Borsukiewicz Nowak referat po korekcie

PROPOZYCJE
ROZWIĄZAŃ
ELEKTROWNI
Z
RÓŻNYMI
WARIANTAMI
SIŁOWNI
PAROWYCH
DLA
GEOTERMII
PODHALAŃSKIEJ
Autor:
Aleksandra
Borsukiewicz
–
Gozdur,
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Katedra Techniki Cieplnej
Władysław
Nowak
(„Energetyka” – 2-3/2011)
Abstract: The work includes comparative assessment of four variants of plants fuelled by geothermal water
stream with temperature 86 °C and co-fuelled by energy from the biomass combustion – so - called hybrid power
plant. This analysis includes one - cycle power plants with organic substances and water as a working fluids. At
work the impact of upper part of cycle parameters were considered and the type of working fluid. The analysis,
based on thermal efficiency and another indicators, showed the benefit of using hybrid power plant. When the
level of biomass energy units per unit of geothermal energy is considered variant with R227ea as a working fluid
seems to be the best solution. When the thermal efficiency is consider variant with toluene has the highest
performance.
1. WPROWADZENIE
Konwersja ciepła na energię elektryczną najczęściej realizowana jest w siłowniach
parowych działających według porównawczego obiegu Clausiusa – Rankine’a z
zastosowaniem wody jako czynnikiem roboczym. Jednak gdy ciepło, które ma podlegać
konwersji charakteryzuje się niezbyt wysoką temperaturą stosowanie wody jako medium
robocze powoduje, że obieg jest trudny w praktycznej realizacji (ze względu na podciśnienie
w części instalacji) oraz ma niską sprawność termiczną. W takich sytuacjach można
zastosować inną niż woda substancję roboczą – najczęściej znane z zastosowań w
chłodnictwie i klimatyzacji czynniki organiczne. Korzyści termodynamiczne przynoszą takie
cech fizyczne substancji organicznych, jak:
- zazwyczaj mała objętość właściwa pary na końcu procesu rozprężania w turbinie, co
wpływa na rozmiary i związany z tym koszt tej maszyny,
- ciśnienie robocze, które w całym zakresie pracy nie powinno być zbyt wysokie, gdyż
wymaga to stosowania grubościennych aparatów i maszyn oraz nie powinny być niższe od
ciśnienia otoczenia gdyż podciśnienie może powodować przedostawanie się wilgotnego
powietrza atmosferycznego.
Wymienione wyżej właściwości czynników organicznych (abstrahując od wad tego
rodzaju substancji - głównie eksploatacyjnych) przesądzają o ich popularności w stosowaniu
w niskotemperaturowych elektrowniach geotermalnych. Przykładowy schemat obiegu siłowni
tego typu (ORC) przedstawiono na rys. 1. W pracy pominięto dokładny opis działania takiej
siłowni ze względu na dość powszechny dostęp do takich informacji [1, 2].
o1
czynnik
roboczy
parowacz
turbina parowa
~
geo1
generator
woda geotermalna
o5
& ORC
m
geo
geo3
o2s
geo2
skraplacz
podgrzewacz
o4
o3
pompa
Rys. 1. Schemat instalacji siłowni ORC (wariant ORC) [5]
Istnieje wiele udanych wdrożeń ORC w elektrowniach geotermalnych na świecie
szczególnie w tych regionach, gdzie zasoby wód geotermalnych są klasyfikowane jako
niskotemperaturowe [3], jednak układy tego typu cechują się dość niskimi sprawnościami [2]
wynikającymi przede wszystkim z niezbyt wysokiej temperatury górnego źródła ciepła
(temperatury wody geotermalnej) oraz stopnia wykorzystania energii zawartej w wodzie
geotermalnej. Ocena właściwości termodynamicznych związków organicznych jako
czynników obiegowych siłowni parowej pod kątem możliwości poprawy jej efektywności
pracy wpłynęła na podjęcie analizy odnośnie możliwości modyfikacji i „wyciągnięcia”
jednoczynnikowej siłowni parowej z czynnikiem organicznym w kierunku wyższych
temperatur (i ciśnienia) czynnika roboczego w obiegu. Efekt ten można uzyskać poprzez
doprowadzanie do obiegu energii z innego źródła na przykład energii uzyskiwanej ze spalania
biomasy. Energia uzyskiwana ze spalania biomasy zasila część górną obiegu tzn.
wykorzystywana jest do odparowania i w niektórych wariantach (szczegółowo opisanych w
pkt. 2) do podgrzewania czynnika roboczego. Schemat instalacji siłowni hybrydowej
przedstawiono na rys. 2.
czynnik
roboczy
kocioł
w4x
w4
geo2
turbina parowa
~
generator
podgrzewacz
geo1
w1
pompa
w2s
w3
skraplacz
woda geotermalna
HYB
& geo
m
Rys. 2. Schemat instalacji siłowni hybrydowej (wariant HYB) [5]
2. PODSTAWOWE ZAŁOŻENIA ORAZ MODELE OBLICZENIOWE
W ramach pracy wykonano analizę energetyczną elektrowni geotermalnej z siłownią ORC
(rys. 1) oraz trzech wariantów elektrowni hybrydowych (rys. 2). Punktem wyjścia analizy
energetycznej dla wszystkich wariantów elektrowni jest przyjęcie, że do dyspozycji pozostaje
woda geotermalna o temperaturze Tgeo1=86oC i stałym strumieniu co można zapisać
równaniem.
& ORC
& HYB &
m
geo = m geo = m geo = 35 kg/s
(1)
Przyjęto, że temperatura skraplania czynnika roboczego wynosi
To3 = Tw 3 = Tb 3 = 30°C
(2)
tym samym największy możliwy stopień wykorzystania energii wody geotermalnej (przy
założeniu, że minimalna, napędowa różnica temperatur pomiędzy czynnikami
wymieniającymi energię wynosi ∆Tpp=3K) będzie miał miejsce w sytuacji, gdy temperatura
wody geotermalnej zatłaczanej będzie wynosić
min
Tgeo
2 = 33°C
(3)
Na tej podstawie zdefiniowano wielkość
dyspozycyjnego (możliwego do wykorzystania):
(
min
&
& geo c pgeo Tgeo1 − Tgeo
Q
=m
geo
2
)
strumienia
ciepła
geotermalnego
(4)
Wielkość ta jest użyteczna w określaniu stopnia wykorzystania energii wody
geotermalnej ϕ , zapisanej zależnością (5), będącą ilorazem strumienia ciepła faktycznie
wykorzystywanego w poszczególnych wariantach siłowni do wartości strumienia ciepła
dyspozycyjnego.
ϕ =
&i
Q
geo
&
Q
(5)
geo
gdzie i= ORC lub HYB.
& i dla każdego wariantu elektrowni podano w dalszej części pracy.
Sposób obliczenia Q
geo
Różnica pomiędzy strumieniem ciepła dyspozycyjnego a strumieniem ciepła faktycznie
wykorzystanego to strumień ciepła zatłaczanego do złoża geotermalnego.
&
&i =Q
&i
Q
−Q
geo
geo
geo,reinj
(6)
Istotnym wskaźnikiem stosowanym w ocenie stopnia wykorzystania energii geotermalnej
jest wskaźnik udziału jednostki energii doprowadzanej ze źródła dodatkowego (biomasy) na
jednostkę energii doprowadzanej z geotermii.
&i
Q
ϑ = ibio
&
Q
geo
(7)
Inne wielkości analizowane w pracy to klasyczne wielkości: sprawność termiczna siłowni
i moc obiegu Clausiusa – Rankine’a. Szczegółowe zależności wskazujące sposób obliczenia
tych wielkości dla poszczególnych wariantów elektrowni podano w kolejnych podpunktach.
2.1.WARIANT Z SIŁOWNIĄ ORC
Schemat tego wariantu siłowni przedstawiono na rys. 1 , natomiast cykl przemian
termodynamicznych na rys. 3.
ORC
T
& ORC
Q
geo
o1
o5
o4s
o3
o2s
s
Rys. 3. Cykl przemian termodynamicznych siłowni ORC [5]
Sprawność termiczną oraz moc teoretyczną siłowni ORC obliczano z zależności (8) i (9)
η ORC
=
th
(h o1 − h o 2s ) − (h o 4s − h o3 )
h o1 − h o 4
&
N CORC
− R = m ORC [( h o1 − h o 2 s ) − ( h o 4 s − h o 3 ) ]
(8)
(9)
& ORC wyznaczono z równania bilansu energii dla
Strumień czynnika roboczego obiegu m
parowacza
& ⋅c
m
⋅ ∆Tevap
& ORC = geo pgeo
m
(10)
h o1 − h o 5
gdzie
∆Tevap = Tgeo1 − Tgeo 3
(11)
Dla każdego czynnika roboczego, w zależności od jego właściwości termodynamicznych,
można wyznaczyć optymalną wartość spadku temperatury wody geotermalnej w parowaczu,
przy którym, uzyskuje się maksymalną wartość mocy [4]. Dla uproszczenia analizy w ramach
tej pracy przyjęto stałą dla wszystkich czynników wartość ∆ Tevap =20K, co w przybliżeniu
odpowiada optymalnemu spadkowi tej temperatury.
Z równania bilansu energii podgrzewacza wyznaczono temperaturę wody geotermalnej
zatłaczanej Tgeo 2 :
Tgeo 2 = Tgeo 3 −
& ORC ⋅ (h o 5 − h o 4s )
m
(12)
& ORC
m
geo c pgeo
Znając temperaturę wody geotermalnej zatłaczanej do złoża można wyznaczyć strumień
& ORC :
ciepła geotermalnego utylizowanego w elektrowni geotermalnej Q
geo
(
& ORC = Q
& ORC + Q
& ORC = m
& ORC
Q
⋅ c pgeo ⋅ Tgeo1 − Tgeo2
geo
evap
pre
geo
)
(13)
2.2.WARIANT Z SIŁOWNIĄ HYBRYDOWĄ
W przypadku elektrowni hybrydowej istnieje możliwość konfiguracji górnej części
siłowni w zależności od: rodzaju stosowanego kotła, rodzaju spalanej biomasy, rodzaju
nośnika ciepła i innych. Ponadto rodzaj czynnika roboczego (tzw. mokry lub suchy [1]) także
ma wpływ na parametry obiegu. W celu wykonania analizy porównawczej wybrano trzy
warianty siłowni hybrydowej:
- wariant HYB-83, w którym energia ze spalania biomasy wykorzystywana jest tylko do
odparowania czynnika roboczego w temperaturze 83°C (rys. 4a);
- wariant HYB -120, w którym energia ze spalania biomasy zużywana jest do
częściowego podgrzewania czynnika roboczego od temperatury 83°C do 120°C oraz
odparowania cieczy czynnika roboczego (rys. 4b);
- wariant HYB – 230, w którym energia ze spalania biomasy służy do częściowego
podgrzewania czynnika roboczego od temperatury 83°C do 230°C oraz odparowania cieczy
czynnika roboczego w temperaturze 230°C (rys. 4c). Należy podkreślić, że obliczenia dla
tego w wariantu przy zastosowaniu wody jako medium roboczego różnią się od pozostałych,
dlatego, że woda jest tzw. czynnikiem mokrym, wymagającym przegrzewania pary (w celu
zachowania odpowiedniego stopnia suchości pary na końcu procesu rozprężania). W obiegu z
wodą jako czynnikiem roboczym przyjęto, że czynnik odparowywany jest przy ciśnieniu
0,232 MPa (czemu odpowiada temperatura 125°C) i przegrzewany do temperatury 230°C
(rys. 4d).
& HYB
Q
bio
& HYB
Q
geo
b) HYB-120
T
a) HYB-83
T
[°C
]
[°C
]
120
w4x=w5
w1
83
30
83
w4s
30
w2s
w3
w5
w1
w4x
w2s
w4s
w3
s
s
T
[°C
]
T
[°C
]
c) HYB-230
230
w5
w1
d) HYB-230 woda
230
w1
w5
83
30
83
w4x
w2s
w4s
30
w3
w4x
w2s
w4s
w3
s
s
Rys. 3. Cykle przemian termodynamicznych obiegów siłowni hybrydowych: a) HYB-83, b) HYB-120, c)
HYB-230, d) HYB-230 - woda
Wybrane zależności dla siłownia hybrydowej zaprezentowanej na rys. 2 i 4.
& HYB = m
& HYB ( h w 4 x − h w 4 )
Q
(14)
geo
& HYB można obliczyć
to wyznaczając z powyższej zależności m
& HYB = m
& HYB ⋅ (h w 4 x − h w1 )
Q
bio
(15)
Sprawność i moc siłowni hybrydowej:
ηHYB
=
th
& HYB
N
C− R
& HYB + Q
& HYB
Q
bio
(16)
geo
& HYB = m
& HYB [(h w1 − h w 2s ) − (h w 4 − h w 3 )]
N
C−R
(17)
Wykonano symulacje dla dziewięciu zestawionych w tabeli 1 czynników roboczych, z
których tylko woda jest substancja nieorganiczną i tzw. mokrą.
Tab. 1. Zestawienie czynników roboczych stosowanych w rozpatrywanych siłowniach
Czynnik
Temperatura
krytyczna
R227ea
101,65
R236ea
139,29
R245ca
174,42
cykloheksan 280,49
toluen
318,60
woda
373,95
zakres ciśnień roboczych dla wariantu
ORC
HYB-83
ORC
HYB-83
HYB-120
ORC
HYB-83
HYB-120
ORC
HYB-83
HYB-120
HYB-230
HYB-230
ORC
HYB-83
HYB-120
HYB-230
0,5287-1,2625
0,5287-1,9819
0,2444-0,6537
0,2444-1,0758
0,2444-2,3573
0,1217-0,3575
0,1217-0,6153
0,1217-1,4351
0,0162-0,0575
0,0162-0,1084
0,0162-0,2879
0,0162-2,1044
0,0049-1,2365
0,0042-0,0229
0,0042-0,0535
0,0042-0,1987
0,0042-0,2322
3. ZESTAWIENIE WYNIKÓW OBLICZEŃ ORAZ ICH INTERPRETACJA
W pierwszej kolejności w tabeli. 2 zestawiono wartości temperatury zatłaczanej wody
geotermalnej dla siłowni ORC. Jak wynika z wartości zestawionych tej tabeli stosowanie
siłowni ORC wiąże się z zatłaczaniem wody geotermalnej czasami o dość wysokich
temperaturach. Na wartość temperatury Tgeo2 wpływa rodzaj zastosowanego w siłowi
czynnika organicznego.
Tab. 2. Temperatura zatłaczanej wody geotermalnej oraz stopień utylizacji ciepła geotermalnego dla
siłowni ORC
Czynnik
R227ea
Temperatura Tgeo2
56
[°C]
Stopień
utylizacji
energii geotermalnej 56,3
ϕ [%]
R236ea
R245ca
cykloheksa
n
wod
a
60
61
62
65
51,6
47,4
44,4
39,9
Dla wszystkich wariantów siłowni hybrydowych temperatura zatłaczanej wody
geotermalnej osiąga najniższy możliwy poziom 33°C. Należy podkreślić, że w siłowniach
tego typu energia wody geotermalnej zużywana jest tylko do podgrzewania czynnika
roboczego.
Wartość temperatury zatłaczanej wody geotermalnej ma bezpośredni wpływ na stopień
wykorzystania energii tej wody w siłowni. Zastosowanie siłowni hybrydowej pozwala na
maksymalny stopień utylizacji energii geotermalnej podczas gdy siłownia ORC pozwala, w
najlepszym przypadku zagospodarować ok. 56 % dostępnej energii.
W kolejnych tabelach 3 i 4 zestawiono wartości sprawności termicznych i mocy
rozpatrywanych wariantów siłowni.
Tab. 3. Zestawienie sprawności termicznych rozpatrywanych wariantów siłowni
Wariant
siłowni
ORC
HYB-83
HYB120
HYB230
Rodzaj czynnika roboczego
woda cyklo
R245ca
heksan
9,55
9,12
8,84
14,26 13,27
12,66
21,36 19,02
16,60
22,97
R236ea
R227ea
8,63
12,19
16,60
8,29
11,37
27,80
toluen
29,51
Tab. 4. Zestawienie wielkości mocy dla rozpatrywanych wariantów siłowni
Wariant
siłowni
ORC
HYB-83
HYB120
HYB230
Rodzaj czynnika roboczego
woda cyklo
R245ca
heksan
281
298
309
11951 4226
2989
18324 6788
4622
11308
21415
R236ea
R227ea
317
2391
3568
341
1590
toluen
15510
Mocy rozpatrywanych wariantów siłowni określona została przy założeniu, że do
rozważanych siłowni doprowadzany jest stały, taki sam strumień wody geotermalnej,
natomiast strumień ciepła pozyskiwany ze spalania biomasy jest za każdym razem inny,
& HYB
zgodnie z zależnością (15). Udział energii Q
w całkowitym bilansie energii
bio
doprowadzonej do siłowni ma decydujący wpływ na całkowitą moc siłowni. Aby nadać
wynikom obliczeń charakter ogólny w tabeli 5 zestawiono wartości wskaźnika określającego
ilość jednostek energii doprowadzanej uzyskanej w wyniku spalania biomasy na jednostkę
energii doprowadzanej ze strumieniem wody geotermalnej.
Tab. 5. Udział ilości energii doprowadzanej z biomasy na jednostkę energii geotermalnej dla różnych wariantów
siłowni
Czynnik
R227ea
warian
t
HYB-83
HYB-83
R236ea
HYB-120
HYB-83
R245ca
HYB-120
HYB-83
cykloheksan HYB-120
HYB-230
toluen
HYB-230
HYB-83
woda
HYB-120
HYB-230
Ilość
Ilość jednostek
jednostek energii z
energii z biomasy
geotermii
1
0,93
1
1,68
1
1,47
1
2,21
1
2,58
1
3,32
1
3,85
1
5,41
1
6,17
1
10,37
1
10,64
1
11,65
Jak wynika z wartości zestawionych w tabeli 5 udziały ilości energii doprowadzonej z
geotermii i biomasy zależą zarówno od konfiguracji siłowni hybrydowej jak i rodzaju
zastosowanego czynnika roboczego. Korzystniej, z punktu widzenia zagospodarowania
energii geotermalnej przedstawia się struktura energii doprowadzanej dla rozwiązań
elektrowni z niskotemperaturowymi siłowniami hybrydowymi, zwłaszcza gdy zastosowany
czynnik charakteryzuje się stosunkowo małą wartością entalpii parowania.
Z uwagi na założenie, jakie poczyniono na wstępie pracy odnośnie stałości strumienia
masowego i temperatury wody geotermalnej, w efekcie dla każdego rozwiązania siłowni
hybrydowych uzyskiwano różne moce obiegu Clausiusa – Rankine’a. Na rysunku 5
przedstawiono strukturę udziałów energii doprowadzanej z obydwu źródeł przy założeniu
mocy każdej rozpatrywanej elektrowni na poziomie 1MW.
Strumień ciepła doprowadzonego do
siłowni w celu wytworzenia 1 MWel
10000
9000
Qbio
8000
Qgeo
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
HYB-230 toluen
HYB-230
cykloheksan
HYB-230 woda
HYB-120 R236ea
HYB-120 R245ca
HYB120cykloheksan
HYB-120 woda
HYB-83 R227ea
HYB-83 R236ea
HYB-83 R245ca
HYB-83
cykloheksan
HYB-83 woda
0
Rys. 5. Udziały energii doprowadzonej z biomasy i geotermii w celu wytworzenia 1MW mocy
4. PODSUMOWANIE
Celem niniejszej pracy było zaprezentowanie możliwości zagospodarowania
określonego strumienia wody geotermalnej o parametrach wody zasilającej
Geotermię Podhalańską S.A. i efektywności przetwarzanie tej energii na prąd
elektryczny. Rozwiązania najprostsze nazywane powszechnie ORC są
obecnie
najczęściej
stosowane
przy
zagospodarowywaniu
niskotemperaturowych źródeł energii geotermalnej. Jednak jak wynika z
przedstawionych powyżej propozycji, rozwiązania te są jednocześnie
najmniej efektywne a mała efektywność wynika głównie ze stosunkowo
wysokiej temperatury zatłaczanej wody geotermalnej. Aby podwyższyć
stopień zagospodarowania energii geotermalnej – tzn. zwiększyć stopień
schłodzenia zatłaczanej wody geotermalnej można stosować rozwiązania
elektrociepłowni – jednak w zależności od strefy klimatycznej takie
rozwiązanie jest skuteczne zazwyczaj tylko w ściśle określonych porach roku.
Alternatywą może być odpowiedni dobór konfiguracji siłowni parowej. W
niniejszym artykule zaproponowano i przeanalizowano podstawowe
parametry pracy i wyniki obliczeń dla elektrowni z siłowniami hybrydowymi
jako sposób na dobre wykorzystanie energii wody geotermalnej. Wyniki
analizy porównawczej wskazują jednak, że wybór rozwiązania siłowni
parowej powinien zależeć od lokalnych zasobów energii będącym drugim
źródłem energii (rodzaju dostępnej biomasy).
LITERATURA
[1] BORSUKIEWICZ-GOZDUR A., NOWAK W.:, Comparative Analysis of Natural and
Synthetic Refrigerants in Application to Low Temperature Clausius-Rankine Cycle,
Energy 32 (2007) 344-352.
[2] DIPIPPO R.: Geothermal Power Plants Principles, Applications and Case Studies,
Elsevier Advanced Technology, 2005.
[3] HOCHSTEIN M. P.: Classification and assessment of geothermal resources, in: M. H.
Dickson, M. Fanelli (Eds.), Small Geothermal Resources: A guide to Development and
Utilization, Unitar, Nowy Jork, 1990, pp. 31-57.
[4] HETTIARACHCHIA H. D. M, GOLUBOVICA M., WOREKA W. M., YASUYUKI I.:
Optimum design criteria for an Organic Rankine Cycle using low-temperature geothermal
heat sources, Energy 32 (2007) 1698–1706.
[5] BORSUKIEWICZ-GOZDUR A.: Dual-fluid-hybrid power plant co-powered by lowtemperature geothermal water, Geothermics, 39 (2010) pp. 170–176.