Теплоэнергетика, 2022, № 4, стр. 31-40

РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЕ БЛОЧНО-КАСКАДНЫХ БИНАРНЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЙ

Характерной особенностью геотермальных энергосистем и энергоемких предприятий нередко является наличие сбросного тепла, пригодного для производства электроэнергии на основе использования традиционных пароводяных или получающих все более широкое распространение бинарных энергоустановок. Так, при достаточно высокой температуре геотермального двухфазного теплоносителя для повышения эффективности его использования на ГеоЭС с прямым циклом применяются технологии double-flash и triple-flash, т.е. с двумя и тремя давлениями сепарации. В данном случае концентрирование примесей при вскипании жидкой фазы (сепарата) в сепараторах-расширителях становится причиной интенсификации процессов коррозии и образования отложений в рабочем контуре. Применение бинарных технологий для утилизации тепла высокотемпературного геотермального теплоносителя позволит во многих случаях исключить эти и другие проблемы, связанные с агрессивностью геотермальной среды для тепломеханического оборудования.

Один из способов повышения эффективности утилизационных бинарных энергетических установок – применение мультикаскадных технологических схем [1–3]. Примером практической реализации такого подхода может служить создание геотермальной электростанции в г. Kirchstockach (Германия) мощностью 5.5 МВт (рис. 1, а), на которой используется теплоноситель температурой 138°С и расходом 120 кг/с. Тепловая схема двухкаскадной ГеоЭС включает в себя два конструктивно одинаковых контура с рабочим телом R-245fa (рис. 1, б) [4]. Интеграция дизельного когенерационного двигателя на биотопливе и тепловой солнечной установки с двухкаскадной бинарной электростанцией (БЭС) осуществлена в работе [5]. Эксплуатационные испытания подтвердили работоспособность этого гибридного энергокомплекса, работающего на возобновляемых источниках энергии.

Рис. 1.

Двухкаскадная бинарная геотермальная станция в г. Kirchstockach (Германия) [4]: а – внешний вид; б – тепловая схема. 1 – турбина; 2 – конденсатор; 3 – насос; 4 – подогреватель; 5 – испаритель для органического цикла Ренкина низкого давления; 6 – турбина; 7 – конденсатор; 8 – насос; 9 – подогреватель 1-й ступени; 10 – подогреватель 2-й ступени; 11 – испаритель для органического цикла Ренкина низкого давления; 12 – производительная скважина; 13 – реинжекционная скважина

Важным направлением повышения эффективности отечественных Мутновской и Верхне-Мутновской ГеоЭС прямого цикла, действующих на Камчатке, где имеется в большом количестве сбросной геотермальный теплоноситель в виде сепарата температурой до 160°С [6], является применение утилизационных бинарных энерготехнологий. Такой подход также позволит максимально повысить эффективность использования геотермального теплоносителя при проектировании и создании новых ГеоЭС, работающих на парогидротермах.

Особенности использования бинарных мультикаскадных схем пока мало изучены. Реализация принципа инкрементального (пошагового) преобразования энергии геотермального однофазного водного теплоносителя в блочно-каскадных бинарных энергокомплексах для повышения эффективности использования геотермального тепла требует более детального изучения.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВУХ- И ТРЕХКАСКАДНЫХ БИНАРНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ

В данной работе рассмотрены термодинамические показатели и технические характеристики двух- и трехкаскадных бинарных энергокомплексов в сравнении с традиционным одноконтурным бинарным энергоблоком при использовании в качестве рабочего тела различных органических веществ. С этой целью разработана методика численного моделирования геотермальных и бинарных циклов этих энергоустановок.

Расчетные исследования процессов теплообмена при передаче тепла в бинарные контуры двух- и трехкаскадных энергокомплексов проводились для исходного геотермального теплоносителя, температура которого (180°С) близка к температуре геотермальных ресурсов, используемых на Мутновской ГеоЭС (п-ов Камчатка). При этом в расчетах использовались комбинации органических рабочих тел (ОРТ) (см. таблицу) в бинарных контурах из различных групп, более детально описанных в работе [7].

На рис. 2 показаны рассматриваемые в работе принципиальные технологические схемы бинарных блочно-каскадных энергокомплексов с двумя и тремя последовательно включенными бинарными установками для утилизации сбросного тепла однофазных геотермальных ресурсов. Каждый каскад энергокомплексов состоит из бинарной турбины, питательного насоса, теплообменного оборудования (подогревателя, испарителя, пароперегревателя) и конденсатора.

Рис. 2.

Принципиальные технологические схемы бинарных двух- (а) и трехкаскадных (б) энергокомплексов для утилизации тепла однофазных геотермальных ресурсов. ПС – продуктивная скважина; УЗ – устьевая задвижка; каскад: 1 – первый, 2 – второй, 3 – третий; И-1, И-2, И-3 – теплообменники; Т-1, Т-2, Т-3 – турбогенераторы; К-1, К-2, К-3 – конденсаторы; ПН-1, ПН-2, ПН-3 – питательные насосы; ЦН-1, ЦН-2, ЦН-3 – циркуляционные насосы охлаждающей воды; РН – насос реинжекции; РС – реинжекционная скважина; Г – градирня; ПВ – подпиточная вода

Расход геотермального теплоносителя определялся из условия обеспечения мощности на клеммах генератора 10 МВт в одноконтурной бинарной установке на наименее эффективном рабочем теле из конкретной группы. В расчетах гидравлические потери не учитывались, минимальные температурные напоры в теплообменном оборудовании принимались равными 10°С, перегрев пара за испарителем – 3°С, температура охлаждающей воды – 10°С.

На рис. 3, а и б представлены Т, Q-диаграммы исследуемых процессов теплообмена при подводе геотермального тепла в контур для двухкаскадного и трехкаскадного бинарных энергокомплексов (Q – тепловая нагрузка, T – температуры греющей и нагреваемой сред). Для первого контура процесс отдачи тепла греющим геотермальным теплоносителем на диаграмме показан линией AD (AB – участок перегрева рабочего тела, BC – испарения, CD – подогрева), для второго – DG (DE – участок перегрева рабочего тела, EF – испарения, FG – подогрева), для третьего – GJ (GH – участок перегрева рабочего тела, HI – испарения, IJ – подогрева). Процесс нагрева, испарения и перегрева ОРТ отражается на диаграмме линиями 1–2–3–4 и 5–6–7–8 для двухкаскадного и 1–2–3–4, 5–6–7–8 и 9–10–11–12 для трехкаскадного энергокомплексов.

Рис. 3.

Т, Q-диаграммы теплообмена при подводе тепла в парогенераторе двухкаскадного (а) и трехкаскадного (б) бинарного энергокомплекса

На линии нагрева рабочего тела имеются площадки, примыкающие к точкам 2 и 6, которые определяют значения минимальных температурных напоров ∆Т_min, ограничивающих теплообмен между двумя средами. Очевидно, что ∆Т_min всегда больше нуля согласно второму началу термодинамики. Это, с одной стороны, ограничивает максимальный отбор тепла от греющего теплоносителя, а с другой – влияет на энергетическую эффективность термодинамического цикла.

Точки 2 и 6 соответствуют минимальному температурному напору между греющим и подогреваемым теплоносителями, значение которого в том числе определяет проектные параметры технологической схемы и теплообменного оборудования. Так, уменьшение ∆Т_min ведет к росту поверхностей теплообмена и, как следствие, к увеличению массогабаритных характеристик оборудования и его стоимости. На практике весьма востребованы инженерные подходы к оценке ∆Т_min, как, например, хорошо зарекомендовавший себя упрощенный метод, изложенный в работе [8].

В рамках данной работы при участии ОИВТ РАН и поддержке Минобрнауки РФ были выполнены исследования процессов теплообмена в технологических схемах одно-, двух- и трехкаскадных энергокомплексов. На рис. 4 представлены результаты расчета влияния количества тепла, передаваемого в бинарные циклы, на значения температуры геотермального флюида и органического рабочего тела в одноконтурном бинарном энергоблоке и двухкаскадном энергокомплексе с использованием веществ первой группы RС-318 и C₇F₁₆ в качестве рабочих тел первого и второго каскада соответственно. В данном случае применение двухкаскадной схемы вместо традиционной однокаскадной позволяет увеличить количество тепла, передаваемого от греющего теплоносителя, примерно на 10 МВт, а также снизить температуру сепарата на выходе энергоблока с 50 до 40°С, что положительно сказывается на эффективности утилизации тепла геотермального теплоносителя и на экологическом состоянии окружающей среды.

Рис. 4.

Влияние количества тепла, отдаваемого однофазным геотермальным теплоносителем с использованием RС-318 (1) и C₇F₁₆ (3) в качестве рабочих тел в бинарные циклы, на значение температуры геотермального флюида и органического тела в однокаскадной (сплошные линии) и двухкаскадной (штриховые линии) схеме. 1, 3, 5 – геотермальный сепарат; 2 – RС-318; 4 – C₇F₁₆; 6 – RС-318 в первом каскаде; 7 – C₇F₁₆ во втором каскаде

Исследования влияния выбора ОРТ на значения температуры потоков рабочей среды бинарных контуров в зависимости от количества тепла, передаваемого от геотермального теплоносителя через парогенератор в бинарные циклы трехкаскадного энергокомплекса при использовании вещества первой группы R-3110 в качестве рабочего тела первого, второго и третьего каскадов, показали, что применение трехкаскадной схемы позволяет увеличить количество передаваемого в цикл БЭС тепла на 14.7%.

Применение трехкаскадной схемы, по сравнению с однокаскадной, при использовании в качестве рабочих тел С₇F₁₆ и R-3110 в контуре однокаскадной, а также С₇F₁₆ в первом и втором, а R-3110 в третьем каскаде трехкаскадного энергокомплекса также обеспечивает рост количества тепла, переданного от геотермального теплоносителя, и снижение температуры сепарата на выходе из энергокомплекса.

УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМАХ БЛОЧНО-КАСКАДНЫХ БИНАРНЫХ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ

Удельный расход геотермального теплоносителя (в данном случае – сепарата) для выработки единицы мощности в значительной степени определяет эффективность использования геотермальных ресурсов в блочно-каскадных бинарных энергоблоках. В результате проведенных расчетных исследований были выявлены оптимальные условия для достижения минимального удельного расхода геотермального сепарата для двух- и трехкаскадной схем бинарных энергокомплексов.

На рис. 5 для примера показано расчетное поле значений удельного расхода сепарата (нетто) ${{g}_{c}}$ от его температуры на выходе из первого t_с1 и второго t_с2 каскадов трехкаскадного энергокомплекса при использовании в качестве рабочих тел C₇F₁₆ для первого, второго и RC-318 для третьего каскада. Установлено, что в данном случае минимальное значение удельного расхода сепарата (нетто) ${{g}_{{c\,min}}}$ однофазного геотермального теплоносителя составляет 15.4 (кг/с)/МВт.

Рис. 5.

Зависимость удельного расхода сепарата (нетто) от температуры сепарата после первого и второго каскадов трехкаскадного энергокомплекса при использовании веществ первой группы C₇F₁₆, C₇F₁₆ и RC-318 в качестве рабочих тел первого, второго и третьего каскада соответственно

Расчеты показывают, что температурные зависимости удельного расхода сепарата и мощности двух- и трехкаскадных энергокомплексов имеют противоположные тенденции. Поэтому результаты данных исследований дают возможность определить условия компромисса между достижением наибольшей мощности и снижением минимальных значений удельного расхода сепарата при создании блочно-каскадных бинарных энергокомплексов.

В процессе расчетных исследований установлено, что наименьшие значения удельного расхода (нетто) однофазного геотермального теплоносителя ${{g}_{{c\,min}}}$ достигаются при использовании веществ третьей группы. В данном случае ${{g}_{{c\,min}}}$ составляет 13.7 (кг/с)/МВт.

В результате проведенных исследований были получены данные об изменении удельного расхода сепарата (нетто) для одно-, двух- и трехкаскадных энергокомплексов по сравнению с оптимальной одноконтурной бинарной установкой при использовании различных ОРТ в бинарных циклах для утилизации высокотемпературного (180°C) геотермального сепарата. Так, на рис. 6 представлена гистограмма, отражающая изменения ${{g}_{c}}$ по сравнению с оптимальной схемой одноконтурной бинарной энергоустановки при использовании различных органических веществ четвертой группы в бинарных контурах мультикаскадных энергокомплексов. Установлено, что при использовании веществ четвертой группы наиболее эффективна трехкаскадная схема со следующими рабочими телами в бинарных контурах: RC-270 для первого и второго каскадов и RC-601a для третьего. При этом повышение эффективности утилизации геотермального теплоносителя по сравнению с одноконтурной схемой составляет более 4%.

Рис. 6.

Гистограмма расчетных значений изменения удельного расхода сепарата (нетто) для различных рабочих тел четвертой группы веществ, используемых в одноконтурной БЭС и каскадах блочно-каскадного энергокомплекса

Применение органических веществ первой и третьей групп в качестве рабочих тел в бинарных контурах двух- и трехкаскадных энергокомплексов позволяет снизить удельный расход геотермального теплоносителя на 2–3% по сравнению с одноконтурным бинарным энергоблоком.

МОЩНОСТЬ ОТДЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ И ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ В ЦЕЛОМ

Температура геотермального теплоносителя на выходе из каскадов косвенно влияет как на мощность отдельных каскадов, так и на общую мощность двух- и трехкаскадных бинарных энергоустановок. На рис. 7 представлены расчетные зависимости мощности брутто, нетто и потребляемой на собственные нужды двухкаскадного энергокомплекса от температуры сепарата на выходе из первого каскада при использовании веществ первой группы C₇F₁₆ и RC-318 в качестве рабочего тела в первом и втором каскаде соответственно. Там же для сравнения приведены результаты аналогичных исследований для традиционного одноконтурного бинарного блока.

Рис. 7.

Зависимость мощности брутто N_брутто, нетто N_нетто, собственных нужд N_с.н и суммарной мощности турбин брутто ∑N_брутто и нетто ∑N_нетто двухкаскадного энергокомплекса от температуры сепарата на выходе из первого каскада t_с1 при использовании веществ первой группы C₇F₁₆ и RC-318 в качестве рабочего тела в первом и втором каскаде соответственно. 1, 2 – N_брутто турбин первого и второго каскадов; 3 – ∑N_брутто двухкаскадного энергокомплекса; 4 – максимально возможная N_брутто однокаскадной схемы при использовании RC-318 в качестве рабочего тела; 5 – максимально возможная N_брутто однокаскадной схемы при использовании C₇F₁₆ в качестве рабочего тела; 6, 7 – N_нетто турбин первого и второго каскадов; 8 – ∑N_нетто двухкаскадной схемы; 9 – максимально возможная N_нетто однокаскадной схемы при использовании RC-318 в качестве рабочего тела; 10, 11 – мощности питательных насосов первого и второго каскадов; 12 – N_{с. н} двухкаскадной схемы

Расчеты показывают, что при начальной температуре геотермального сепарата 180°C и использовании C₇F₁₆ в первом каскаде и RC-318 во втором оптимальное значение температуры сепарата на выходе из первого контура, соответствующее наибольшей мощности энергокомплекса, составляет 167°C. При этом мощность брутто и нетто энергоустановки при использовании данной двухкаскадной схемы больше, чем одноконтурной, на 2.2 и 0.5 МВт соответственно. Минимальные значения суммарной мощности (нетто и брутто) двухкаскадного энергокомплекса достигаются в диапазоне температур сепарата из первого каскада 110–120°С.

На рис. 8 показаны зависимости мощности (нетто) трехкаскадного энергокомплекса от температуры геотермального теплоносителя на выходе из первого t_с1 и второго t_с2 каскадов при использовании в качестве рабочих тел C₇F₁₆ для первого, второго и RC-318 для третьего каскада. В данном случае оптимальное значение температуры сепарата на выходе из второго контура, обеспечивающее максимальное значение N_нетто, составляет 164°C. С уменьшением температуры сепарата на выходе из первого каскада t_с1 с 179.9 до 120.0°С мощность энергокомплекса снижается, при дальнейшем уменьшении температуры мощность растет и при 60°С достигает 13.2 МВт. При этом температура на выходе из второго каскада t_с2 равняется 50°С. Вид полученных расчетных кривых обусловлен перераспределением мощности между отдельными каскадами при изменении значений температуры ОРТ на выходе из первого и второго каскадов.

Рис. 8.

Зависимость N_нетто трехкаскадного энергокомплекса от температуры геотермального теплоносителя на выходе из первого и второго каскада при использовании веществ первой группы C₇F₁₆, C₇F₁₆ и RC-318 в качестве рабочих тел первого, второго и третьего каскада соответственно. t_с1, °С: 1 – 179.9; 2 –164; 3 – 120; 4 – 110; 5 – 100; 6 – 90; 7 – 80; 8 – 70; 9 – 60

ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика позволяет на основе численного моделирования геотермальных и бинарных циклов оптимизировать технологические схемы двух- и трехкаскадных бинарных энергокомплексов по максимальной установленной мощности и минимальному удельному расходу исходного геотермального флюида.

2. Установлено, что применение двухкаскадной схемы дает возможность увеличить количество тепла, передаваемого в бинарный цикл, на 15% по сравнению с однокаскадной схемой и снизить температуру геотермального сепарата на выходе из энергоустановки с 70 до 53°C (когда в первом контуре рабочее тело RC-270, во втором – R-601а).

3. Технологическая трехкаскадная схема обеспечивает увеличение количества передаваемого тепла в бинарный цикл почти на 19% и снижение температуры геотермального сепарата на выходе из энергокомплекса с 70 до 48.6°C (когда в первом и втором контурах рабочее тело RC-270, а в третьем – R-601а).

4. Повышение эффективности утилизации тепла геотермального теплоносителя составляет 9.4% в трехкаскадном энергокомплексе с использованием в качестве рабочего тела R-32 во всех трех каскадах.