункта выше температуры *п из-за наличия тепловых потерь в теплопроводе.

Выполнены вариантные расчеты коэффициента по выражению (2) при

следующем сочетании параметров: То = 283 К, Тп = 363 К, Ти = (273+90)

К...(273+120) К, Тк =(273+150) К, Тт = 2313 К. Температура То принята

постоянной в данном случае, т.к. ее колебания по сезонам года вносят небольшую погрешность в результаты расчета.

Результаты расчета показаны на рис. 2, из которого видно, что на эффективность системы с пиковым котлом существенно влияет температура в геотермальном источнике. Наибольшее влияние оказывает доля котла в в общем тепловом потоке к потребителю. И, как указано выше, чем больше участие котла в данной системе, тем меньше использование суммарной располагаемой эксергии. Линия *и = 90 °С на рисунке разделяет две области: ниже нее находятся режимы

работы системы, когда котел повышает общий тепловой поток к потребителю без изменения температуры после теплового пункта, выше - когда температура источника ниже температуры, требуемой потребителю, и котел догревает геотермальный теплоноситель до 90 °С и увеличивает общий тепловой поток.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5

0,4 I-*-----*------*-----*------*------и—р

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Н

Рис. 2. Зависимость коэффициента использования располагаемой эксергии системы

«геотермальный источник - пиковый котел» от соотношения тепловых потоков «котел -

геотермальный источник»

По результатам анализа можно сделать следующие существенные выводы.

1. Пиковый котел можно использовать в системе геотермального теплоснабжения для повышения общего теплового потока к потребителю и для догрева теплоносителя до нужной температуры.

2. Включение котла в систему геотермального теплоснабжения снижает коэффициент использования суммарной располагаемой эксергии в системе.

3. При реальных параметрах, в том числе - по величине в, эффективность использования располагаемой эксергии в системах геотермального теплоснабжения с пиковым котлом в 1,3.1,5 раза выше, чем в обычных отопительных котельных, для которых величина коэффициента 6п£ находится в пределах 0,25.0,35 [5].

Эффективность использования тепловых насосов

Использование тепловых насосов (ТН) признано практически обязательным в геотермальных теплоэнергетических системах [1-3 и др.]. Эксергетическая оценка эффективности использования теплового насоса авторами выполнена на основании методики [7] на примере двух циклов. Первый цикл реализуется в интервале температур от температуры окружающей среды То до температуры

Ттн1х на выходе из теплового насоса. Второй цикл реализуется также до

Гвых

тн , но от температуры Т и низкопотенциального источника теплоты (источник геотермальных вод, промышленные сточные воды, низкопотенциальные вторичные энергоресурсы, теплоноситель после солнечных водонагревательных установок и др.), т.е. Ти ^ То.

Основной параметр для анализа - коэффициент преобразования эксергии в тепловом насосе, который равен отношению эксергии на выходе из ТН ехтнт к

подведенной эксергии (в виде механической работы) ех1 т :

Лэкс.т = ехтн.т / ех1 .т . (3)

Здесь индекс «т» означает, что рассматривается теоретический обратный цикл - цикл Карно. Для этого цикла в интервале температур То - Т^^ показано, что всегда Лэкс.т = 1.

Для реального цикла, потери в котором учитываются КПД птн теплового насоса (0,6 ... 0,7),

Для цикла с дополнительным низкопотенциальным источником (Ти у То)

где Р = (Ти - То )/(Твых - То), а действительный («д») коэффициент

преобразования эксергии

Для условия Т™х ^ Ти ^ То , как следует из (4) и (5), возможно пэкс > 1. Это объясняется тем, что к ТН, кроме эксергии механической работы, подводится эксергия от дополнительного источника, т.е.

(4)

Лэкс.т = 1/(1 в),

(5)

"Лэкс.д [/(1 Р)]’Чтн •

(6)

ехтн т = ЄХі т + еХд •

Поэтому теоретическая величина ехтнт / ех1 т, которая и введена формулой

(3), равна > 1. Этим объясняется повышение эффективности работы ТН при повышении температуры Ти на его входе. Всегда соблюдается равенство

еХ1 т + ехд = ехтнт . (8)

На рис. 3 показано изменение теоретического и действительного

коэффициентов преобразования эксергии по формулам (5) и (6). Там же приведена величина коэффициента преобразования энергии (как отношение тепловой энергии на выходе ТН к подведенной эксергии в виде механической работы), применяющегося в обычном энергетическом анализе эффективности ТН.

Рис. 3. Изменение коэффициентов преобразования эксергии Пэкс в ТН и коэффициентов преобразования энергии дтн в ТН при использовании дополнительного низкопотенциального источника ( в >1). Действительные величины коэффициентов приведены при птн = 0,7

Очевидно, в том числе и из рис. 3, что величина Пэкс может быть физически объяснена на основе формул (3)-(4) и (7)-(8). Величина дтн не имеет физического пояснения, так как в ней сравниваются разные виды энергии: тепловая и механическая.

Таким образом, эксергетический анализ позволяет по термодинамическим критериям оценить эффективность обратного термодинамического цикла применительно к тепловым насосам, когда низкопотенциальный источник теплоты (геотермальная скважина) имеет температуру выше температуры окружающей среды.

Для низкопотенциальных геотермальных систем важно, что Ти существенно больше чем То . Это, как видно из рис. 3, обеспечивает существенное повышение эффективности ТН как по эксергетической, так и по энергетической оценкам.

Эффективность системы распределения теплоносителей

Определенные результаты дает оценка эффективности систем распределения геотермального теплоносителя по эксергетическому КПД. В работе

[4] проанализированы параметры, непосредственно влияющие на величину такого КПД: диаметры трубопроводов в сочетании с расходами теплоносителей; потери тепловой энергии через изоляцию; изменение расхода теплоносителя при изменении потребления; изменение расхода при подключении и отключении потребителей; изменение температуры окружающей среды. При учете таких

параметров можно достичь наибольшей эффективности системы распределения теплоносителей на стадии проектирования, эксплуатации или модернизации.

Результаты конкретных оценок

На рис. 4 показана, в качестве примера, существующая простая система геотермального теплоснабжения г. Кизляр, которая не содержит элементов, обеспечивающих эффективное использование природной энергии. Её модернизация возможна путем включения ГеоТЭС на низкокипящем рабочем веществе, пикового котла, тепловых насосов и совместного использования источников с разными температурами воды [1].

Рис. 4. Принципиальная схема существующей системы геотермального теплоснабжения центрального района г. Кизляр: 1 - геотермальные скважины; 2 - центральный тепловой пункт; 3 - сбросный канал; 4 - сетевой насос; 5 - подпиточный насос; 6 - резервные емкости; 7 - низкопотенциальная скважина; Т1 - подача теплоносителя в тепловую сеть; Т2 - то же, из

тепловой сети

Авторами выполнена оценка эксергетической эффективности простой системы (рис. 4) и системы, которая осложнена путем использования ГеоТЭС с выбранной мощностью 840 кВт на бутане, пикового водогрейного котла типа КВА-3,5-115, теплового насоса тепловой мощностью 3 тыс. кВт и с устройством системы горячего водоснабжения.

При выборе рабочего вещества ГеоТЭС выполнены расчеты термического КПД термодинамического цикла с перегревом пара в интервале температур 20.100 оС с различными рабочими веществами: Л500 (смесь хладагентов), изобутан, бутан. Наибольший КПД цикла получен для бутана - 0,149; Л500 - 0,117, изобутан - 0,122.

Использование эксергии геотермальной воды в простой системе (рис. 4) составило, в долях, 0,36. Оценки на основе изложенного материала показали, что после указанной модернизации использование эксергии увеличивается в два раза.

Таким образом, совместное использование геотермальных источников с различной температурой, применение низкокипящих рабочих веществ в ГеоЭС, использование пикового котла, использование тепловых насосов и эффективной системы распределения геотермальных теплоносителей, как показано выше, позволяет существенно повысить энергетическую эффективность использования геотермальных вод.

105°С 0,2 МПа 0,06 м'/с 2 ---------►---------------------- /

Summary

In work some directions of increase of efficiency of use of geothermal resources are analysed: application of peak boilers, thermal pumps, a combination of work of geothermal sources, use of rational schemes of heat-carriers distribution. Variants of numerical values of estimated parameters are resulted.

Литература

1. Алиев Р.М. Инновационные проекты геотермальной теплоэнергетики республики Дагестан / Материалы Школы молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов». - Махачкала: ИПГ ДагНЦ РАН, 2006. - С. 32-40.

2. Алхасов А.Б. Современное состояние и перспективы развития геотермальной энергетики / Материалы Школы молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов». - Махачкала: ИПГ ДагНЦ РАН, 2006. - С. 4-11.

3. Бутузов В.А. Анализ геотермальных систем теплоснабжения России // Промышленная энергетика. - 2002. - № 6. - С. 53-57.

4. Ильин А.К., Атдаев Д.И. Термодинамическая эффективность систем распределения геотермальных теплоносителей. - Ростов-на-Дону: Южный научный центр РАН, 2005. - 130 с.

5. Ильин Р.А., Ильин А.К. Эффективность использования эксергии топлива в котлах различного назначения // Вестник АГТУ. - 2006. - Вып. 3 (32). -С. 253-256.

6. Ильин Р.А., Ильин А.К. «Пиковый» котел в системе геотермального теплоснабжения / Труды 6-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». Часть 4. «Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология». - М.: ГНУ «ВИЭСХ», 2008. - С. 241-245.

7. Ильин А.К., Ильин Р.А. Эксергетическая оценка эффективности обратного термодинамического цикла / Материалы международной научнотехнической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России». Пленарные доклады. - Казань: КГЭУ, 2007. - С. 195-197.

Поступила 18.04.2008