ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С БИНАРНЫМИ ЦИКЛАМИ

Полезная модель относится к области энергомашиностроения и может быть использована для выработки электроэнергии на базе геотермальных однофазных водных источников.
Известны энергетические установки с бинарным циклом, содержащие замкнутый контур, заполненный низкокипящим рабочим телом и включающие конденсатор, испаритель, насос и турбину (см., например, патент США №6233938 по кл. F01K 25/08 за 2001 год).
К недостаткам известных установок следует отнести низкую эффективность выработки электрической энергии, обусловленную тем, что используется только один замкнутый контур с низкокипящим рабочим телом.
Наиболее близкой к предложенному техническому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является схема энергетической установки с бинарным циклом, содержащая замкнутый контур, заполненный низкокипящим рабочим телом и включающая теплообменные аппараты, турбины, устройства по разделению и слиянию потоков (см., например, патент США №6857268 по кл. F01K 25/08 за 2005 год).
К недостаткам описанной установки следует отнести невысокую эффективность выработки электрической энергии, обусловленную тем, что тепло передается от геотермального теплоносителя только в одном теплообменнике из всех в замкнутом контуре, а также повышенную стоимость, связанную с наличием значительного количества дополнительного теплообменного и вспомогательного оборудования.
Задачей полезной модели является устранение перечисленных недостатков и повышение эффективности работы геотермальной электростанции с бинарным циклом за счет повышения количества тепла, передаваемого в энергоустановку, и более полного использования потенциала геотермального теплоносителя.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в отличие от известной геотермальной электростанции, позволяющей вырабатывать электрическую энергию путем утилизации тепла однофазного водного геотермального теплоносителя и включающей конденсаторы, испарители, насосы и турбины, работающие на низкокипящем рабочем теле, согласно полезной модели электростанция содержит несколько аналогичных замкнутых контуров на низкокипящих рабочих телах, а геотермальная однофазная среда последовательно подводится к испарителям каждого замкнутого контура.
На фиг. 1 изображена T-Q диаграмма, на которой по оси абсцисс откладывается переданное тепло, а по оси ординат - температуры греющей и нагреваемой сред, на фиг. 2 схематично представлена предлагаемая геотермальная электростанция с бинарными циклами.
При разработке геотермальной электростанции с бинарными циклами необходимо учитывать, что согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе теплота может передаваться только в одном направлении - от горячего источника к холодному, при этом между ними всегда должна иметь место разность температур, или температурный напор.
Для теплообмена с подводом тепла в бинарный цикл от греющего теплоносителя, который имеет место в испарителе, T-Q диаграмма (на которой по оси абсцисс откладывается переданное тепло, а по оси ординат - температуры греющей и нагреваемой сред) будет выглядеть так, как показано на фиг. 1 (для одного и двух замкнутых контуров). Процесс отдачи тепла греющим геотермальным теплоносителем на диаграмме показан линией А'B' для одного замкнутого контура и АВ для двух замкнутых контуров энергоустановки и характеризуется снижением его температуры. Процесс нагрева жидкого рабочего тела, его испарения и перегрева отражается на диаграмме линиями (1-2-3-4 и 5-6-7-8 для одного и 1-9-10-11 - для двух замкнутых циклов).
min
min
Как видно по T-Q диаграмме, из-за горизонтальной площадки (2-3, 6-7 и т.д.), характеризующей процесс испарения рабочих тел, протекающий при постоянной температуре, на линии нагрева появляется ступенька в точках 2, 6, которая и определяет минимальный температурный напор ΔT, ограничивающий теплообмен между двумя средами. Их положение и величины температурных напоров в этой точке ΔT в значительной мере определяют проектные параметры технологической схемы и теплообменного оборудования. Уменьшение минимального температурного напора приводит к значительному росту поверхностей теплообмена и, как следствие, к увеличению массогабаритных характеристик оборудования и его удорожанию. Заданные величины минимальных температурных напоров в замкнутых контурах электростанции будут определять температуру в точках В и В' геотермального теплоносителя, направляемого в скважину реинжекции (показано на фиг. 2).
Геотермальная электростанция с бинарными циклами содержит линию подачи однофазного водного геотермального теплоносителя к первому замкнутому контуру геотермальной электростанции с бинарными циклами, заполненному рабочим телом и содержащему испаритель 12, турбину 13, конденсатор 14 и питательный насос 15. Геотермальный однофазный водный теплоноситель, отдавший часть тепла в первом контуре, подводится к испарителю 16 второго замкнутого контура, заполненного рабочим телом и содержащего, кроме того, турбину 17, конденсатор 18 и питательный насос 19. Количество контуров, последовательно используемых в схеме, определяется на основе расчета технико-экономических показателей энергоблока.
Геотермальная электростанция с бинарными циклами работает следующим образом.
Однофазная геотермальная среда подводится к испарителю 12 (фиг. 2) и отдает тепло рабочему телу замкнутого контура бинарной установки. Рабочее тело испаряется и пар направляется в турбину 13, где расширяется и производит механическую работу, а затем поступает в конденсатор 14, где превращается в жидкость, после чего питательным насосом 15 подается в испаритель 12, где нагревается до температуры насыщения, испаряется и перегревается, таким образом цикл замыкается. Геотермальная однофазная среда после испарителя 12 подводится к испарителю 16 второго замкнутого контура бинарной установки и отдает тепло органическому рабочему телу второго замкнутого контура. Это рабочее тело испаряется и пар направляется в турбину 17, где расширяется и производит механическую работу, а затем поступает в конденсатор 18, где превращается в жидкость, после чего питательным насосом 19 подается в испаритель 16, где нагревается до температуры насыщения, испаряется и перегревается, таким образом цикл замыкается. Отдав тепло во втором замкнутом контуре, геотермальная однофазная среда может быть направлена в третий и последующие замкнутые контуры, принципы работы и состав оборудования которых аналогичны второму контуру.
В части преобразования механической энергии вращения ротора турбины в электрическую в электрогенераторе геотермальная электростанция с бинарными циклами работает аналогично прототипу.
Описанное выполнение геотермальной электростанции с бинарными циклами позволяет увеличить количество тепла (на ΔQ, см. фиг. 1), передаваемого в энергоустановку и более полно использовать потенциал геотермального теплоносителя за счет снижения температуры греющей среды (на ΔT, см. фиг. 1), отправляемой в скважину реинжекции.