Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України
В статті досліджені нетрадиційні для української геотермальної енергетики способи генерації електричної енергії з використанням низькотемпературного теплового потенціалу, притаманного гідрогеологічному середовищу території України, з застосуванням низькокиплячих робочих тіл, а також комбінованого сп...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Промышленная теплотехника |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142264 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України / І.П. Кравченко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 65-75. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-142264 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1422642018-10-03T01:23:11Z Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України Кравченко, І.П. Возобновляемая энергетика В статті досліджені нетрадиційні для української геотермальної енергетики способи генерації електричної енергії з використанням низькотемпературного теплового потенціалу, притаманного гідрогеологічному середовищу території України, з застосуванням низькокиплячих робочих тіл, а також комбінованого способу з використанням природного газу, розчиненого в термальній воді. В статье исследованы нетрадиционные для украинской геотермальной энергетики способы генерации электрической энергии с использованием низкотемпературного теплового потенциала, присущего гидрогеологической среде территории Украины, с применением низкокипящих рабочих тел, а также комбинированного способа с использованием природного газа, растворённого в термальной воде. The article explored nontraditional for Ukrainian geothermal energetics able to generate-of electricity using low-potential heat, inherent at hydrogeological environment in Ukraine, with the use of low-boiling working fluids, as well as the combined method of using natural gas, dissolved in the thermal water. 2016 Article Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України / І.П. Кравченко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 65-75. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.2.2016.08 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142264 620.92,93; 621.311.24 uk Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Возобновляемая энергетика Возобновляемая энергетика |
| spellingShingle |
Возобновляемая энергетика Возобновляемая энергетика Кравченко, І.П. Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України Промышленная теплотехника |
| description |
В статті досліджені нетрадиційні для української геотермальної енергетики способи генерації електричної енергії з використанням низькотемпературного теплового потенціалу, притаманного гідрогеологічному середовищу території України, з застосуванням низькокиплячих робочих тіл, а також комбінованого способу з використанням природного газу, розчиненого в термальній воді. |
| format |
Article |
| author |
Кравченко, І.П. |
| author_facet |
Кравченко, І.П. |
| author_sort |
Кравченко, І.П. |
| title |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України |
| title_short |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України |
| title_full |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України |
| title_fullStr |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України |
| title_full_unstemmed |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України |
| title_sort |
геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території україни |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Возобновляемая энергетика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142264 |
| citation_txt |
Геотермальна електрогенерація в умовах низькопотенційної геосистеми території України / І.П. Кравченко // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 65-75. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT kravčenkoíp geotermalʹnaelektrogeneracíâvumovahnizʹkopotencíjnoígeosistemiteritorííukraíni |
| first_indexed |
2025-07-10T14:34:02Z |
| last_indexed |
2025-07-10T14:34:02Z |
| _version_ |
1837270877132029952 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 65
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 620.92,93; 621.311.24
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕЛЕКТРОГЕНЕРАЦІЯ В УМОВАХ
НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНОЇ ГЕОСИСТЕМИ ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ
Кравченко І. П.
Інститут відновлюваної енергетики НАН України, вул. Червоногвардійська, 20а, 02094, м. Київ,
Україна
В статті досліджені нетрадиційні
для української геотермальної енер-
гетики способи генерації елек-
тричної енергії з використан-
ням низькотемпературного тепло-
вого потенціалу, притаманного
гідрогеологічному середовищу
території України, з застосуванням
низькокиплячих робочих тіл, а також
комбінованого способу з викорис-
танням природного газу, розчинено-
го в термальній воді.
В статье исследованы нетра-
диционные для украинской геотер-
мальной энергетики способы ге-
нерации электрической энергии с
использованием низкотемпературно-
го теплового потенциала, присущего
гидрогеологической среде террито-
рии Украины, с применением низко-
кипящих рабочих тел, а также ком-
бинированного способа с использо-
ванием природного газа, растворён-
ного в термальной воде.
The article explored non-
traditional for Ukrainian geothermal
energetics able to generate-of electri-
city using low-potential heat, inherent
at hydrogeological environment in
Ukraine, with the use of low-boiling
working fluids, as well as the combined
method of using natural gas, dissolved
in the thermal water.
Бібл. 4, табл. 2, рис. 8.
Ключові слова: геотермальна енергетика, термальна вода, теплообмінник, природний газ, газо-
поршневий двигун, електроенергія, генерація, низькокипляче робоче тіло, турбіна, турбінний цикл.
НРТ – низькокипляче робоче тіло;
ГПД – газопоршневий двигун внутрішнього згоряння;
ГЦС – геотермальна циркуляційна система (підземний колектор−видобувна свердловина− тепло-
обмінник−поглинальна свердловина−підземний колектор).
Вступ
Геотермальна енергетика реалізується, як
правило, в одному з двох проявів: або в генерації
промислової теплової енергії для опалення і
гарячого водопостачання, або в генерації
електричної енергії. В окремих випадках можливі
одночасно обидва прояви. Перший вид генерації
в Україні, хоча і не масово, все ж представлений
декількома діючими проектами і науково до-
статньо ґрунтовно відпрацьований. Другий же
напрямок, за винятком одного малопотужного
дослідного зразка в Криму, навіть не стоїть на
порядку денного ні в планових ні в енергетич-
них відомствах. Причиною цього є, по-перше,
дійсно об’єктивні причини, зокрема відсутність
природних паротерм або, хоча б, термальної води
з температурою, відчутно більшою температури
кипіння, а також відсутність коштів на геоло-
гічну розвідку та на бурові роботи. По-друге,
це вкрай невиправдані суб’єктивні причи-
ни: відсутність необхідного обладнання,
некондиційність термальних вод на відміну від
зарубіжних умов (РФ, Італія, США, Філіпіни
і т.д.), відсутність галузі як такої, нерен-
табельність технології, відсутність спеціалістів
і т. і. Насправді, це небажання, а часто і супро-
тив, галузевих і управлінських структур запро-
ваджувати цю нову галузь через корпоративний
інтерес. При цьому, вказані об’єктивні причи-
ни перебільшуються до рівня невирішуваних
проблем, а намагання наукових установ не
знаходять підтримки. Зокрема, в Україні є
достатній і науковий і промисловий потенціал
для створення власного обладнання будь-якої
складності.
В даній роботі на прикладі конкретного ро-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №266
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
довища обґрунтовується реальна можливість
прямої генерації електричної енергії як з вико-
ристанням низькопотенційного геотермально-
го теплоносія і турбінного циклу на НРТ, так і з
використанням розчиненого природного газу,
який є вуглеводнем з вмістом метану 83...89 %
[1]. В роботі досліджені усі можливі способи
використання цих складових геотермального
флюїду ─ води і розчиненого у ній природного
газу, для генерації електричної енергії.
Передумови застосування турбінної
електрогенерації на НРТ
Для переважної більшості існуючих
турбінних циклів в галузі електрогенерації
основним робочим тілом є пароводяна суміш,
як найдешевший теплоносій між джерелом
теплоти і турбіною. Вода має можливість
задовольнити усі розрахункові параметри
термодинамічного циклу в контурі за умови
її нагрівання до відповідної цим розрахункам
температури, необхідної для кипіння і пароутво-
рення.
В геотермальній енергетиці таке нагрівання
могло б відбуватись від нагрітого природ-
ним шляхом геотермального флюїду в
теплообмінному обладнанні. На жаль, в жодно-
му родовищі України геотермальний флюїд не
є парою, а лише водою, причому в більшості з
температурою, що не перевищує 100 оС, і не
здатний забезпечити необхідних параметрів
для пароутворення, навіть якщо вона дещо
вища за температуру кипіння. Світова наука і
практика, в тому числі українська, знайшли вихід
із такого становища [2]. Знайдені такі рідини,
температура кипіння яких значно нижча за тем-
пературу геотермального теплоносія. Ними
виявилась достатньо велика кількість як чи-
стих газів, так і суміші деяких з них, агрегатний
стан яких за кімнатної температури являє
рідину, а кипіння відбувається в діапазоні від
35 до 70 оС [3]. Таким робочим тілам присвоїли
абревіатуру НРТ – низькокиплячі робочі тіла.
В більшості ці гази є вуглеводнями [4]. Якщо
таким тілом заповнити контур турбінної уста-
новки і довести його температуру до кипіння
з високими параметрами пари, турбіна почне
працювати в штатному режимі. Джерелом тепло-
ти для таких установок може бути і геотермаль-
ний флюїд.
Процеси і системи геотермальної
електрогенерації на НРТ
В даній роботі, із відомих, вибраний газ із
найнижчою температурою кипіння − 35.7 оС,
і найкращими термодинамічними показника-
ми, це н-пентан. Фреонові НРТ, що мають ще
нижчу температуру кипіння, але за іншими
термодинамічними параметрами поступають-
ся н-пентану, не розглядаються. Узагальнена
схема турбінної електрогенеруючої установки
на НРТ має такий вигляд (рис.1). Принцип її
дії у варіанті циклу Ренкіна є загальновідомим
і не потребує пояснень.
Рис.1. Узагальнена схема турбінного контура
електростанції на НРТ:
1 – турбіна; 2 – електрогенератор;
3 – конденсатор з відводом тепла;
4 – живильний насос;
5 – теплообмінник-парогенератор.
При використанні такого контура в
геотермальній енергетиці з нагріванням і ви-
паровуванням НРТ геотермальною тепло-
тою ця схема залишається незмінною (рис. 2),
тільки парогенератором виступає геотер-
мальний теплообмінник-утилізатор (далі −
теплообмінник ГЦС), в другому контурі яко-
го створюються умови, що дозволяють мак-
симально ефективно передавати теплоту від
геотермального флюїду робочому тілу, яке із
стиснутої насосом рідини перетворюється у
перегріту пару високого тиску. Це відбувається
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 67
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
завдяки тому, що температура геотермальної
води, в залежності від родовища, в 2...3, а то і
в більше разів, перевищує температуру кипіння
НРТ при вибраному початковому тиску.
У випадку, якщо геотермальний флюїд ще
й містить у собі розчинений природний газ,
постає завдання його вилучення з води до того,
як вона надійде у теплообмінник. Для цього
необхідно включити в схему спеціальний се-
паратор, будова якого розроблена і запатен-
тована автором [5], а також газопоршневий
двигун внутрішнього згоряння (ГПД) і додат-
ковий електрогенератор, що приводиться в
дію цим двигуном. Тепер процеси в установці
протікають таким чином: газовмісна тер-
мальна вода, піднята із свердловини 1 (рис. 3)
видобувним насосом 2, надходить під певним
тиском у сепаратор 3, де під дією відцентрових
сил і гравітації на воду та вільного розширення
і витяжного насоса на газ, останній відділяється
від води, яка надходить у теплообмінник 13, де
віддає теплоту робочому тілу турбінного кон-
тура. Вилучений і накопичений в газгольдері
та висушений в системі підготовки 4 газ,
подається у ГПД , який приводить у дію елек-
трогенератор, що незалежно від генератора з
турбінним приводом також виробляє електрич-
ну енергію, після чого викидається у атмос-
феру вже у вигляді відпрацьованих (далі −
вихлопних) газів. Таким чином, із термального
флюїду корисно використані усі його складові,
причому усі складові використані для генерації
тільки електричної енергії. (При реальному
створенні такої електрогенеруючої установ-
ки в схемі може бути тільки один генератор,
що приводиться в дію одночасно турбіною і
ГПД, співвісно сполученими з генератором та
обладнаними системою синхронізації часто-
ти обертання, що не входить у розгляд в даній
статті). На жаль, у такої схеми є істотний
недолік: великі обсяги вихлопних газів ГПД
викидаються в атмосферу у вигляді скидної
теплоти з температурою, близькою до 500 оС.
Як можна використати і цей тепловий потенціал?
Наявність в схемі турбінного контура доз-
воляє це зробити ефективно, до того ж з відчут-
ним збільшенням к.к.д. самого турбінного кон-
тура та збільшенням обсягів виробленої з його
допомогою електричної енергії. Це досягається
використанням теплоти вихлопних газів для
додаткового підігріву термальної води або
перегріву пари робочого тіла турбіни.
Рис. 2. Узагальнена технологічна схема паротурбінної електрогенеруючої
установки на геотермальній циркуляційній системі.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №268
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 3. Схема комбінованої електрогенеруючої установки на ГЦС,
теплоносій якої насичений природним газом, з вихлопом ГПД у атмосферу.
Використати потенціал вихлопних газів мож-
на двома способами:
1. Пропускати їх через ще один тепло-
обмінник, вторинний контур якого включе-
ний між сепаратором і теплообмінником ГЦС.
Тобто, вихлопні гази догрівають термальну
воду до більшвисокої температури. Така схема
зображена на рис. 4.
2. Пропускати вихлопні гази через той же
додатковий теплообмінник, але його вторинний
контур включити безпосередньо в турбінний к
онтур за виходом робочого тіла із теплообмін-
ника ГЦС. Тобто, використати як класичний
пароперегрівач, що часто використовується
у пароводяних турбінних схемах. Така схема
зображена на рис. 5.
Рис. 4. Схема комбінованої електрогенеруючої установки з передачею
скидної теплоти ГПД в теплообмінник ГЦС.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 69
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 5. Схема комбінованої електрогенеруючої установки з передачею
скидної теплоти ГПД безпосередньо в робочий контур турбіни.
При цьому, в обох випадках теплова потуж-
ність, яка передається від вихлопних газів, є од-
наковою і визначається за класичною формулою
Qвг.= Gвг.·Cpвг.·(tвг.вх.– tвг.вих.)·ηто, (1)
де:
Qвг– теплова потужність вихлопних газів,
кДж/кг ·К;
Gвг.– витрати вихлопних газів на підігрів
теплоносія, кг/сек;
Cpвг.¬ теплоємність вихлопних газів при
середній температурі, 550 оС, кДж/кг·К;
tвг.вх.– температура вихлопних газів на вході
в теплообмінник;
tвг.вих.– температура вихлопних газів на
виході з теплообмінника, К;
ηто– к.к.д. теплообмінника-утилізатора,
але точка прикладання цієї потужності різна: у
першому способі вона використовується в ГЦС
для додаткового підігрівання геотермальної
води; в другому ─ на перегрів безпосеред-
ньо робочого тіла. В цьому разі ефективність
тепломасообміну вихлопних газів з робочим
тілом турбіни значно вища, оскільки в першому
випадку термальна вода з первинного контура
теплообмінника ГЦС спочатку передає тепло-
ту проміжному теплоносію, наприклад воді, у
вторинному контурі, а вже вторинний контур
передає робочому тілу, яке на цій ділянці зна-
ходиться частково в рідкому стані, а частково в
стані пари. У другому ж випадку вихлопні гази
передають теплоту безпосередньо робочому тілу
в турбінному контурі, причому вже у стані пари
перед входом у турбіну. При цьому кількість
переданої теплоти більша завдяки більшій
різниці температур – виразу в дужках формули
(1), та сприятливішому значенню виразу Gвг.·Cpв.г.
перед дужками і, навіть, вищому к.к.д. додат-
кового теплообмінника, порівняно з геотермаль-
ним.
Для вибору найбільш доцільної схеми і,
відповідно, найбільш ефективного методу, необ-
хідно визначити початкові умови і показники
та виконати порівняльний термодинамічний
аналіз усіх 3-х розглянутих варіантів на предмет
енергетичної ефективності кінцевого результату.
1. Вихідні дані, отримані з геологічних
матеріалів:
- Об’єкт – свердловина № 2 на Бухалівському
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №270
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
піднятті Гадяцького газоконденсатного родови-
ща Полтавської області;
- Параметри свердловини: термоводоносні го-
ризонти 4950 і 5040 м, температура термаль-
ної води 120 оС, газовий фактор води відповідно
5,20 і 0.54, дебет кожного з горизонтів
523,2 м3/доб., тиск в точці забору води із свердло-
вини – 10 бар;
- Сумарний дебіт води 523,2 м3/доб. · 2 =
= 1046,4 м3/доб.;
- Сумарний газовий фактор 5,20 м3/м3 + 0,54 м3/м3 =
= 5,74 м3/м3;
- Добовий дебіт газу 1046,4 м3/доб.·5,74 м3/м3 =
= 6006,4 м3/доб.;
- З урахуванням вмісту горючих складових у
природному газі 94,12 % дійсна кількість газу
буде 5653,2 м3/доб. або 235,6 м3/год;
- З урахуванням, що щільність води при
температурі 120 оС і тиску 10 бар дорівнює
943 кг/м3, отримаємо 1046,4 м3/доб.·943 кг/м3 =
= 989755,2 кг/доб. = 41114,8 кг/год. = 11,4 кг/сек;
- Коефіцієнт корисної дії електрогенератора =
= 0,96.
2. Вибір обладнання.
Критерієм для вибору газопоршневого
двигуна (ГПД) є годинне споживання ним газу,
яке в свою чергу визначається надходженням
його з термальної води, що в даному прикладі
дорівнює 235,6 м3/год. За даними каталогу енер-
гетичного устаткування «Турбіни і дизелі» та
проспекту АО «Первомайськдизельмаш» під
такий параметр підходять, наприклад, наступні
ГПД (табл. 1):
№№
п/п Фірма Модель Потужність,
кВт
Витрати газу
на ГПД: м3 на
год /відпр.газу,
кг/год
Температура
відпрацьованого
газу, оС
1 Cuascor SFGLD480 838 233,5 445
2 Первомайськ-дизельмаш ДВГА-315 315 84/1840 550
3 - « - ДВГА-630 630 167/3651 550
Таблиця 1. Перелік ГПД за параметрами, близькими до необхідних
Найбільш відповідним цьому є двигун
поз. 1 компанії Cuascor (Іспанія) моделі
SFGLD480 потужністю 838 кВт при темпе-
ратурі вихлопних газів 445 оС з різницею
необхідного для споживання і наявного у воді
газу усього +2.1 м3 на годину. Але з огляду на
можливі організаційні перешкоди та на вартість,
доцільніше використовувати вітчизняне облад-
нання. В представленій добірці серед вітчизняних
зразків такого одиничного агрегату немає, хоча в
сумі обидва наявних двигуна поз. 2 і поз. 3
відповідають поставленим умовам:
- Потужність двигуна ДВГА-315 = 315 кВт;
- Потужність двигуна ДВГА-630 = 630 кВт
Разом = 945 кВт
І хоча їх сумарне споживання газу є дещо
більшим (251 м3/год), вони в парі зможуть пра-
цювати в ненапруженому режимі зі спожи-
ванням 235,6 м3/год. Тим більше, що при тій
же кількості спожитого газу два українських
двигуна розвивають на 107 кВт більшу
потужність ніж SFGLD 480. Тому на схемах вони
зображені як один двигун, але усі розрахунки
ведуться по схемі двох двигунів.
3. Умови здійснення тепломасообмінних
процесів за варіантами.
Перший варіант (рис. 3)
Термальна вода, після сепарації з неї газу,
проходить через геотермальний теплообмінник
і віддає теплоту другому контуру для нагрівання
і випаровування н-пентану. Вилучений природ-
ний газ подається в систему живлення привідного
газопоршневого двигуна (ГПД) і у вигляді
вихлопних газів з температурою 550 оС вики-
дається у атмосферу.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 71
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Другий варіант (рис. 4)
Термальна вода, після сепарації з неї
газу, спочатку проходить через додатковий
теплообмінник, встановлений в контурі гео-
термального теплоносія, у якому догрівається
відпрацьованими газами ГПД до більш високої
температури, потім через первинний контур
вже геотермального теплообмінника, де віддає
теплоту для нагрівання і випаровування
н-пентану.
Третій варіант (рис. 5)
Термальна вода і вилучений газ проходять
такий же шлях як і в першому варіанті, а від-
працьовані гази подаються в додатковий, як у
другому варіанті, теплообмінник, але встанов-
лений в розриві турбінного тракту на виході з
другого контура термального теплообмінника,
і в ньому відбувається перегрів пари вже
раніше випаруваного н-пентану. При цьому,
відпрацьовані гази, що мають температуру
550 оС, попередньо охолоджуються у
спеціальному змішувачі, до температури 280
оС, що не перевищує температуру самозайман-
ня пентану (287 оС) одним з двох варіантів.
Перший − розбавленням атмосферним повітрям
в кількості 2,3 кг/сек, другий – рециркуляцією
відпрацьованих вихлопних газів після їх в
иходу з перегрівача 10 рис. 5 в кількості
2,97 кг/сек. (Розрахунки не наводяться).
Аналіз термодинамічних
показників процесу
Розрахунки внутрішніх термодинамічних
параметрів турбінного процесу отримані за
допомогою стандартної діаграми станів
н-пентану в залежності від тиску і темпера-
тури на комп’ютері за програмою Інституту
технічної теплофізики НАН України і за участю
спів-робітників докт. техн. наук Білеки Б.Д. і
Кабкова В.Я. у вигляді табличних результатів
(за браком місця не наводяться) та відповідних
їм діаграм термодинамічних циклів Ренкіна
(рис. 6, 7, 8).
1.Термодинамічні розрахунки
Теплова потужність, отримана від
термальної води
В усіх варіантах схеми теплова потужність,
віддана в контур н-пентану безпосередньо
термальною водою через геотермальний тепло-
обмінник, визначається за відомою формулою:
Qтв.= Gтв.·Cpтв.·(tтв.вх.– tтв.вих.)ηутил. (2)
де:
Qтв.– теплова потужність, віддана термаль-
ною водою тракту НРТ, кДж/кг ·К;
Gтв.– витрати термальної води, кг/с;
Cpтв.– теплоємність термальної води на
вході в геотермальний теплообмінник, кДж/кг К.;
tтв.вх.– температура термальної води на вході
в геотермальний теплообмінник, К;
tтв.вих.– температура термальної води на виході
з геотермального теплообмінника, К;
ηутил.– к.к.д. теплообмінника-утилізатора
(міжконтурний тепломасообмін),
і складає
Qтв = 11,4 кг/сек·4,292 кДж/кг·К·(393 К – 326 К) · 0,9 =
= 3278,23 кДж/сек.
Для першого і третього з варіантів така
потужність і залишається в подальших розра-
хунках. У другому з варіантів до цієї потужності
додається потужність, отримана геотермальним
теплообмінником від відпрацьованих газів, що
визначається наступним розрахунком.
Згідно з паспортними даними, двигуни,
вибрані для даної схеми, виділяють відпрацьова-
них (вихлопних) газів:
По двигуну ДВГА-315: 2180 кг/год = 0,61 кг/сек;
По двигуну ДВГА-630: 4160 кг/год = 1,15 кг/сек;
Разом по 2-м двигунам: = 1,76 кг/сек
Теплова потужність, яку можна отримати
від відпрацьованих газів (Qвг.), становить:
При віддачі в геотермальний теплообмінник
(другий варіант) за формулою (2):
Qвг. = 1,76 кг/сек·1 кДж/кг ·К·(823 К – 405 К)·0,9 =
= 662,11 кДж/сек.
При віддачі в теплообмінник пентанового
контура (третій варіант) за тією ж формулою
Qвг. = 1,76 кг/сек·1 кДж/кг·К·(823 К – 365 К)·0,9 =
= 725,47 кДж/сек.
Таким чином, сумарна потужність, яку
отримує турбінний контур на НРТ, як від
термальної води, так і від вихлопних газів, за
усіма варіантами складає:
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №272
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
за першим варіантом: = 3278,23 кДж/сек;
за другим варіантом:
3278,23 кДж/сек + 662,11 кДж/сек = 3940,34 кДж/сек;
за третім варіантом:
3278,23 кДж/сек + 725,47 кДж/сек = 4003,7 кДж/сек,
що і використано далі в комп’ютерних розрахун-
ках.
2. Розрахунок потужності електричної енергії,
що генерується двома двигунами за рахунок спа-
лювання газу:
По двигуну ДВГА-315:
Nел. = Рдв.·к.к.д.ген.= 315 кВт·0,96 = 302,4 кВт;
По двигуну ДВГА-630:
Nел. = Рдв.·к.к.д.ген.= 630 кВт·0,96 = 604,8 кВт
Разом по 2-м двигунам: = 907,2 кВт
3. Розрахунок потужності електричної
енергії, яку можна додатково отримати за ра-
хунок генерації турбоелектрогенератором,
турбіна якого працює на НРТ, за схемами
(рис. 3, 4, 5).
З результатів обчислення внутрішніх
термодинамічних показників турбінного ци-
клу і отриманих відповідних значень корисної
потужності турбіни за усіма варіантами (в
підписах під рисунками 6, 7, 8), потужність
електричної енергії, що генерується електроге-
нератором за допомогою турбіни по кожному з
варіантів складає:
1-й варіант: 48,2 кВт · 0,96 = 46,272 кВт;
2-й варіант: 103,4 кВт · 0,96 = 99,264 кВт;
3-й варіант: 171,2 кВт · 0,96 = 164,352 кВт.
Таким чином, в результаті виконаних
розрахунків встановлені показники, які дозво-
ляють порівняти ефективність використання
геотермальної теплоти, як додаткового джерела
для генерації електричної енергії, в комбінації
з теплотою вихлопних газів двигуна внутріш-
нього згоряння, який за потужністю можна вва-
жати основним джерелом, в залежності від точки
прикладання теплоти вихлопних газів до тракту
НКР турбіни:
№
варіан-
тів
Електрична
потужність, отримана
за допомогою ГПД,
кВт
Електрична
потужність, отримана
від турбінного контура,
кВт
Загальна
електрична
потужність,
кВт
Додатковий приріст
електричної енергії, %
До загаль-
ного обсягу
До ГПД
джерела
1 907,2 46,272 953,472 4,85 5,10
2 907,2 99,264 1006,464 9,86 10,94
3 907,2 164,352 1071,552 15,34 18,12
Таблиця 2. Порівняльні показники отриманої електричної потужності
Результати аналізу
виконаних розрахунків показали:
1. Застосування першого варіанту недоцільне
через втрату теплового потенціалу вихлопних
газів;
2. У другого варіанта теплота відпрацьованих
газів не скидається, але ефективність її викори-
стання недостатньо висока через неефективний
двоступеневий тепломасообмін між вихлопним
газом з витратами 4.06...4.73 кг/сек і водою з вит-
ратами 11.4 кг/сек., яка в свою чергу випаровує
робоче тіло з витратами 5.3 кг/сек. Підвищення
температури термальної води в теплообміннику
ГЦС на 5...7 градусів відчутно не впливає на
температуру пари в турбінному контурі.
3. Третій варіант, коли безпосередньо на ро-
боче тіло в турбінному контурі, що вже знахо-
диться в стані нагрітої пари, з витратами 5 кг/сек
і початковою температурою 48 оС діє зовнішній
теплоносій з температурою 280 оС, є найбільш
раціональним для практичного застосування.
Висновки
Аналіз можливості застосовувати в Україні
геотермальні технології з генерації електричної
енергії з приводом електрогенераторів від турбін,
що працюють на низькокиплячих робочих тілах,
не тільки підтвердив таку можливість, але й по-
казав найнагальнішу потребу їх застосування
навіть на тих родовищах, вода яких не містить
розчиненого газу. В Україні немає жодної такої
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 73
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
установки, тому для масштабної реалізації
таких технологій необхідне створення пілотного
дослідно-промислового зразка, базовим об’єктом
якого пропонується розглянутий в статті
Гадяцький варіант в Полтавської області, як
достатньо перспективний для всеосяжних
наукових і впроваджувальних досліджень.
Щодо можливості генерації електричної
енергії з використанням природного газу, роз-
чиненого в термальній воді, то даними
дослідженнями підтверджено, що це вже не
є суто науковою проблемою і вимагає тільки
конструкторських і інших інженерних рішень та
проектно-кошторисних розрахунків по кожному
конкретному проекту і відповідних капітальних
вкладень.
нпк
впк
335
215кп
148кп
320.8
320.7
320.7
323 335
адиабата турбины
аиабата насоса
393
335
321
326
нрт
338.7
Вода
Рис. 6. Діаграма термодинамічного циклу для НРТ н-пентан при
використанні термальної води в тракті гетермальноготеплообмінника
в якості єдиного гріючого і випаровуючого середовища для тракту
н-пентану, отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 75.6 кВт
Корисна потужність турбіни – 48.2 кВт
Витрати НРТ – 5.0 кг/с
Нпк - нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
нпк
впк
345
289кп
148кп
321.7
320.7
320.7
320.9 345
адиабата турбины
аиабата насоса
405
345
321
326
нрт
349.1
Вода + отработанный газ ГПД
Рис. 7. Діаграма термодинамічного циклу для НРТ н-пентан при використанні
термальної води, додатково підігрітої відпрацьованим газом ГПД, в
якості нагріваючого і випаровуючого середовища в тракті н-пентану,
отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 133.6 кВт
Корисна потужність турбіни – 103.4 кВт
Витрати НРТ – 5.3 кг/с
Нпк - нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
Рис. 6. Діаграма термодинамічного циклу
для НРТ н-пентан при використанні
термальної води в тракті гетермального
теплообмінника в якості єдиного
гріючого і випаровуючого середовища
для тракту н-пентану,
отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 75,6 кВт
Корисна потужність турбіни – 48,2 кВт
Витрати НРТ – 5,0 кг/с
Нпк – нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
Рис. 7. Діаграма термодинамічного циклу
для НРТ н-пентан при використанні
термальної води, додатково підігрітої
відпрацьованим газом ГПД, в
якості нагріваючого і випаровуючого
середовища в тракті н-пентану,
отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 133,6 кВт
Корисна потужність турбіни – 103,4 кВт
Витрати НРТ – 5,3 кг/с
Нпк - нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №274
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
нпк
впк
365
496кп
148кп
327.8
320.7
320.7
321 365
адиабата турбины
аиабата насоса
393
365
321
326
нрт
369
Вода + отработанный газ ГПД в тркте пентана
Рис. 8.Діаграма термодинамічного циклу для НРТ н-пентан привикористанні
термальної води в тракті геотермального теплообмінника в якості нагрі-
ваючого середовища і відпрацьованого газу ГПД в тракті н-пентану
в якості випаровуючого середовища, отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 204.9 кВт
Корисна потужність турбіни – 171.2 кВт
Витрати НРТ – 5.3 кг/с
Нпк - нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
Рис. 8. Діаграма термодинамічного циклу для НРТ н-пентан
при використанні термальної води в тракті геотермального теплообмінника
в якості нагріваючого середовища і відпрацьованого газу ГПД в тракті
н-пентану в якості випаровуючого середовища, отримана за підрахунками
Потужність турбіни НРТ – 204,9 кВт
Корисна потужність турбіни – 171,2 кВт
Витрати НРТ – 5,3 кг/с
Нпк - нижня погранична крива,
Впк – верхня погранична крива.
ЛІТЕРАТУРА
1. Отчёт по НИР «Оценка перспектив
использования геотермальних газосодержащих
вод Украины для децентрализованого энерго-
снабжения», № госрегистрации 0101u 002849,
2001, г. Киев.
2. Долинский А.А., Клименко В.Н., Билека Б.Д.,
Васильев Е.П. Применение двухконтурных па-
ротурбинных энергоустановок на низкокипящих
рабочих телах в условиях геотермальных место-
рождений Украины/ Промышленная теплотехни-
ка, Киев, 2000, т.22, № 3, с. 30-42.
3. Билека Б.Д. Утилизация сбросной тепло-
ты ГПА в энергоустановках с низкокипящими
рабочими телами/Б.Билека, Е.Васильев, В.Избаш
и др./Газотурбинные технологии, 2002.– № 5.–
С.6-10.
4. Б.Д. Билека //Низкокипящие вещества для
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 75
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
работы в качестве робочих тел в теплоутилизиру-
ющих энергоустановках на компрессорных стан-
циях магистральных газопроводов//Промышлен-
ная теплотехника, Киев, 2003, № 3, с. 33-35.
5. Кравченко І.П. «Сепаратор для відокрем-
лення газу від рідини», патент України на винахід
№ 82692, бюл. № 9 від 12.05.2008 р.
GEOTHERMAL ELECTRIC GENERATION
IN LOW-GRADE CONDITIONS
POTENTIAL OF GEOSYSTEM OF
UKRAINE
Kravchenko I.P.
Institute of Renewable energy of the National
Academy of Sciences of Ukraine, vul.
Chervonogvardijska, 20А, Kyiv, 02094, Ukraine
In the article by science substantiated of opportunity,
expediency, and the need using decommissioned
oil and gas wells and deposits for convert them
into geothermal and use them in steam-turbine
plants operating on low boiling working fluid to
generate electricity. Showed the concrete example
and a generic calculation such of electric station.
In addition, the article proves the feasibility and the
technical ability to generate electricity from natural
gas dissolved in thermal waters most of Ukrainian
deposits, confined to the deposits of hydrocarbons
- oil and gas. In order to separate gas from water
or petroleum it is proposed to use gas separator,
designed and the patented author this article.
The author also offer a specific gas deposit and
a particular well for the device pilot prototype
power plant operating on low boiling working fluid.
References 5, tables 2, figures 8.
Key words: geothermal energy, thermal water,
heat exchanger, natural gas, gas-engine, electricity
generation, low-boiling working fluid, a turbine,
turbine cycle.
1. The report on the research project "Assessment
of the prospects of using of geothermal of gas-
comprising waters of Ukraine for decentral electric
power supply», № state registration 0101u 002 849,
2001, Kiev;
2. Dolinskiy A.A., Klimenko V.N., Bileka B.D.,
Vasilyev E.P. Application two-circuit steam-turbine
power plants with low-boiling working fluids in
the conditions of geothermal deposits in Ukraine
Promyshlennaja teplotekhnika, Kyiv, 2000, t. 22,
№3, P. 30-42;
3. Bileka B.D. Recycling of reset-heat from
gas-compressor machines into energy equipment
with low-boiling working fluids, Gasoturbinnye
tеkhnologii,2002, №5, P. 6-10;
4. Bileka B.D., Low-boiling substances for
using as working fluids in heat-utilizing equipment,
in energy-equipments of main gas pipelines,
Promyshlennaja teplotekhnika, Kyiv, 2003, №3, P.
33-35;
5. Kravchenko I.P. "The separator for separating
gas from liquid", Ukraine patent for invention №
82692 , bulletin №9, 12.05.2008.
Получено 30.10.2015
Received 30.10.2015
|