KRYTERIA DOBORU SUBSTANCJI NISKOWRZĄCYCH POD KĄTEM MOŻLIWOŚCI ICH WYKORZYSTANIA JAKO CZYNNIKÓW OBIEGOWYCH W ELEKTROWNIACH GEOTERMICZNYCH

Transkrypt

1 KRYTERIA DOBORU SUBSTANCJI NISKOWRZĄCYCH POD KĄTEM MOŻLIWOŚCI ICH WYKORZYSTANIA JAKO CZYNNIKÓW OBIEGOWYCH W ELEKTROWNIACH GEOTERMICZNYCH Autor: Radomir Kaczmarek, Aleksander A. Stachel Katedra Techniki Cieplnej, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ( Energetyka nr 2 3 /211) Abstract: In the paper, in support of conducted analyses, presented has been the influence of thermal and physical properties of selected low-boiling point fluids on the quantity of power in the ORC geothermic power plant. Analysis has been applied to the possibility of application of various fluids with respect to a most effective utilization of geothermic energy. It has been taken into consideration the fluids which belong to a first group, for which feature isentropic expansion I < 1, which starts at the saturation line for vapour extend to superheated steam region. In the assessment of operation of power station utilized have been quantities characteristic to the Clausius - Rankine cycle. 1. WSTĘP Z dotychczasowych prac wynika, że w warunkach polskich temperatura cieczy opuszczającej tzw. poziomy zamknięty geotermiczny wymiennik ciepła (PZGWC), przez który jest przepompowywana w celu odebrania energii od otaczającego wymiennik szkieletu skalnego, jest stosunkowo niska i rzadko przekracza 12 C. Tym samym nie jest możliwe jej użycie do odparowania wody stanowiącej czynnik obiegowy klasycznej siłowni parowej, chociażby ze względu na niskie parametry wytwarzanej pary. Jest jednak możliwe jej użycie do odparowania substancji niskowrzących, np. związków organicznych, mogących stanowić czynnik obiegowy w tzw. siłowni niskotemperaturowej. O zasadności wyboru i zastosowania danej substancji jako czynnika obiegowego decydują jego właściwości termofizyczne. Właściwości te w znaczący sposób wpływają na uzyskiwaną mocy i sprawność siłowni, przy czym z badań wynika, że najważniejszym elementem przy wyborze rodzaju czynnika jest wielkość uzyskiwanej mocy. W pracy, na podstawie przeprowadzonej analizy wybranych substancji niskowrzących, omówiono wpływ ich właściwości termofizycznych na wielkość uzyskiwanej mocy, a tym samym przydatność do zastosowania w siłowni nisko-temperaturowej. 2. OPIS I SPOSÓB DZIAŁANIA INSTALACJI Przyjęto, że analizowane substancje zastosowano w siłowni geotermicznej, której schemat jest pokazany na rysunku 1, składającej się z trzech wymienników ciepła, to jest: parowacza, podgrzewacza i skraplacza oraz turbiny parowej współpracującej z generatorem, w których zachodzą procesy odpowiadające przemianom obiegu Clausiusa-Rankine a (C-R).

2 Rys. 1. Schemat elektrowni geotermicznej W układzie z rysunku 1, linia przerywana oznacza obieg siłowni niskotemperaturowej z czynnikiem niskowrzącym, zaś linia ciągła pokazuje obieg cieczy roboczej transportującej ciepło geotermiczne do siłowni. Energia geotermiczna szkieletu skalnego jest doprowadzana ze strumieniem cieczy roboczej, która podwyższa swą temperaturę pobierając ciepło w PZGWC. Z kanału wydobywczego ciecz robocza jest kierowana do parowacza, gdzie w wyniku przekazania energii czynnikowi obiegowemu, jej temperatura obniża się o T = 1 K. Następnie część strumienia cieczy roboczej ( m& s3 ), niezbędna do podgrzania czynnika obiegowego od temperatury skraplania do wymaganej temperatury panującej w parowaczu, kierowana jest do podgrzewacza. Po oddaniu ciepła w podgrzewaczu, ciecz robocza łączy się z niewykorzystanym strumieniem ( m& s2 ) i jest kierowana do kanału zatłaczającego wymiennika geotermicznego. W analizie przyjęto, że różnica temperatur pomiędzy czynnikami grzejącym a ogrzewanym wynosi w parowaczu (od strony czynnika grzejącego): na dopływie 15 K i wypływie 5 K, zaś w podgrzewaczu: na dopływie 5 K i wypływie 2 K. Temperaturę skraplania przyjęto równą 3 C.

3 3. OBIEG C-R Z CZYNNIKIEM NISKOWRZĄCYM Własności termofizyczne czynników niskowrzących wpływają na kształt krzywych nasycenia przedstawionych na wykresie ciśnienie-entalpia (p-h) i charakteryzowanych za pomocą tzw. współczynnika entropowego (I). Biorąc pod uwagę kształt krzywych, a tym samym wartości współczynnika entropowego, czynniki można podzielić na dwie grupy [1,2]. Do grupy pierwszej zaliczane są substancje, dla których współczynnik entropowy I < 1, zwane czynnikami suchymi. Charakteryzują się one tym, że w przypadku gdy początek izentropowej ekspansji usytuowany jest na linii pary nasyconej suchej, to jej koniec znajduje się w obszarze pary przegrzanej. Tym samym obieg Clausiusa-Rankine a realizowany z użyciem czynników grupy pierwszej, składa się z następujących przemian termodynamicznych (rys. 2a): izobarycznego doprowadzania ciepła, które obejmuje proces podgrzewania płynu (4-5) i odparowania cieczy (5-1), izentropowej ekspansji pary czynnika w turbinie (1-2s), izobarycznego odprowadzania ciepła w procesie schładzania pary (2s-2) i skraplania czynnika (2-3), izentropowego przetłaczania kondensatu (3-4). Do grupy drugiej zaliczane są czynniki, dla których współczynnik entropowy I > 1. Czynniki te zwane są czynnikami mokrymi. W przypadku tej grupy, ekspansja zaczynająca się na linii pary nasyconej suchej kończy się w obszarze pary mokrej. Z tego względu dla czynników mokrych stosuje się przegrzewanie pary, dzięki czemu ekspansja może być realizowana w obszarze pary przegrzanej z końcem procesu na linii pary nasyconej suchej (rys. 2b). Cykl przemian składających się na obieg Clausiusa-Rankine a z użyciem czynników mokrych, tworzą: izentropowa ekspansja pary czynnika w turbinie (1-2s), izobaryczne odprowadzenie ciepła w procesie skraplania (2s-3), izentalpowe przetłaczanie kondensatu (3-4), izobaryczne podgrzewanie (4-5) i odparowanie cieczy (5-6) oraz przegrzanie pary (6-1). Ze względu na możliwe do uzyskania w praktyce temperatury cieczy roboczej wypływającej z wymiennika geotermicznego, powodujące ograniczone możliwości przegrzewania pary, dalszej analizie poddano czynniki należące do grupy pierwszej. Rys. 2. Cykl przemian termodynamicznych czynnika obiegowego w obiegu C-R realizowanym w obszarze pary przegrzanej dla czynników: a) grupy I, b) grupy II

4 4. DOBÓR CZYNNIKÓW OBIEGOWYCH W tabeli 1 zestawiono substancje, które mogą być rozpatrywane jako potencjalnie czynniki obiegowe w siłowni parowej [3]. Jak już wspomniano, wybrano czynniki należące do grupy I, których temperatura punktu krytycznego jest większa od 8 C i nie przekracza 18 C. W tabeli podano również wielkość teoretycznej mocy jednostkowej przy wybranych temperaturach parowania. Natomiast na rysunkach 3a-c pokazano wartości jednostkowej mocy teoretycznej możliwej do uzyskania dla temperatur parowania od 9 do 125 C. Z przeprowadzonych badań [4] wynika, że istotnym elementem wyboru najbardziej efektywnego rozwiązania instalacji nie jest sprawność, która w tego typu układach na ogół jest niska, ale wielkość uzyskiwanej mocy. Z rysunków 3a-c wynika ponadto, że aby osiągnąć maksymalną moc obiegu trzeba odpowiednio dobrać rodzaj czynnika niskowrzącego. Przykładowo, dla temperatury parowania 12 C zastosowanie czynnika pozwala osiągnąć dwukrotnie większą moc niż w przypadku. Okazuje się, że decydującym tutaj parametrem termofizycznym jest entalpia parowania. Czynniki charakteryzujące się niską jej wartością w danej temperaturze pozwalają uzyskiwać większe moce. Potwierdza to rysunek 4, gdzie czynniki i mają najniższe wartości entalpii parowania w całym zakresie temperatur. Te same czynniki wg rysunku 3c pozwalają osiągnąć najwyższe moce. Spowodowane jest to tym, że mniejsza wartość entalpii parowania oznacza, iż mniej energii należy doprowadzić w celu odparowania tego czynnika. To sprawia, że w obiegu elektrowni można zastosować większy strumień czynnika obiegowego, co bezpośrednio przekłada się na wzrost mocy. Tabela 1. Zestawienie wybranych czynników niskowrzących wg [3] Lp Nazwa czynnika Wzór chemiczny Temperatura [ C] krytyczna parowania Rodzaj czynnika Moc jednostkowa [kw/kg/s] 1 CH(CH 3 ) 3 134, ,9 suchy do 15 C, 9 9, ,8 75 6,9 2 CF 3 CHFCHF 2 139,29 9 9,8 suchy ,4 75 6,6 3 CF 3 CH 2 CHF 2 154,5 9 9,2 suchy , 75 6,5 4 CHF 2 CF 2 CH 2 F 174,42 9 8,9 suchy ,3 75 6,8 5 CClF 2 CClF 2 145,68 9 9,6 suchy 125 2, ,9 5 F ,41 9 9,9 C , suchy 7 CH 3-2(CH 2 )-CH 3 151, ,7 suchy

5 8 CF 3 CH 2 CF 3 124,92 9 CHClFCF 3 122,28 1 cyclo-c 4 F 8 115,23 11 C 4 F 1 113,18 12 R227ea CF 3 CHFCF 3 11,65 9 9, ,4 75 7,2 9 1, ,6 75 7,1 9 1, ,3 75 7,6 9 11, ,7 75 7,7 9 12, 11 31,7 75 8,1 9 13, ,6 suchy do 1 C, suchy do 85 C, suchy do 1 C, suchy do 15 C, suchy do 8 C, W podobny sposób można wytłumaczyć obniżenie temperatury cieczy roboczej zatłaczanej do wymiennika geotermicznego, jeżeli zostaną użyte czynniki o niskiej entalpii parowania. Większy strumień cieczy schłodzonej w podgrzewaczu w wyniku oddania ciepła do dużego strumienia czynnika obiegowego oraz mniejszy strumień cieczy o wysokiej temperaturze wypływający z parowacza powodują, że po ich zmieszaniu następuje obniżenie temperatury cieczy roboczej, która jest zatłaczana do wymiennika geotermicznego. Wielkość uzyskiwanej mocy zależy również od entalpii właściwej pary dopływającej do turbiny. Im wyższą wartość ma ten parametr, tym większa jest moc uzyskiwana w turbinie. W szczególnych przypadkach obieg, w którym krążący czynnik charakteryzuje się wysoką wartością entalpii parowania, a także wysoką entalpią właściwą pary, może osiągnąć wyższą moc niż obiegi z czynnikami o mniejszej wartości entalpii parowania. Przykładem może tutaj być izobutan. Zgodnie z rysunkiem 4 ma on stosunkowo wysoką wartość entalpii parowania w całym rozpatrywanym zakresie temperatur, ale w efekcie pozwala uzyskać większą moc niż obiegi z czy o mniejszych entalpiach parowania (rys. 3) Tę przewagę izobutanu widać także na wykresach T-s (rys. 5) i p-h (rys. 6), gdzie wyraźnie odbiega od pozostałych czynników lokując krzywą nasycenia x = 1 w rejonach o wyższych wartościach entalpii. Należy dodać, że najniższą wartość entalpii parowania wszystkie czynniki osiągają w pobliżu punktu krytycznego (rys. 6). Tym samym z temperaturą parowania należy zbliżyć się jak najbardziej do punktu krytycznego.

6 Moc jednostkowa [kw/(kg/s)] R227ea R227ea Temperatura parowania [ C] Rys. 3a Porównanie mocy jednostkowej obiegu C-R dla czynników obiegowych z tabeli 1, wg [3] Moc jednostkowa [kw/(kg/s)] Temperatura parowania [ C] Rys. 3b. Porównanie mocy jednostkowej obiegu C-R dla czynników obiegowych z tabeli 1, wg [3]

7 Moc jednostkowa [kw/(kg/s)] Temperatura parowania [ C] Rys. 3c. Porównanie mocy jednostkowej obiegu C-R dla czynników obiegowych z tabeli 1, wg [3] 35 3 Entalpia parowania [kj/kg] R142b Temperatura parowania [ C] Rys. 4. Zależność entalpii parowania od temperatury parowania dla wybranych czynników obiegowych, wg [3]

8 T [ C] 2 (T kr =139,29 C) (T kr =154,5 C) (T kr =134,67 C) 15 (T kr=122,28 C) 1 R142b (T kr =137,11 C) 5 (T kr=124,92 C) -5,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 s [kj/(kgk) Rys. 5. Kształt krzywych nasycenia na wykresie T-s dla wybranych czynników, wg [3] log p [MPa] 1, (T kr =139,29 C) R142b (T kr=137,11 C) (T kr=154,5 C) (T kr=134,67 C) (T kr =122,28 C) 1, (T kr=124,92 C), h [kj/kg] Rys. 6. Kształt krzywych nasycenia na wykresie p-h dla wybranych czynników, wg [3] 5. PODSUMOWANIE Z przeprowadzonych obliczeń i analiz wynika, że w celu zapewnienia maksymalnej mocy instalacji siłowni geotermicznej należy dobrać taki czynnik niskowrzący, dla którego: krzywe nasycenia na wykresie p-h są usytuowane jak najbliżej siebie (zapewniają tym samym niską wartość entalpii parowania), krzywe nasycenia na wykresie p-h są położone jak najbardziej w prawo (zapewniają tym samym wysoką wartość entalpii właściwej pary na dolocie do turbiny),

9 temperatura punktu krytycznego jest nieznacznie wyższa od temperatury, w której następuje odparowanie (zmniejszając tym samym entalpie parowania). Ponadto przy doborze czynnika należy uwzględnić jego wpływ na środowisko. Należy pamiętać, że szczególnie negatywny wpływ na otoczenie mają czynniki zawierające w swej strukturze chlor. Z drugiej strony należy zaznaczyć, że obieg niskotemperaturowej siłowni parowej jest układem zamkniętym i kontakt czynnika obiegowego ze środowiskiem jest możliwy tylko w przypadku awarii. Literatura: [1] BONCA Z., BUTRYMOWICZ D., DAMBEK D., DEPTA A., TARGAŃSK, W.: Handbook: Refrigeration fluids and heat carriers, IPPU Masta, [2] GAWLIK K., HASSANI V.: Advanced binary cycles: Optimum working fluids, Geothermal Resources Council, Annual Meeting, California, USA, [3] REFPROP 7., National Institute of Standards and Technology, Standard Reference Database 23, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties, US, 22. [4] NOWAK W., KACZMAREK R.: Assessment of the influence of municipal water flowrate in evaporator on the effectiveness of geothermic power plant, 19 th International Conference: Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, , Aghia Pelagia, Kreta, s