Редько А.О. , Бугай В.С., * Горожанкін С.А., *Лук’янов О.В.

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, *Донбаська національна академія будівництва та архітектури

Раціональні режими теплопостачання від комбінованої паливно-геотермальної енергетичної станції

Геотермальні енергетичні станції характеризуються недостатньо високою термодинамічною ефективністю та низькими значеннями коефіцієнта використання теплоти. Використання геотермальної енергії у поєднанні з установками, що працюють на органічному паливі, дозволяє підвищити ефективність роботи енергетичної станції в цілому. Крім того, геотермальні води, що становлять основні запаси геотермальної енергії в Україні та знаходяться на оптимальних глибинах, мають температуру на усті видобувної свердловини в середньому 60÷70°С [1]. Використання даних ресурсів для теплопостачання при стандартних температурних графіках систем теплопостачання (опалення) може бути причиною того, що при задовольняючій кількості теплоти, отриманої за рахунок геотермальної енергії, температурний потенціал теплоносія не відповідатиме температурному графіку. Тому для підвищення якості та надійності відпуску теплоти споживачеві в системах геотермального теплопостачання проектують пікові догрівачі (електричні котли, газові теплогенератори і т.д.).

Комбіновані енергетичні станції поєднують два чи більше джерел енергії на одній станції, щоб досягти більш високої ефективності використання енергії порівняно з використанням на окремих станціях. З цією метою пропонується об’єднати паливну та геотермальну станції таким чином, щоб створити одну станцію, що має кращі техніко-економічні показники, ніж дві окремі сучасні станції – одна, що використовує органічне паливо, та одна геотермальна. Навіть незначне заміщення паливної складової геотермальною енергією у поєднанні з глибокою утилізацією геотермальної теплоти забезпечують покращення техніко-економічних показників енергетичної станції.

Поєднання різних джерел теплової енергії в одній системі потребує знаходження оптимальних режимів відпуску теплоти від кожного джерела, що обумовлено їх різною собівартістю та термодинамічними характеристиками, визначаючими енергоефективність станції.

Для визначення найбільш оптимальних режимів відпуску теплоти комбінованої паливно-геотермальної енергетичної станції, що складається з геотермальної циркуляційної системи та місить піковий догрівач – котел газовий, пропонується виконати порівняння теплотехнічних та термодинамічних показників станції за різних температурних графіків та з роботою котельної при однаковому тепловому навантаженні. Враховуючи невисокий температурний потенціал геотермальних вод України, саме температурний графік буде одним із визначаючих факторів розподілу теплових навантажень між джерелами теплової енергії. Робота паливно-геотермальної енергетичної станції для локального теплопостачання розглядалась при стандартному температурному (90/70°С) та при зниженому (70/40°С) температурних графіках. Сумарне теплове навантаження на систему теплопостачання прийняте 1,0 МВт, з яких 0,75 МВт – теплове навантаження на систему опалення, 0,25 МВт – на гаряче водопостачання. Для розрахунку втрат тиску у контурі геотермальної циркуляційної системи (ГЦС) були прийняті гідрогеологічні дані по ГЦС теплопостачання с. Медведівка Джанкойського району АР Крим [2]. Температура геотермальної рідини на усті видобувної свердловини становила 64 °С. Кліматичні дані у розрахунках відповідають також даному регіону. Передача геотермальної теплоти теплоносіям систем опалення та гарячого водопостачання відбувається у теплообмінних апаратах, а догрів теплоносія системи опалення при недостатній температурі відповідно до температурного графіка – піковим догрівачем. Саме температура води на усті видобувної свердловини конкретного геотермального родовища, що приймається умовно постійною на протязі розрахункового періоду експлуатації ГЦС, та прийнятий температурний графік визначатимуть теплові потужності кожного джерела теплоти і режими їх включення, виключення та сумісної роботи.

Враховуючи вищенаведене, необхідно оптимізувати рішення стосовно температурного графіка системи геотермального теплопостачання як параметра управління. В якості критерію термодинамічної досконалості паливно-енергетичної станції прийнятий ексергетичний коефіцієнт корисної дії, а економічної ефективності – собівартість теплової енергії, що відпускається споживачеві. Ексергетичний ККД визначався як відношення суми вихідних потоків ексергії, тобто кількості теплової енергії, відпущеної споживачеві на системи опалення та гарячого водопостачання, до суми вхідних потоків ексергії, тобто ексергій геотермального теплоносія, палива, що використовується у піковому догрівачеві, нагнітального насоса ГЦС [3].

За чисельними дослідженнями встановлено, що серед трьох варіантів джерел теплопостачання найбільш термодинаміко досконалою є комбінована паливно-геотермальна енергетична станція з пониженим температурним графіком (рис. 1).

Рис. 1. Залежність ексергетичного ККД паливно-геотермальної енергетичної станції та котельної від температури зовнішнього повітря: 1 – паливно-геотермальна енергетична станція при температурному графіку 90/70 °С; 2 – паливно-геотермальна енергетична станція при температурному графіку 70/40 °С; 3 – котельна.

Для даної станції характерне переважне використання геотермальної енергії для покриття теплових навантажень на систему теплопостачання, більш повна утилізація геотермальної теплоти порівняно з варіантом температурного графіка 90/70°С за рахунок глибшого охолодження геотермального теплоносія. Розрахунками встановлено, що для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 90/70°С включення пікового догрівача необхідне при температурі зовнішнього повітря +2°С, а для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 70/40°С – при -5°С. Відповідно, у першому варіанті частка від річної кількості теплоти, що покривається геотермальною енергією, для потреб системи опалення склала 65,2 %, а у другому варіанті – 99,0% (рис. 2).

Рис. 2. Графіки витрати теплоти: а) для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 90/70 °С; б) для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 70/40 °С (квадратна штриховка – частина теплоти, що виробляється піковим догрівачем; похила штриховка – частина теплоти, що забезпечується геотермальною енергією).

Таким чином, для паливно-геотермальної станції з температурним графіком 70/40°С характерне мінімальне вироблення теплової енергії від пікових догрівачів. Основними експлуатаційними затратами ГЦС є витрати на електроенергію, пов’язані з роботою нагнітального насоса, а котельної – витрати на природний газ. Проведені розрахунки підтверджують меншу собівартість теплової енергії, отриманої від геотермального теплоносія, порівняно з собівартістю теплової енергії, отриманої з органічного палива. Отже, даний варіант паливно-геотермальної станції характеризується меншою собівартістю виробленої тепловою енергії в поєднанні з вищими значеннями ексергетичного ККД системи (рис. 1).

Література:

1. Забарний Г.М. Енрегетичний потенціал нетрадиційних джерел енергії України / Г.М. Забарний, А.В. Шурчков. – К.: IТТФ НАН України, 2002. – 211 с.

2. Долинский А.А. Когенерационная установка на основе геотермальных энергоносителей / А.А. Долинский, А.В. Шурчков, Т.А. Резакова, М.И. Горохов // Промышленная теплотехника. – 2005. – Т. 27. – С. 73 – 78.

3. Бродянский В.М. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / [Бродянский В.М., Верхивкер Г.П., Карчев Я.Я. и др.]: под ред. Долинского А.А., Бродянского В.М. – К.: Наукова Думка, 1991. – 360 с.