CC BY
2
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ДО 250°С В БИНАРНЫХ ЦИКЛАХ, ОХЛАЖДАЕМЫХ ВОЗДУШНЫМИ РЕСУРСАМИ
Рассматриваются возможности энергоэффективного использования источников геотермальной теплоты с температурой до 250°С для выработки электроэнергии с помощью бинарных циклов, охлаждаемых воздушными ресурсами. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарных циклах использовать сжиженный углекислый газ.
Ключевые слова: геотермальный пар, бинарный цикл, низкокипящее рабочее тело.
Gafurov N.M., Gatina R.Z., Gafurov A.M.
POSSIBILITIES OF USE OF GEOTHERMAL WARMTH WITH A TEMPERATURE UP TO 250°С IN THE BINARY CYCLES COOLED BY
AIR RESOURCES
The possibilities of power effective use of sources of geothermal warmth with a temperature up to 250°C for electricity production by means of the binary cycles cooled by air resources are considered. It is offered as the low-boiling working fluid in binary cycles to use the liquefied carbon dioxide gas.
Keywords: geothermal steam, binary cycle, low-boiling working fluid.
На геотермальных электростанциях сосредоточены огромные запасы средне- и низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Так как малоизучены процессы использования низкотемпературных источников теплоты для эффективной выработки электроэнергии. В настоящее время технология бинарного цикла основана на использовании среднетемпературной теплоты. Бинарный термодинамический цикл - совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.
В 2015 г. организацией ФГБОУ ВО «КГЭУ» было получено патенты, авторами которых являются Гафуров А.М. и Гафуров Н.М., на способ
работы тепловой электрической станции с бинарным циклом по утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты. Были предложены эффективные решения по выработки электроэнергии за счет утилизации низкопотенциальной теплоты конденсации отработавшего в турбине пара при определенных внешних условиях окружающей среды. Данные разработки позволяют применять бинарные циклы на низкокипящих рабочих телах при более низких температурах. В качестве оптимального низкокипящего рабочего тела предлагается использовать сжиженный углекислый газ СО2 [1, 2].
Работа бинарного цикла осуществляется по органическому циклу Ренкина, который может охлаждаться воздушными ресурсами окружающей среды с температурой вплоть до минус 55°С (рис. 1).
Дополнится ьнм н
Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки на СО2, охлаждаемого воздушными ресурсами окружающей среды.
Бинарная энергоустановка работает следующим образом (рис. 1). Геотермальный пар с температурой до 250°С и давлением до 0,8 МПа поступает в паровую турбину, где расширяется до давления (3,91 кПа) насыщенного пара с влажностью не превышающей 12% с последующей выработкой электроэнергии. Отработавший в турбине пар охлаждается и конденсируется в конденсаторе паровой турбины. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в нагнетательную скважину геотермального источника. Сжиженный углекислый газ СО2 сжимают в конденсатном насосе до высокого давления и направляют в конденсатор-испаритель паровой турбины для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой
теплоты парообразования равного около 2150 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 21,67°С. Далее перегретый газ СО2 расширяется в турбодетандере, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ направляют на охлаждение в конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газа СО2 ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ направляют в конденсатный насос и цикл повторяется [3, 4].
Рабочие тела бинарной энергоустановки должны иметь низкую температуру замерзания для обеспечения нормальной зимней эксплуатации и предотвращения замерзания при аварийных остановах. В качестве низкокипящего теплоносителя второго контура выбран сжиженный СО2. Углекислый газ СО2 характеризуется высокой плотностью и теплопроводностью газообразной фазы, имеет низкую кинематическую вязкостью жидкой и газообразной фазы, характеризуется низкой теплотой парообразования (табл. 1). При этом использование сжиженного СО2 в качестве рабочего тела и охлаждающей жидкости в конденсаторе паровой турбины при температуре от 5°С до 31°С характеризуется повышенной изобарной теплоемкостью от 2,4 до 39 кДж/кг-К, что является соизмеримым показателем для воды Н2О при докритических параметрах [5].
Таблица 1
Показатель параметра, размерность СО2 Н2О Преимуще ства
Плотность жидкой фазы, кг/м3 896 1000 Н2О
Плотность газообразной (паровой) фазы, кг/м3 114 0,0068 СО2
Кинематическая вязкость жидкой фазы, см2/с 0,001 0,015 СО2
Кинематическая вязкость газообразной (паровой) фазы, см2/с 0,0013 13,36 СО2
Теплопроводность жидкой фазы, Вт/м-К 0,1043 0,57 Н2О
Теплопроводность газообразной (паровой) фазы, Вт/м-К 0,0216 0,0173 СО2
Удельная теплота парообразования (фазового перехода), кДж/кг 215 2489 СО2
Изобарная теплоемкость жидкой фазы при критических параметрах, кДж/кг-К 39,174 39,039 СО2
Также применение экологически чистой схемы использования низкокипящего теплоносителя (сжиженного СО2) с воздушным конденсатором позволяет исключить прямой контакт рабочего тела с окружающей средой.
Температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре бинарного цикла ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО2 в температурном диапазоне от 60°С до минус 55°С позволит обеспечить приемлемые давления контура циркуляции теплового
двигателя и затраты на его сжатие.
Использованные источники:
1. Патент на изобретение №2560505 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
2. Патент на изобретение №2564748 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 10.10.2015 г.
3. Гафуров А.М. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №4 (28). - С. 28-32.
4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Замещение воздушного охлаждения конденсаторов паровых турбин контуром циркуляции на СО2. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 27-29.
5. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования углекислого газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. - 2016. - № 1-2 (13). - С. 19-21.
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
Гатина Р.З. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ С ТЕМПЕРАТУРОЙ ДО 250°С В БИНАРНЫХ ЦИКЛАХ, ОХЛАЖДАЕМЫХ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ
Рассматриваются возможности энергоэффективного использования источников геотермальной теплоты с температурой до 250°С для выработки электроэнергии с помощью бинарных циклов, охлаждаемых водными ресурсами. Предлагается в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарных циклах использовать сжиженный пропан.
Ключевые слова: геотермальный пар, бинарный цикл, низкокипящее рабочее тело.
Gafurov N.M.
Gatina R.Z. Gafurov A.M.
POSSIBILITIES OF USE OF GEOTHERMAL WARMTH WITH A TEMPERATURE UP TO 250°С IN THE BINARY CYCLES COOLED BY
