Д.т.н., проф. Редько О.Ф., д.т.н., доц. Редько А.О., к.т.н. Бугай В.С.,

к.т.н., доц. Гвоздецький О.В.

Харківський національний університет будівництва та архітектури

Дослідження впливу робочих рідин на ефективність геотермальної енергетичної станції з багатоступеневим бінарним циклом

Геотермальна енергія – екологічно чистий, безпечний, невичерпний вид енергії, що широко використовується для виробництва електроенергії, теплопостачання. Щорічно потужність геотермальних енергетичних станцій у світі збільшується на 3-11 % [1].

На території України зосереджені значні запаси геотермальних ресурсів. Переважна більшість теплоенергетичних вод України відноситься до термальних та високотермальних, температура яких не перевищує 100 °С. Невисока температура геотермальних вод ускладнює та здорожує технологію виробництва електричної енергії. У світовій практиці для виробництва електричної енергії при невисоких температурах геотермальних вод застосовуються геотермальні енергетичні станції з бінарним циклом [2, 3].

Для відомих схем геотермальних енергетичних станцій температурний інтервал ефективного використання робочої рідини циклу є обмеженим (15-25 градусів). Крім того, враховуючи неізотермічність процесів на геотермальному джерелі на протязі всього періоду експлуатації та наведений вище фактор, вибір робочої рідини бінарного циклу є важливою задачею при проектуванні ГеоЕС.

На рис. 1 зображена технологічна схема бінарної ГеоЕС з багатоступеневим циклом, де в кожному окремому циклі застосовуються різні легкокиплячі рідини (R114, R152a, R143a, R142b, R134a, R22). Для двох варіантів даної схеми, що відрізняються робочими рідинами циклу, виконано числові дослідження енергетичної ефективності ГеоЕС за питомою електричною потужністю та ККД циклу.

Рис. 1 – Схема геотермальної енергетичної станції з багатоступеневим бінарним циклом: Т1, Т2, Т3 – турбогенератори, Н1, Н2, Н3 – насоси, В1 – випарник 1-го ступеня; К1-В2 – конденсатор-випарник 2-го ступеня; К2-В3 – конденсатор-випарник 3-го ступеня; К3 – конденсатор 3-го ступеня; ТР-1, ТР-2, ТР-3, ТР-4 – теплообмінники-регенератори

В першому варіанті для першого ступеня циклу використовувався хладон R114, для другого – R152a, для третього – R143a. У другому варіанті для першого ступеня циклу використовувався хладон R142b, для другого – R143a, для третього – R22. Температура геотермальної рідини на вході в ГеоЕС прийнята рівною 130 °С, навколишнього середовища – 15 °С, тиск у випарнику для першого варіанту – 1,6 МПа, для другого – 1,4 МПа.

При мінімальній різниці температур між геотермальною рідиною та легкокиплячим теплоносієм 10 градусів для першого варіанту ККД циклу становить 9,7%, для другого – 9,2%. При цьому сумарна питома електрична потужність для першого варіанту склала 36,7 кВт/(кг/с), для другого – 34,4 кВт/(кг/с). Також проаналізовано вплив тиску у випарнику на ефективність циклу. За результатами досліджень встановлено, що при зниженні тиску у випарнику корисна питома електрична потужність збільшується. При зменшенні різниці температур між геотермальною рідиною та робочим теплоносієм до 5 градусів ККД циклу збільшується у 1,5-1,7 раз.

Якщо для одноступеневої ГеоЕС питома витрата геотермальної рідини становить 150-200 кг/(кВт∙год), то для бінарної ГеоЕС з багатоступеневим циклом цей показник менший у 1,5-2 рази в залежності від температури геотермальної рідини та робочих рідин циклу, відповідно кількість виробленої енергії у скільки разів є більшою. Зменшення питомої витати геотермального теплоносія позитивно відображається на експлуатаційних затратах, пов’язаних з роботою нагнітального насоса, що закачує відпрацьовану геотермальну рідину в пласт.

Література:

1. Bertani R. Geothermal Power Generation in the world 2005-2010 Update Report // Proc. WGC-2010. – Bali, Indonesia, 25-29 April 2010.

2. Lund J. W. Wide direct uses of geothermal energy 2000 / Lund J.W., Freeston D.H. // Proceeding of the World Geothermal Congress 2000. – Kyushu – Tohoku. – Japan, May 28. – June 10. 2000.

3. Абдулатотов И.М. Преобразование геотермальной энергии в электрическую с использованием во вторичном контуре сверхкритического цикла. / Абдулатотов И.М., Алхасов А.Б. // Теплоэнергетика. – 1998. – №4. – С. 53–57.