Двоичный цикл

Тип геотермальной электростанции

Двоичный цикл — это метод получения электроэнергии из геотермальных ресурсов , в котором используются два отдельных цикла жидкости, отсюда и бинарный цикл . Первичный цикл извлекает геотермальную энергию из резервуара , а вторичный цикл преобразует тепло в работу для приведения в действие генератора и выработки электроэнергии . ^[1]

Бинарные циклы позволяют вырабатывать электроэнергию даже из низкотемпературных геотермальных ресурсов (<180°C), которые в противном случае производили бы недостаточное количество пара, чтобы сделать электростанции с мгновенным испарением экономически жизнеспособными. ^[2] Однако из-за более низких температур бинарные циклы имеют низкую общую эффективность, около 10-13%. ^[1]

Введение

Технологическая схема бинарного цикла геотермальной электростанции

  Первичный цикл - Геофлюид

  Вторичный цикл - рабочая жидкость

  Охлаждающая жидкость

В отличие от обычных методов получения геотермальной энергии, таких как сухой пар или вспышка , которые используют один открытый цикл, бинарный цикл имеет два отдельных цикла, работающих в тандеме, отсюда и бинарный цикл. Первичный цикл извлекает тепло из геотермального резервуара и передает его вторичному циклу, который преобразует тепло в работу (см. Тепловой двигатель ) для приведения в действие генератора и выработки электроэнергии . Термодинамически электростанции с бинарным циклом похожи на угольные или атомные электростанции в том, что они используют энергетические циклы Ренкина , основное отличие заключается в источнике тепла и выборе рабочего тела цикла . ^[1]

Первичный цикл

Горячая жидкость (или геофлюид) геотермального резервуара выводится на поверхность через скважину , при необходимости с помощью насоса. На поверхности горячая геофлюид передает часть своего тепла вторичному циклу через теплообменник , таким образом охлаждаясь в процессе. Холодная геофлюид затем повторно закачивается в геотермальный резервуар через отдельную скважину, где она повторно нагревается. Первичный цикл считается «открытым» циклом. ^[1]

Вторичный цикл

Холодная рабочая жидкость высокого давления нагревается и испаряется в теплообменнике горячей геожидкостью. Горячий пар высокого давления расширяется в турбине , а затем охлаждается и конденсируется в конденсаторе . Для замыкания цикла холодная жидкость низкого давления повторно сжимается с помощью питательного насоса . Вторичный цикл является замкнутым циклом.

Две основные конфигурации вторичного цикла — это органические циклы Ренкина (ORC) или циклы Калины , основное отличие которых заключается в выборе рабочей жидкости: органическая жидкость (обычно углеводород или хладагент ) или смесь воды и аммиака соответственно. ^[1]

История

Самый ранний пример геотермальной электростанции бинарного цикла, как полагают, был расположен на Искье , Италия , между 1940-1943 годами. Предполагается, что станция использовала этилхлорид в качестве рабочей жидкости с эффективной мощностью 250 кВт. Однако из-за Второй мировой войны , которая шла в то же время, об этой конкретной установке известно немного. ^[3]

Другая геотермальная электростанция бинарного цикла была введена в эксплуатацию в 1967 году недалеко от Петропавловска на полуострове Камчатка , Россия . Она имела мощность 670 кВт и работала неизвестное количество лет, доказав концепцию геотермальных электростанций бинарного цикла. ^[4]

По состоянию на декабрь 2014 года в 15 странах мира насчитывалось 203 геотермальных электростанции бинарного цикла, что составляет 35% всех геотермальных электростанций, но вырабатывает лишь 10,4% от общей геотермальной энергии (около 1250 МВт). ^[1]

Вариации

Двойное давление

Рабочая жидкость испаряется при двух разных уровнях давления, а значит и температуры. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь в первичном теплообменнике за счет поддержания более близкого соответствия между кривой охлаждения геожидкости и кривой нагрева рабочей жидкости. ^[5]

Двойная жидкость

Два вторичных цикла работают в тандеме, каждый с отдельной рабочей жидкостью и точкой кипения. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь процесса ввода тепла, обеспечивая более тесное соответствие между кривой охлаждения геофлюида и кривыми нагрева рабочих жидкостей. ^[6]

Производительность

Схема бинарного цикла. Потоки a и c — геофлюид. Потоки 1, 2, 3 и 4 — рабочая жидкость. Потоки x и y — охладитель.

Производительность простого бинарного цикла и его отдельных компонентов можно рассчитать следующим образом: ^[1]

Турбина

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbine}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*\eta _{\text{turbine}}*(h_{1}-h_{\text{2s}})}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbine}}}$- это скорость работы, совершаемой турбиной, в кВт
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{wf}}}$массовый расход рабочей жидкости, кг/с
• ${\displaystyle \eta _{\text{turbine}}}$- КПД турбины, безразмерный
• ${\displaystyle h_{1}}$- удельная энтальпия рабочего тела на входе в турбину, в кДж/кг
• ${\displaystyle h_{\text{2s}}}$- удельная энтальпия рабочего тела на выходе из турбины, предполагающая изоэнтропическое расширение в турбине, в кДж/кг

Конденсатор

Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения требуемой производительности конденсатора и массового расхода охлаждающей жидкости.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condenser}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{2}-h_{3})={\dot {m}}_{\text{coolant}}*(h_{y}-h_{x})}$

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condenser}}}$- скорость отвода тепла от рабочего тела в конденсаторе, кВт
• ${\displaystyle h_{2}}$& – удельная энтальпия рабочего тела на входе и выходе конденсатора соответственно, в кДж/кг. ${\displaystyle h_{3}}$
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{coolant}}}$массовый расход охлаждающей жидкости, в кг/с
• ${\displaystyle h_{x}}$& – удельная энтальпия хладагента на входе и выходе конденсатора соответственно, в кДж/кг. ${\displaystyle h_{y}}$

Насос подачи

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{pump}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{\text{4s}}-h_{3})/\eta _{\text{pump}}}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{pump}}}$мощность работы, совершаемой насосом для повышения давления рабочей жидкости, в кВт
• ${\displaystyle h_{\text{4s}}}$- удельная энтальпия рабочей жидкости на выходе из питательного насоса, предполагающая изоэнтропическое сжатие, в кДж/кг
• ${\displaystyle h_{3}}$- удельная энтальпия рабочей жидкости на входе в питательный насос, кДж/кг
• ${\displaystyle \eta _{\text{pump}}}$- эффективность насоса, безразмерная

Первичный теплообменник

Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения требуемой производительности первичного теплообменника и массового расхода геожидкости.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{1}-h_{4})={\dot {m}}_{\text{geofluid}}*(h_{a}-h_{c})}$

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}}$- мощность теплоты, подводимой к рабочему телу в первичном теплообменнике, кВт
• ${\displaystyle h_{4}}$- удельная энтальпия рабочего тела на входе в первичный теплообменник, кДж/кг
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{geofluid}}}$массовый расход геожидкости, в кг/с
• ${\displaystyle h_{a}}$& – удельная энтальпия геожидкости на входе и выходе первичного теплообменника соответственно, в кДж/кг ${\displaystyle h_{c}}$

Эффективность

Существует ряд различных определений эффективности, которые можно рассмотреть; они обсуждаются ниже. ^[1]

Эффективность первого закона

Эффективность первого закона (из Первого закона термодинамики ) является мерой преобразования тепла, предоставленного циклу, в полезную работу. При учете реальных потерь и неэффективности реальные геотермальные электростанции бинарного цикла имеют эффективность первого закона в пределах 10-13%. ^[1]

${\displaystyle \eta _{\text{I}}^{\text{th}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}}$

эффективность Карно

Эффективность Карно дает эффективность идеального термодинамического цикла, работающего между двумя резервуарами с разными температурами, как таковая она обеспечивает теоретический максимум эффективности любого теплового двигателя. По этой причине геотермальная электростанция, производящая горячую геожидкость при 180°C (≈450 K) и отдающая тепло при 25°C (≈298 K), имеет максимальную эффективность всего 34%.

${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}=1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}}$

• ${\displaystyle T_{C}}$& — абсолютная температура тепла и холода соответственно, в Кельвине ${\displaystyle T_{H}}$

Эффективность второго закона

Эффективность по второму закону (из Второго закона термодинамики ) является мерой использования идеально максимальной доступной работы и преобразования ее в полезную работу. ^[1]

${\displaystyle \eta _{\text{II}}^{\text{util}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {E}}_{\text{geofluid}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}}{{\dot {m}}_{\text{geofluid}}*[(h_{a}-h_{0})-T_{0}*(s_{a}-s_{0})]}}}$

• ${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{geofluid}}}$- мощность эксергии геожидкости, в кВт.
• ${\displaystyle h_{0}}$, & — удельная энтальпия в кДж/кг, удельная энтропия в кДж/кг/К и абсолютная температура в К геожидкости при локальных исходных условиях. Это могут быть локальные условия окружающей среды, условия влажного термометра или условия повторной закачки. ${\displaystyle s_{0}}$ ${\displaystyle T_{0}}$

Выбор рабочей жидкости

Рабочая жидкость играет ключевую роль в любом бинарном цикле и должна быть выбрана с осторожностью. Некоторые критерии выбора подходящей жидкости приведены ниже. ^{[1] [7]}

1. Критическая температура и давление выше максимальной температуры и давления цикла — большая часть тепла передается при максимальной температуре, что повышает эффективность.
2. Купол насыщения, напоминающий перевернутую букву U, предотвращает выпадение жидкости в турбине, что снижает эффективность, повреждает лопатки турбины и, таким образом, сокращает срок ее службы.
3. Высокая теплопроводность — улучшает теплопередачу в первичном теплообменнике и конденсаторе, уменьшая общую требуемую площадь теплопередачи и, следовательно, стоимость установки.
4. Экологическая безопасность - нетоксичен , не канцерогенен , имеет низкий потенциал глобального потепления , низкий потенциал разрушения озонового слоя , негорюч , химически инертен.
5. Низкая стоимость и доступность.

Электростанции

В настоящее время в коммерческом производстве находится множество электростанций бинарного цикла.

Органический цикл Ренкина

• Олкария III , Кения ^[8]
• Маммот-Лейкс , Калифорния, США ^[9]
• Стимбот-Спрингс (Невада) , США ^[10]
• Электростанция Те Хука , Новая Зеландия ^[11]
• Кирхштоках (Мюнхен), Германия ^[12]
• Траунройт, Германия ^[12]

Калина цикл

• Электростанция Хусавик
• Геотермия Унтерхахинг

Смотрите также

• Геотермальная энергетика
• Рабочая жидкость
• Органический цикл Ренкина
• Калина цикл

Ссылки

1. Рональд ДиПиппо (2016). Геотермальные электростанции: принципы, применение, примеры и воздействие на окружающую среду (4-е изд.). Butterworth-Heinemann . стр. 193–240. ISBN 978-0-08-100879-9. Викиданные  Q112793147.
2. "Программа геотермальных технологий: Гидротермальные энергетические системы". Программа геотермальных технологий: Технологии . US DOE Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE). 2010-07-06 . Получено 2010-11-02 .
3. Рональд ДиПиппо (январь 2015 г.). «Геотермальные электростанции: эволюция и оценка производительности». Geothermics . 53 : 291–307. doi :10.1016/J.GEOTHERMICS.2014.07.005. ISSN  0375-6505. Wikidata  Q112813717.
4. Рональд ДиПиппо (1980), Геотермальная энергия как источник электроэнергии. Всемирный обзор проектирования и эксплуатации геотермальных электростанций , doi :10.2172/5165898, Wikidata  Q112817289
5. Рональд ДиПиппо (2008). Геотермальные электростанции: принципы, применение, примеры и воздействие на окружающую среду . Амстердам: Butterworth-Heinemann.
6. "DUAL FLUID CYCLE". США, Патент № 3795103. 1974.
7. Çengel, Yunus A. & Michael A. Boles (2002). Термодинамика: инженерный подход, седьмое издание . Бостон: McGraw-Hill. стр. Глава 10.
8. Ormat Technologies, Inc. "Binary Technology" . Получено 30 июня 2022 г.
9. "Геотермальная электростанция Mammoth Pacific удостоена экологической награды от штата Калифорния". Ormat. 20 августа 2009 г.
10. «Стимбот-Спрингс».
11. "Геотермальная электростанция Те Хука". Глобальная энергетическая обсерватория.
12. Turboden Spa. "Геотермальный" . Получено 30 июня 2022 г. .