Геотермальная энергия. Расчет геотермальных энергетических установок. Использование тепловой энергии океанов

Практическое занятие № 6

Цель: ознакомиться с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО), а также с методикой их расчета.

Продолжительность занятия – 2 часа

Ход работы:

1. На основании теоретической части работы ознакомится с принципом работы ГеоТЭС и технологиями преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО.

2. В соответствии с индивидуальным заданием решить практические задачи.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Использование тепловой энергии океана

Технология преобразования тепловой энергии океана (ПТЭО) позволяет создавать электричество за счет разницы температур между теплой и холодной океанской водой. Холодная вода перекачивается через трубу с глубины более 1000 метров (из места, куда солнечные лучи никогда не попадают). Система также использует и теплую воду из области, близкой к поверхности океана. Нагретая солнечными лучами вода проходит через теплообменник с химическими веществами с низкой температурой кипения, например аммиаком, что создает химический пар, приводящий в движение турбины электрогенераторов. Затем пар конденсируется обратно в жидкую форму при помощи охлажденной воды из глубин океана. Тропические регионы считаются наиболее удачным местом для размещения систем ПТЭО. Это обусловлено большей разностью температур между водой на мелководье и на глубине.

В отличие от ветровых и солнечных ферм, океаническая ТЭС может производить экологически чистую электроэнергию круглосуточно, 365 дней в году. Единственным побочным продуктом таких энергоблоков является холодная вода, которая может использоваться для охлаждения и кондиционирования воздуха в административных и жилых зданиях рядом с энергогенерирующим объектом.

Использование геотермальной энергии

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300-350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·10¹² Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840000000000 Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

· Прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;

· Непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

· Смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задача 1. Определить начальную температуру t₂ и количество геотермальной энергии Е_o (Дж) водоносного пласта толщиной h км при глубине залегания z км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р_гр = 2700 кг/ м³; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С_гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) в °С /км выбрать по таблице вариантов задания.

Среднюю температуру поверхности t_o принять равной 10 °С. Удельная теплоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ = 1·10³ кг/м³. Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допустимую температуру пласта принять равной t₁ =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ_o (лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м³/(с·км²). Какова будет тепловая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dz)_τ =0 и через 10 лет (dE/dz)_τ =10?

Задача 1 посвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z (км) от земной поверхности. Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру - скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры р_гр =2700 кг/м³, а коэффициент теплопроводности λ_гр =2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в °С/км или К/км.

Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40 °С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м². Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна.

В полутермальных районах температурный градиент равен 40-80 °С/км. Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии.

В гипертермальных районах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км. Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.

При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:

T_г=T_o+(dT/dz)·z,

где Т_o - температура на поверхности Земли, К (° С).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км ² поверхности F.

Теплоемкость пласта С_пл (Дж/К) можно определить по уравнению

C_пл=[α·ρ_в·C_в+(1- α)·ρ_гр·C_гр]·h·F,

где р_в и С_в- соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость

воды;

р_гр и С_гр - плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно р_гр =820-850 Дж/(кг·К).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т₁ (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж):

E₀=C_пл·(T₂-T₁)

Постоянную времени пласта τ₀ (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м³/с) можно определить по уравнению:

τ₀=C_пл/(V·ρ_в·С_в)

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону:

E=E₀·e ^-(τ/τo⁾

где τ - число лет с начала эксплуатации;

е - основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт):

Величины и единицы их измерения	Варианты заданий
h, км	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
z, км	2,5	3,0	3,5	4,0	3,5	3,0	2,5		3,5
(dT/dz), °C/км

Задача 2 Считается, что действительный КПД η океанической ТЭС, использующей температурный перепад поверхностных и глубинных вод (T₁-T₂)= ∆T и работающей по циклу Ренкина, вдвое меньше термического КПД установки, работающей по циклу Карно, η_t^k. Оценить возможную величину действительного КПД ОТЭС, рабочим телом которой является аммиак, если температура воды на поверхности океана t, °С, а температура воды на глубине океана t₂, °С. Какой расход теплой воды V, m/ч потребуется для ОТЭС мощностью N МВт?

Считать, что плотность воды ρ = 1·10³ кг/м³, а удельная массовая теплоемкость С_p = 4,2·10³ Дж/(кг-К).

Задача 2 посвящена перспективам использования перепада температур поверхностных и глубинных вод океана для получения электроэнергии на ОТЭС, работающей по известному циклу Ренкина. В качестве рабочего тела предполагается использование легкокипящих веществ (аммиак, фреон). Вследствие небольших перепадов температур (∆T=15÷26 ^oC) термический КПД установки, работающей по циклу Карно, составляет всего 5-9 %. Реальный КПД установки, работающей по циклу Ренкина, будет вдвое меньше. В результате для получения доли относительно небольших мощностей на ОТЭС требуются большие расходы "теплой" и "холодной" воды и, следовательно, огромные диаметры подводящих и отводящих трубопроводов.

Если считать теплообменники (испаритель и конденсатор) идеальными, то тепловую мощность, полученную от теплой воды Q_o (Вт) можно представить как

Q₀=p·V·C_p·∆T,

где р - плотность морской воды, кг/м³;

С_р - массовая теплоемкость морской воды, Дж/(кг · К);

V - объемный расход воды, м³/с;

∆T = T₁-T₂ - разность температур поверхностных и глубинных вод

(температурный перепад цикла) в °С или К.

В идеальном теоретическом цикле Карно механическая мощность N₀ (Вт) может быть определена как

N₀=η_t^k·Q_o,

или с учетом (1) и выражения для термического КПД цикла Карно η_t^k:

N₀=p·C_p·V·(∆T)²/T_1.

Величины и единицы их измерения	Варианты заданий
N,МВт
t1,^oC
t2,° C

Задача 3 Двухконтурная пароводяная геотермальная электростанция с электрической мощностью N получает теплоту от воды из геотермальных скважин с температурой t_гс. Сухой насыщенный пар на выходе из парогенератора имеет температуру на 20⁰С ниже, чем t_гс. Пар расширяется в турбине и поступает в конденсатор, где охлаждается водой из окружающей среды с температурой t_хв. Охлаждающая вода нагревается в конденсаторе на 12⁰С. Конденсат имеет температуру на 20⁰С выше, чем t_хв. Геотермальная вода выходит из парогенерирующей установки с температурой на 15 ⁰С выше, чем конденсат. Относительный внутренний коэффициент турбины η_оі, электрический КПД турбогенератора η_э =0,96. Определить термический КПД цикла Ренкина, расход пара и удельный расход теплоты, расходы воды из геотермальных скважин и из окружающей среды.

В одноконтурной паротурбинной ГеоТЭУ энтальпия сухого насыщенного пара после сепарации определяется по температуре геотермальной воды t_гв. Из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара или h-s диаграммы. В случае двухконтурной ГеоТЭУ учитывается перепад температур в парогенераторе Δt. В остальном расчет ведется как и для солнечной паротурбинной ТЭС.

Расход пара определяется из соотношения

кг/с,

где η_t – термический КПД цикла,

η_оі – Относительный внутренний КПД турбины,

η_э –электрический КПД турбогенератора,

N – мощность ГеоТЭУ, кВт,

Расход горячей воды из геотермальных скважин определяется из формулы

, кг/с,

расход холодной воды из окружающей среды на конденсацию пара

, кг/с,

где с = 4,19 кДж/кг∙К – теплоемкость воды,

η_пг – КПД парогенератора,

Δt_пг – перепад температур геотермальной воды в парогенераторе, ⁰С,

Δt_хв – перепад температур холодной воды в конденсаторе, ⁰С.

Расчет ГеоТЭУ с низкокипящими и смесевыми рабочими телами производится с использованием таблиц термодинамических свойств и h-s диаграмм паров этих жидкостей.

Величины и единицы их измерения	Варианты заданий
N, МВт
tхв., ^0С
tхв., ^0С
ηoi, %

Дата добавления: 2014-11-29