А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

Электростанция

1 МВт(э) (бинарный цикл Ренкина)

Рис. 1.28. Схема тепло- и электроснабжения пос. Алтхайма:

1 — теплообменники; 2 — теплообменник-испаритель; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — циркуляционный насос; 7, 8 — подвод и отвод охлаждающей воды; 9 — потребители тепла

сетей достигает 14,5 км [35]. Термальная вода температурой 106 °С и расходом 100 л/с на поверхности разделяется на два потока. Первый поток проходит через теплообменники системы отопления домов и нагревает воду, циркулирующую в тепловой сети. Второй поток направляется к блоку теплообменников бинарной ГеоЭС, где температура воды снижается до 70 °С при испарении и перегреве низкокипящего рабочего тела, циркулирующего в цикле Ренкина. Далее этот же поток поступает в теплообменник системы теплоснабжения школы и плавательного бассейна пос. Алтхайма.

После теплообменников по нагнетательной скважине отработанная термальная вода температурой 65 °С возвращается в геотермальный резервуар, расположенный на расстоянии 1700 м от добычной скважины. Строительство ГеоТЭЦ позволило улучшить экологическую обстановку в районе пос. Алтхайма. При этом экономится около 2500 т жидкого топлива в год.

Представляет интерес опыт эксплуатации геотермальной станции пущенной в эксплуатацию в 1995 г. в Германии [77]. Установленная тепловая мощность системы — 6 МВт. Система включает циркуляционный контур, состоящий из добычной и нагнетательной скважин, и наземный контур теплоснабжения. Эксплуатируется верхний триасовый пласт песчаника, характеризующийся следующими параметрами: глубина залегания — 2200÷2300 м; толщина пласта — 40÷60 м; температура — 100 °С; минерализация — 220 г/л; пористость —

20÷22 %; проницаемость — (0,5÷1,0) æ10–12 м2; производительность —

121

110÷180 м3/(чæМПа). Эксплуатация геотермальной станции в основном подтвердила ее концепцию: материал и оборудование выдержали высокие температуры и солесодержание. Проблемы, связанные с отложением солей при реинжекции термальных вод, могут быть решены с помощью их мягкой кислотной обработки. Геотермальный потенциал станции эффективно не использовался вследствие ограниченных возможностей потребителей и особенностей системы теплоснабжения. Максимально дебит скважины используется только несколько дней в году. Летом и в переходные периоды года глубинный

насос работает при минимальной нагрузке с расходом до 40 м3/ч.

Для более эффективного использования геотермального потенциала в 2003 г. станция была дополнена предвключенным бинарным энергоблоком по выработке электроэнергии. Принципиальная схема расширенной станции показана на рис. 1.29.

Такая система позволяет максимально использовать эксплуатаци-

онный дебит, равный 110 м3/ч. Часть термальной воды, неиспользованная для подачи тепла, направляется в блок с циклом Ренкина на органическом рабочем теле, где она охлаждается до 70 °С. Регулирование разделения термальной воды на два потока и температуры термальной воды после их смешения зависит от температуры в теплосети

Рис. 1.29. Принципиальная схема ГеоТЭЦ, реализованная в Германии:

1 — добычная скважина; 2 — нагнетательная скважина; 3 — теплообменник-испаритель; 4 — турбина; 5 — генератор; 6 — конденсатор; 7 — циркуляционный насос; 8, 9 — подвод и отвод охлаждающей воды; 10 — противоточный теплообменник; 11 — потребители тепла

122

после противоточного теплообменника. Номинальная электрическая мощность энергоблока — 0,21 МВт. Рабочим телом в цикле Ренкина является изопентан (С5Н12), который расширяется в одноступенчатой турбине.

На рис. 1.30 представлена принципиальная схема ГеоЭС с двойным (комбинированным) циклом, реализованная в США [20].

Геотермальный флюид температурой 280 °С и массовым расходом 278 кг/с последовательно направляется в испаритель и нагреватель первичного контура, где при передаче тепла происходит нагрев и испарение воды при температуре 215 °С. Далее насыщенный пар направляется в паровую турбину мощностью 33,4 МВт. Отработанный в первичном контуре геотермальный теплоноситель температурой 167 °С также последовательно проходит через испаритель и нагреватель вторичного контура, после чего при температуре 66 °С закачивается в подземный резервуар. В изобутановом цикле пары

Рис. 1.30. Схема ГеоЭС с двойным циклом (США):

1 — паровая турбина; 2 — турбина на низкокипящем агенте (изобутан); 3 — генераторы; 4, 5 — испаритель и нагреватель первичного цикла; 6, 7 — испаритель и теплообменникнагреватель вторичного цикла; 8, 9 — циркуляционные насосы первичного и вторичного циклов; 10, 11 — воздушные системы охлаждения

123

изобутана при температуре 125 °С направляются в турбину мощностью 22,3 МВт для выработки электроэнергии.

Схемы ГеоЭС с двойным циклом перспективны для реализации на Мутновском геотермальном месторождении на Камчатке, что позволит наиболее эффективно использовать тепловой потенциал геотермального пара. В настоящее время разработан технический проект энергоблока № 4 Верхе-Мутновской ГеоЭС с комбинированным циклом мощностью 6,5 МВт [25].

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные источники тепла в недрах Земли.

2.Опишите основные термические свойства горных пород.

3.Что влияет на теплопроводность горной породы?

4.От чего зависит температуропроводность горной породы?

5.Перечислите виды теплопередачи в горной породе.

6.Перечислите виды геотермальных ресурсов.

7.Что такое условное топливо?

8.В чем заключается оценка гидрогеотермальных ресурсов?

9.Какие методы используют при оценке запасов месторождений теплоэнергетических вод?

10.Как определяется теплоэнергетический потенциал геотермальной скважины?

11.Перечислите категории эксплуатационных запасов термальных вод.

12.Какие факторы влияют на дебит геотермальной скважины?

13.Опишите типы вод по условиям их образования.

14.Перечислите термальные воды по условиям их залегания.

15.Опишите гидродинамические зоны пластовых вод.

16.Приведите классификацию теплоэнергетических вод.

17.На какие типы подразделяют месторождения теплоэнергетических вод?

18.Опишите физические свойства воды.

19.Какие ионы характеризуют химический состав подземных вод?

20.Опишите классификацию подземных вод по степени их минерализации.

21.Опишите классификацию подземных вод по химическому составу.

22.Какие факторы влияют на формирование химического состава подземных вод?

23.Перечислите типы термальных вод по газовому составу.

24.Опишите вертикальную гидрогеотермическую зональность Предкавказского артезианского бассейна.

25.Перечислите характерные особенности термальных вод Западно-Сибирского артезианского бассейна.

26.Каковы особенности формирования парогидротерм Камчатки?

27.Перечислите области использования геотермального тепла.

124

Г л а в а в т о р а я

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Тепловые насосы

Для утилизации низкопотенциальной энергии используются тепловые насосы (ТН). Известно, что тепловым насосом является всякая холодильная машина, предназначенная для передачи тепла от низкотемпературного источника к среде с более высокой температурой. При этом тепловой насос работает в диапазоне более высоких рабочих температур, чем холодильная машина.

Из всех нетрадиционных методов производства тепловой энергии наибольшее развитие получила выработка тепла при помощи ТН. В настоящее время в ряде развитых стран (США, Дании, Германии, Франции, Швеции, Швейцарии, Японии и др.) ТН заменяют традиционные аппараты передачи тепла, основанные на прямом сжигании органического топлива. Согласно прогнозам Мирового энергетического совета (МИРЭС) к 2020 г. 75 % теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться с помощью ТН. В настоящее время в мире работает около 30 млн ТН различной мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт [8].

Теплонасосные установки (ТНУ), осуществляют обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, получают низкопотенциальную тепловую энергию либо из окружающей среды, либо из иных источников, и затрачивают некоторое количество механической или электрической энергии для передачи потребителю тепла при температуре, необходимой для теплоснабжения. Эффективность ТНУ тем выше, чем меньше разность между температурой, необходимой для теплоснабжения и температурой источника низкопотенциального тепла. При благоприятных условиях применение ТНУ позволяет расходовать в 1,2—2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение ТНУ — это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов СО2 в атмосферу.

Наибольшее применение ТНУ получили для теплоснабжения, горячего водоснабжения жилых, административных и производственных зданий, а также для обеспечения тепловой энергией технологических процессов (сушки, дистилляции, тепловой обработки),

126

тепло- и холодоснабжения сельскохозяйственных объектов (молочнотоварных ферм, фруктохранилищ, зернохранилищ и т.п.). Теплонасосные установки работают в диапазоне температур от 5 °С (атмосферный воздух) до 70 °С (высокотемпературные промышленные сбросы и геотермальные источники) и способны обеспечить нагрев среды в интервале температур от 27 °С (вода для плавательных бассейнов) до 110 °С.

Применение ТНУ позволяет перейти, в частности, к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя. Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и населенных пунктах. При этом можно полностью исключить применение электрокотельных, которые потребляют в 3—4 раза больше электроэнергии чем ТНУ. Еще одно преимущество ТНУ — универсальность по уровню мощности, изменяющейся от долей до десятков тысяч киловатт. Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Указанные преимущества ТНУ позволят в будущем отказаться от прямого сжигания органического топлива для обеспечения теплоснабжения.

Для распространения ТНУ в России требуется государственное стимулирование, как производителя этой техники, так и ее пользователя.

Внастоящее время Россия располагает необходимым научным, инженерным и промышленным потенциалом для освоения и производства современных тепловых насосов всех типов.

Вкачестве источника низкопотенциального тепла в ТНУ могут быть использованы:

•промышленные и очищенные бытовые сточные воды;

•вода различных технологических циклов;

•тепло грунтовых, артезианских и термальных вод;

•тепло наружного воздуха;

•воды поверхностных источников (рек, озер, морей) и систем водо- и теплоснабжения;

•тепло дымовых газов и любых сбросных тепловых потоков;

•низкопотенциальное тепло грунта.

Теплонасосная установка состоит из теплового насоса и системы, обеспечивающей подвод тепла от низкопотенциального источника, подачу нагретой в ТН среды потребителю и ее возврат к ТН. В ТНУ могут входить несколько ТН.

127

На рис. 2.1 представлена принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса. Режиму работы такого насоса на t, s-диа-

грамме (рис. 2.2) соответствует термодинамический цикл 6-1-11-21- 2-3-6. Жидкий рабочий агент имеет параметры t0 и p0. Рабочий агент

поступает в испаритель, где происходит его испарение (процесс 6-1) и перегрев (процесс 1-11) за счет съема тепла (Qинп) с низкопотенци-

ального источника. Образующийся перегретый пар сжимается компрессором до давления pк, которому соответствует более высокая тем-

пература насыщения tк (процесс 11-21), и поступает в конденсатор, где отдает нагреваемой среде (воде системы теплоснабжения) теплоту (Qтп) перегрева и конденсации (процесс 21-3). После охлажде-

Qинп

Рис. 2.1. Схема теплового насоса:

1 — испаритель; 2 — конденсатор; 3 — компрессор; 4 — электродвигатель; 5 — дроссельный клапан

128

ния в теплообменнике производится снижение давления конденсата от pк до p0 в дросселе с понижением его температуры до t0, т.е. до

исходных параметров (процесс 3-6), и цикл повторяется.

Таким образом, в непрерывном круговом процессе тепло переносится с более низкого температурного уровня на более высокий с подводом энергии извне, затрачиваемой на повышение давления парообразного рабочего вещества (обратный термодинамический цикл).

Разнообразное исполнение тепловых насосов классифицируется по ряду признаков:

•принципу действия (парокомпрессионные, абсорбционные, термоэлектрические);

•виду потребляемой энергии (механической, электрической, тепловой);

•используемому источнику низкопотенциального тепла (воздух, вода, грунт, стоки);

•виду привода (электродвигатель, тепловой двигатель) и др. Основной характеристикой ТН является коэффициент преобразо-

вания μ — отношение отдаваемой теплоты к затраченной энергии. В первом приближении μ зависит только от разности температур конденсации и испарения (tк – t0 ) низкокипящего рабочего агента. Чем

меньше эта разность, тем выше коэффициент μ:

где Qт.п — тепловая мощность передаваемая потребителю; Nе — мощность затрачиваемая на привод компрессора.

Из (2.1) следует, что μ больше единицы и будет тем выше, чем меньше значение энергии, потребляемой компрессором. Последнее зависит от свойств рабочего агента и принятого уровня температур его испарения и конденсации.

Идеальный рабочий агент должен характеризоваться химической стабильностью и инертностью по отношению к конструктивным материалам и смазочным маслам, невоспламеняемостью, нетоксичностью, приемлемой стоимостью и невысоким давлением конденсации, давлением кипения, близким к атмосферному, высокой критической температурой и низкой температурой замерзания. Поскольку рабочего агента, который отвечал бы всем перечисленным требованиям при использовании его в широком диапазоне температур испарения и конденсации, встречающихся при работе теплового насоса, нет, применяют рабочие агенты, удовлетворяющие наиболее важным требованиям. Например хладон R12 не токсичен, обладает наиболее высокой тепловой мощностью. Главным недостатком хладона R12

129

является высокое давление в фазе конденсации, вследствие чего максимальная температура теплоносителя, достигаемая в тепловых насосах, не превышает 60 °С. С этой точки зрения перспективным для применения оказывается хладон R142в. При его использовании температуру теплоносителя удается повысить до 90—100 °С. Основным недостатком хладона R142в является его горючесть. В ТН в качестве рабочих агентов помимо общеизвестных хладагентов R12, R22 и R142в используются новые безопасные для окружающей среды хладагенты R407C, R410A, R134A.

Для сопоставления эффективности ТН и традиционных генераторов теплоты, например, котельных, а также сравнения ТН разных принципов действия, например, парокомпрессионного с приводом компрессора от электродвигателя и абсорбционного, потребляющего тепловую энергию, применяют обобщенный критерий — коэффициент использования первичной энергии К. Он определяется как отношение полезного тепла, отдаваемого ТН потребителю к израсходованной энергии первичного источника. Удачное сочетание параметров низкопотенциального источника тепла и требуемых параметров теплоты у потребителя — важнейшее условие эффективного применения ТН. Сближение значений температур t0 и tк достигается, в част-

ности, совершенствованием систем использования тепла. Например, для современной системы напольного отопления достаточна температура 30—40 °С, тогда как для традиционной системы отопления нужно иметь температуру 70—100 °С.

Сопоставление альтернативных вариантов теплоснабжения по степени использования первичной энергии показывает, что наименее эффективен прямой электрический обогрев, так как КПД тепловых и атомных электростанций не превышает 30—40 % а, кроме того, часть выработанной электроэнергии теряется в сетях. В результате Kэл =

= 0,27÷0,34. Теплоснабжение прямым сжиганием топлива в котельной приводит к потере около 20 % первичной энергии и соответственно Kкт = 0,75÷0,85. При рациональном применении ТН обеспечивается

экономия первичной энергии, Kт.н >1. Для ТН с электроприводом коэффициент использования первичной энергии (Kт.н) равен произведению μ на Kэл. Вследствие низких значений последнего эффектив-

ность ТН уравнивается с эффективностью котельной при μ 2,5 и поэтому разность температур (tк – t0), как правило, не должна превы-

шать 60—70 °С.

Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) с приводом от теплового двигателя, например, газовой турбины или дизельного двигателя оказываются более экономичными, чем с электроприводом. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе в составе

130