Бинарный цикл

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 с импульсной энергетикой экономически жизнеспособными. ^[2] Однако из-за более низких температур бинарные циклы имеют низкий общий КПД — около 10–13%. ^[1]

Введение

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% всей 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

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

Турбина

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

${\dot {W}}_{\text{turbine}}$ — мощность работы турбины, кВт
${\dot {m}}_{\text{wf}}$ – массовый расход рабочей жидкости, кг/с
$\eta _{\text{turbine}}$ - КПД турбины, безразмерный
$h_{1}$ – удельная энтальпия рабочего тела на входе в турбину, кДж/кг
$h_{\text{2s}}$ – 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.

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

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

Питательный насос

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

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

Первичный теплообменник

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

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

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

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]

\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%.

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

$T_{C}$ & $T_{H}$ - горячая и холодная абсолютные температуры соответственно, в К

Второй закон эффективности

Второй закон эффективности (из Второго закона термодинамики ) является мерой использования идеально максимальной доступной работы и ее преобразования в полезную работу. ^[1]

\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})]}}

${\dot {E}}_{\text{geofluid}}$ – мощность эксергии геожидкости, кВт.
$h_{0}$ , $s_{0}$ & $T_{0}$ – удельная энтальпия в кДж/кг, удельная энтропия в кДж/кг/К и абсолютная температура геожидкости в К в местных эталонных условиях. Это могут быть местные условия окружающей среды, условия по влажному термометру или условия повторной закачки.

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]

Критическая температура и давление выше максимальной температуры и давления цикла – большая часть тепла передается при максимальной температуре, что повышает эффективность.
Купол насыщения, напоминающий перевернутую букву U, предотвращает выпадение жидкости в турбине, что снижает КПД, повреждает лопатки турбины и тем самым сокращает срок ее службы.
Высокая теплопроводность – улучшает теплообмен в первичном теплообменнике и конденсаторе, уменьшая общую требуемую площадь теплопередачи и, следовательно, стоимость установки.
Экологическая совместимость - нетоксичный , неканцерогенный , низкий потенциал глобального потепления , низкий потенциал разрушения озонового слоя , негорючий , химически инертный.
Низкая стоимость и доступность.

Электростанции

В промышленном производстве находится множество электростанций с бинарным циклом.

Органический цикл Ренкина

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

Калина цикл

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к 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 .
^ «Программа геотермальных технологий: гидротермальные энергетические системы» . Программа «Геотермальные технологии»: Технологии . Министерство энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE). 06 июля 2010 г. Проверено 2 ноября 2010 г.
^ 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 .
^ Рональд ДиПиппо (1980), Геотермальная энергия как источник электричества. Всемирный обзор проектирования и эксплуатации геотермальных электростанций , doi : 10.2172/5165898 , Wikidata Q112817289.
^ Рональд ДиПиппо (2008). Геотермальные электростанции: принципы, применение, практические примеры и воздействие на окружающую среду . Амстердам: Баттерворт-Хайнеманн.
^ «ДВОЙНОЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЦИКЛ» . США, патент №3795103 . 1974.
^ Ченгель, Юнус А. и Майкл А. Болес (2002). Термодинамика: инженерный подход, седьмое издание . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. Глава 10.
^ Ормат Технолоджис, Инк. «Бинарные технологии» . Проверено 30 июня 2022 г.
^ «Геотермальная электростанция Mammoth Pacific удостоена экологической награды штата Калифорния» . Ормат. 20 августа 2009 г.
^ «Пароходные источники» .
^ «Геотермальная электростанция Те Хука» . Глобальная энергетическая обсерватория.
^ Jump up to: ^а ^б Турбоден Спа. «Геотермальный» . Проверено 30 июня 2022 г.

[DiPippo2016-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к 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 июля 2010 г. Проверено 2 ноября 2010 г.

[DiPippo2015-3] 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 .

[DiPippo1980-4] Рональд ДиПиппо (1980), Геотермальная энергия как источник электричества. Всемирный обзор проектирования и эксплуатации геотермальных электростанций , doi : 10.2172/5165898 , Wikidata 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] Ормат Технолоджис, Инк. «Бинарные технологии» . Проверено 30 июня 2022 г.

[9] «Геотермальная электростанция Mammoth Pacific удостоена экологической награды штата Калифорния» . Ормат. 20 августа 2009 г.

[10] «Пароходные источники» .

[11] «Геотермальная электростанция Те Хука» . Глобальная энергетическая обсерватория.

[:0-12] Jump up to: ^а ^б Турбоден Спа. «Геотермальный» . Проверено 30 июня 2022 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

v т и Геотермальная энергия
Геотермальная энергия	Геотермальная энергия Геотермический градиент Геотермальное отопление Геотермальная энергия
По стране	Армения Австралия Канада Чили Китай Дания Сальвадор Эфиопия Германия Венгрия Исландия Индонезия Италия Япония Кения Ливан Литва Мексика Новая Зеландия Филиппины Португалия Румыния Россия Турция Украина Великобритания Соединенные Штаты
Технологии	Аквакультура Бинарный цикл Опреснение Централизованное отопление Усовершенствованная геотермальная система Горячий сухой камень
Энергетические концепции	Базовая нагрузка Коэффициент мощности Возврат инвестиций в энергию Хранение энергии Энергетические субсидии
Категория Порталы: Энергия Возобновляемая энергия