Бинарный цикл

Тип геотермальной электростанции

Бинарный цикл — это метод производства электроэнергии из геотермальных ресурсов , в котором используются два отдельных жидкостных цикла, следовательно, бинарный цикл . Первичный цикл извлекает геотермальную энергию из резервуара , а вторичный цикл преобразует тепло в работу для привода генератора и выработки электроэнергии . ^[1]

Бинарные циклы позволяют производить электроэнергию даже из геотермальных ресурсов с низкой температурой (<180°C), которые в противном случае производили бы недостаточное количество пара, чтобы сделать электростанции мгновенного действия экономически жизнеспособными. ^[2] Однако из-за более низких температур бинарные циклы имеют низкий общий КПД, составляющий около 10-13%. ^[1]

Введение

Технологическая схема геотермальной электростанции бинарного цикла

  Первичный цикл – Геофлюид

  Вторичный цикл – Рабочая жидкость

  охлаждающая жидкость

В отличие от традиционных методов производства геотермальной энергии, таких как сухой пар или мгновенное испарение , которые используют один открытый цикл, бинарный цикл имеет два отдельных цикла, работающих в тандеме, следовательно, бинарный цикл. Первичный цикл извлекает тепло из геотермального резервуара и передает его вторичному циклу, который преобразует тепло в работу (см. Тепловой двигатель ) для привода генератора и производства электроэнергии . Термодинамически электростанции с бинарным циклом подобны угольным или атомным электростанциям в том, что они используют энергетические циклы Ренкина , основным отличием которых является источник тепла и выбор рабочего тела цикла . ^[1]

Первичный цикл

Горячая жидкость (или геожидкость) из геотермального резервуара подается на поверхность через ствол скважины , при необходимости с помощью насоса. На поверхности горячая геожидкость передает часть своего тепла вторичному циклу через теплообменник , тем самым охлаждаясь в процессе. Холодная геожидкость затем повторно закачивается в геотермальный резервуар через отдельный ствол скважины, 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 под высоким давлением расширяется в турбине, а затем охлаждается и конденсируется в конденсаторе . Чтобы замкнуть контур, холодная жидкость низкого давления повторно подвергается давлению через питательный насос . Вторичный цикл представляет собой закрытый цикл.

Двумя основными конфигурациями вторичного цикла являются 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

Считается, что самый ранний пример геотермальной электростанции с бинарным циклом был расположен на Искье , Италия , между 1940-1943 годами. Предполагается, что в качестве рабочего тела на заводе использовался этилхлорид при эффективной мощности 250 кВт. Однако из-за того, что в то же время шла Вторая мировая война , об этом конкретном объекте известно немного. ^[3]

Еще одна геотермальная электростанция бинарного цикла была введена в эксплуатацию в 1967 году недалеко от Петропавловска на полуострове Камчатка , Россия . Его номинальная мощность составляла 670 кВт, и он проработал неизвестное количество лет, подтверждая концепцию геотермальных электростанций с бинарным циклом. ^[4]

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

Вариации

Двойное давление

Рабочая жидкость испаряется при двух разных уровнях давления и, следовательно, температур. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь в первичном теплообменнике за счет обеспечения более точного соответствия между кривой охлаждения геожидкости и кривой нагрева рабочей жидкости. ^[5]

Двойная жидкость

Два вторичных цикла работают в тандеме, каждый со своей рабочей жидкостью и отдельной точкой кипения. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь процесса подвода тепла, обеспечивая более близкое соответствие кривой охлаждения геожидкости кривым нагрева рабочих жидкостей. ^[6]

Производительность

Схема бинарного цикла. Потоки a и c являются геофлюидами. Потоки 1, 2, 3 и 4 являются рабочей жидкостью. Потоки x и y являются охлаждающей жидкостью.

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

Турбина

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

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbine}}}$— мощность работы турбины, 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, кДж/кг
• ${\displaystyle h_{\text{2s}}}$– удельная энтальпия рабочего тела на выходе из турбины с учетом изоэнтропического расширения в турбине, кДж/кг

Конденсатор

Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения мощности конденсатора и требуемого 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, кДж/кг. ${\displaystyle h_{3}}$
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{coolant}}}$— массовый расход теплоносителя, кг/с
• ${\displaystyle h_{x}}$& – удельная энтальпия теплоносителя на входе и выходе конденсатора соответственно, кДж/кг. ${\displaystyle h_{y}}$

Питательный насос

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

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{pump}}}$— скорость работы насоса по восстановлению давления рабочей жидкости, кВт
• ${\displaystyle h_{\text{4s}}}$– удельная энтальпия рабочей жидкости на выходе из питательного насоса в предположении изоэнтропического сжатия, кДж/кг.
• ${\displaystyle h_{3}}$– удельная энтальпия рабочей жидкости на входе в питательный насос, кДж/кг
• ${\displaystyle \eta _{\text{pump}}}$- КПД насоса, безразмерный

Первичный теплообменник

Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения мощности первичного теплообменника и требуемого массового расхода геожидкости.

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

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}}$– скорость подвода тепла 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, кг/с
• ${\displaystyle h_{a}}$& – удельная энтальпия геожидкости на входе и выходе первичного теплообменника соответственно, кДж/кг. ${\displaystyle h_{c}}$

Эффективность

Можно рассмотреть ряд различных определений эффективности; они обсуждаются ниже. ^[1]

Эффективность первого закона

КПД первого закона (из Первого закона термодинамики ) является мерой преобразования тепла, подаваемого в цикл, в полезную работу. С учетом реальных потерь и неэффективности реальные геотермальные электростанции с бинарным циклом имеют КПД по первому закону между 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

КПД Карно дает эффективность идеального термодинамического цикла, действующего между двумя резервуарами с разными температурами, и как таковой обеспечивает теоретический максимум эффективности любого теплового двигателя. По этой причине геотермальная электростанция, производящая горячую геожидкость при температуре 180°C (≈450 К) и отводящую тепло при 25°C (≈298 К), имеет максимальный КПД всего 34%.

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

• ${\displaystyle T_{C}}$& — соответственно горячая и холодная абсолютные температуры, в К ${\displaystyle T_{H}}$

Второй закон эффективности

Второй закон эффективности (из Второго закона термодинамики ) является мерой использования идеально максимальной доступной работы и ее преобразования 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, кВт.
• ${\displaystyle h_{0}}$, & — удельная энтальпия в кДж/кг, удельная энтропия в кДж/кг/К и абсолютная температура геожидкости в местных эталонных условиях в К. Это могут быть местные условия окружающей среды, условия по влажному термометру или условия повторной закачки. ${\displaystyle s_{0}}$ ${\displaystyle T_{0}}$

Выбор рабочей жидкости

Рабочая жидкость играет решающую роль в любом бинарном цикле, и ее следует выбирать осторожно. 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 КПД, повреждает лопатки турбины и тем самым сокращает срок ее службы.
3. Высокая теплопроводность – улучшает теплообмен в первичном теплообменнике и конденсаторе, уменьшая общую требуемую площадь теплопередачи и, следовательно, стоимость установки.
4. Экологическая совместимость - нетоксичный , неканцерогенный , низкий потенциал глобального потепления , низкий потенциал разрушения озонового слоя , негорючий , химически инертный.
5. Низкая стоимость и доступность.

Электростанции

В коммерческом производстве имеется множество электростанций с бинарным циклом.

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

• Геотермальное электричество
• Рабочая жидкость
• Органический цикл Ренкина
• Калина цикл

Рекомендации

1. Рональд ДиПиппо (2016). Геотермальные электростанции: принципы, применение, тематические исследования и воздействие на окружающую среду (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 193–240. ISBN 978-0-08-100879-9. Викиданные  Q112793147.
2. «Программа геотермальных технологий: гидротермальные энергетические системы» . Программа «Геотермальные технологии»: Технологии . Министерство энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE). 06.07.2010 . Проверено 2 ноября 2010 г.
3. Рональд ДиПиппо (январь 2015 г.). «Геотермальные электростанции: эволюция и оценка эффективности». Геотермия . 53 : 291–307. doi :10.1016/J.GEOTHERMICS.2014.07.005. ISSN  0375-6505. Викиданные  Q112813717.
4. Рональд ДиПиппо (1980), Геотермальная энергия как источник электричества. Всемирный обзор проектирования и эксплуатации геотермальных электростанций , номер документа : 10.2172/5165898, Викиданные  Q112817289.
5. Рональд ДиПиппо (2008). Геотермальные электростанции: принципы, применение, практические примеры и воздействие на окружающую среду . Амстердам: Баттерворт-Хайнеманн.
6. «ДВОЙНОЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЦИКЛ». США, патент №3795103 . 1974.
7. Ченгель, Юнус А. и Майкл А. Болес (2002). Термодинамика: инженерный подход, седьмое издание . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. Глава 10.
8. Ormat Technologies, Inc. «Бинарные технологии» . Проверено 30 июня 2022 г.
9. «Геотермальная электростанция «Гигантская Тихоокеанская» удостоена экологической награды штата Калифорния» . Ормат. 20 августа 2009 г.
10. "Стимбот-Спрингс".
11. "Геотермальная электростанция Те Хука" . Глобальная энергетическая обсерватория.
12. Turboden Spa. «Геотермальный» . Проверено 30 июня 2022 г.