Казахстан обладает значительными ресурсами геотермальной воды со средней и низкой температурой. Геотермальное месторождение Капланбек (недалеко от города Чимкент), с температурой воды 80°С, используется для теплоснабжения жилых домов. Рядом с городом Алматы геотермальный источник с температурой 80-120°C используется для отопления теплиц зимой и кондиционирование летом. По состоянию на 2007 год, Казахстан не использует геотермальные ресурсы для производства электроэнергии [1]. По данным Института гидрогеологии и геоэкологии имени У.М. Ахмедсафина возобновляемые ежегодные ресурсы термальных вод в Казахстане для температурных зон 40-100°С и более по объему определены в 10,3 кубических километра, что соответствует 97,1 миллиона тонн условного топлива.
Препятствием к электроэнергетическому использованию геотермальных ресурсов является отсутствие до последнего времени простых и надежных технологий преобразования в электрическую энергию форму геотермальной энергии со средней и низкой температурой.
В последнее десятилетие рядом стран для этих целей освоена технология применения низкокипящих органических теплоносителей (ORC- циклы) [2]. Рабочим телом в данной технологии является вещество, имеющее более низкую, чем у воды, температуру кипения. Благодаря этому, испарение рабочего тела происходит при относительно низкой температуре, что и позволяет использовать низкопотенциальную энергию. На рисунке 1,а приведена схема ORC-цикла без регенератора, на рисунке 1,б – схема ORC-цикла с регенератором. Насос закачивает рабочее тело в жидком состоянии в нагреватель, где при высоком давлении оно испаряется, далее пар попадает в турбину, в которой, расширяясь, совершает работу. Вал турбины вращается и приводит в действие электрогенератор. Отработанный пар охлаждается, и рабочее тело конденсируется. Далее вещество в жидком состоянии попадает в насос и цикл замыкается. В схеме на рисунке 1,б рабочее тело на выходе из турбины попадает в регенератор, где отдает часть тепловой энергии сжатой жидкости, которая направляется в нагреватель. Тепловая энергия может передаваться от источника теплоты к рабочему телу также с использованием промежуточного теплоносителя.
Рисунок 1. Схема ORC— циклов: а – без регенерации, б – с регенерацией
Схема органического цикла Ренкина с перегревом в T—s координатах[3] изображена на рисунке 2.
Рисунок 2. Органический цикл Ренкина с перегревом
В ряде работ [4,5] экспериментально исследовались эксплуатационные характеристики установок, в которых осуществляются ORC-циклы и их производительность при генерации электроэнергии. В качестве рабочего тела использовались хладагенты HCFC-123, R245fa. Температура рабочего тела в испарителе варьировалась в пределах от 77°С до 83°С. Установлено, что максимальное значение термической эффективности цикла может достигать 5,22%, изоэнтропного КПД турбины 78,7%, а генерируемой электрической мощности 32,7кВт.
Использование в качестве рабочих тел фреонов связано с рядом ограничений экономического и технического характера, что делает данную технологию достаточно сложной и дорогостоящей. Поэтому ведутся поиски новых более простых и доступных рабочих тел для реализации данной технологии.
В данной работе приведены результаты исследований возможности применения в ORC- циклах простых этанол-ацетоновых композиций в качестве рабочих тел для производства электрической энергии от низкопотенциальных геотермальных источников. Исследования проводились на экспериментальном пародинамическом стенде [6] (рисунок 3).
Рисунок 3. Общая схема экспериментальной установки
1 — термосифон, 2 — испаритель, 3 — конденсатор, 4,5 — датчики температуры; 6, 8 — регулирующие вентили, 7 — манометр, 9 — тепловая пушка
Для одновременного изменения температур в нескольких точках протяженного контура был разработан быстродействующий 16‑ти канальный автоматизированный измерительный комплекс, состоящий из аналого-цифрового преобразователя совместимого с персональным компьютером, мультиплексора и датчиков температуры. Система позволяет в автоматическом режиме производить замеры температуры с одновременным формированием массива данных в памяти компьютера. Основные технические характеристики системы приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Технические характеристики 12-битного, 16-канального АЦП
| Разрядность | 12 бит (без знака) |
| Число каналов | 16 |
| Диапазон измеряемых напряжений | От 0 до +5В |
| Максимальное число измерений | 200 измерений в секунду |
Особенностью данного прибора является: большое быстродействие (максимальная частота дискретизации составляет до 75 kHz), высокая точность измерений (разрешение АЦП – 12 бит), достаточно большое число каналов (с общей землей 16 шт.), входное сопротивление не менее 1 МОм, время преобразования не более 10 мкс, передача данных осуществляется посредством порта RS-232. Стандарт файла данных позволяет использовать результаты в расчётах Excel.
Исследования проводились в нестационарном режиме при нагреве испарителя водой с температурой 90°С, путем помещения его в бак термостат.
Используемые ниже обозначения термопар и их местоположение на контуре установки указано в таблице 2.
Таблица 2.
Обозначение и местоположение термопар
| Обозначение | Местоположение |
| 1 | Выход из испарителя |
| 2 | Восходящий поток, на высоте 2м от испарителя |
| 3 | Восходящий поток, на высоте 5м от испарителя |
| 4 | Вход в конденсатор |
| 5 | Выход из конденсатора |
| 6 | Нисходящий поток, на высоте 5м от испарителя |
| 7 | Нисходящий поток, на высоте 5м от испарителя |
| 8 | Вход в испаритель |
В ходе экспериментов варьировалось соотношение концентраций этанола и ацетона в диапазоне от 0 до 100%. Полученные данные по диапазону температур начала парообразования в испарителе приведены на рисунке 4.
Рисунок 4. Зависимость температуры начала парообразования в системе этанол-ацетон
Анализ результатов эксперимента показывает, что даже при атмосферном давлении (1 бар) диапазон температур является достаточным для получения парового рабочего тела от значительной части геотермальных источников республики Казахстан.
С использованием контура, подобного экспериментальному стенду, при размещении испарителя в теле геотермального массива возможна генерация парового рабочего тела непосредственно в этом массиве, без использования промежуточных теплоносителей, что повышает термодинамическую эффективность данной технологии вследствие отсутствия потерь, возникающих из-за недогрева при передаче теплоты через промежуточный контур.
На рисунке 5 приведены экспериментальные данные по распределению температур на экспериментальном контуре, показывающие, что в контуре происходит естественная циркуляция рабочего тела, что подтверждает принципиальную возможность доставки пара от геотермального массива непосредственно к паровым установкам, размещаемым на поверхности земли.
Рисунок 5. Зависимость температур в характерных точках от времени
(точки: 1–4 восходящий участок, 4–8 – возврат конденсата)
Следует отметить, что достаточно узкий температурный диапазон «источник – окружающая среда» предопределяет низкие термодинамические коэффициенты полезного действия геотермальных установок. Однако этот факт не препятствует их развитию в силу отсутствия потребности в органическом топливе, а также возможности их когенерационного использования в схемах комплексного электро- и теплоснабжения.
Список литературы:
- Абсаметов М.К., Муртазин Е.Ж.Роль и место «гидрогеотермальной энергетики» в «Стратегии устойчивой энергетики будущего Казахстана до 2050 года» // ТОО «Институт гидрогеологии и геоэкологии имени У.М.Ахмедсафина», Алматы, 2013. [Электронный ресурс]. URL:
- Белов Г. В., Дорохова М. А. Органический цикл Ренкина и его применение в альтернативной энергетике // Наука и образование. – 2014. – №2. doi: 10.7463/0214.0699165
- Chen H., Goswami D.Y., Stefanakos E.K. A review of thermodynamic cycles and working fluids for the conversion of low-grade heat // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2010. – Vol. 14. – P. 3059–3067.
- Li J., Pei G., Li Y., Wang D., Ji J. Energetic and exergetic investigation of an organic Rankine cycle at different heat source temperatures // Energy. – 2012. – Vol. 38, no. 1. – P. 85–95.
- Kang S.H. Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid // Energy. – 2012. – Vol. 41. – P.514–524.
- Щеклеин С.Е., Стариков Е.В., Немихин Ю.Е, Никитин А.Д., Жуков А.В., Коржавин С.А. Экспериментальное исследование пародинамических систем охлаждения критических элементов в аварийных ситуациях // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». – – №8-9. – С.86-92. doi: 10.15518/isjaee.2015.08-09.011[schema type=»book» name=»ПРИМЕНЕНИЕ ORC-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН» description=»Рассматривается возможность электроэнергетического использования геотермальныхресурсов республики Казахстан с применением этанол-ацетоновых рабочих тел и испарительных систем грунтового расположения. Показано, что достаточно узкий температурный диапазон «источник – окружающая среда» предопределяет низкие термодинамические коэффициенты полезного действия геотермальных установок. Однако это не препятствует их развитию в силу отсутствия потребности в органическом топливе, а также возможности их когенерационного использования в схемах комплексного электро- и теплоснабжения.» author=»Никитин Александр Дмитриевич, Абдиракан Шадияр Закирулы, Щеклеин Сергей Евгеньевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]