h –entalpiaw³aœciwa[J/kg] c –ciep³ow³aœciwe[J/(kgK)] OZNACZENIA *** S£OWAKLUCZOWE STRESZCZENIE OCENAEFEKTYWNOŒCIPRACYELEKTROCIEP£OWNIGEOTERMALNEJZSI£OWNI¥ORC,WSPOMAGANEJZESPO£EMTURBINYGAZOWEJ

(1)

W³adys³aw NOWAK Aleksander A. STACHEL

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Katedra Techniki Cieplnej

70-310 Szczecin, al. Piastów 17 e-mail: andrzej.stachel@zut.edu.pl

Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2011

OCENA EFEKTYWNOŒCI PRACY

ELEKTROCIEP£OWNI GEOTERMALNEJ Z SI£OWNI¥ ORC, WSPOMAGANEJ ZESPO£EM TURBINY GAZOWEJ

STRESZCZENIE

W przypadku elektrowni geotermalnych pracuj¹cych wed³ug tzw. niskotemperaturowego obiegu Clausiusa-Rankine’a spotykane w literaturze informacje dotycz¹ na ogó³ podstawowego rozwi¹zania si³owni obejmuj¹cej podgrzewacz, parowacz (czasami przegrzewacz), turbinê z generatorem, skraplacz i ewentualnie – w zale¿noœci od parametrów wody geotermalnej – wymiennik geotermalny. Brak jest natomiast publikacji ibli¿szych analiz, w których by³yby przedstawione dzia³ania, maj¹ce na celu poprawê efektywnoœci pracy tych instalacji lub ich dostosowanie do okreœlonych warunków geotermalnych. W zwi¹zku z tym, w niniejszej pracy autorzy podali i omówili wyniki badañ analitycznych geotermalnej elektrowni ORC wspó³pracuj¹cej z turbin¹ gazow¹. Rozpatrywana si³ownia, poza wykorzystaniem energii wody geotermalnej, jest dodatkowo zasilana energi¹ spalin doprowadzanych z zespo³u turbiny. Otrzymane wyniki stanowi¹ podstawê sformu³owania oceny proponowanych rozwi¹zañ geotermalnej elektrowni ORC.

S£OWA KLUCZOWE

Energia geotermalna, elektrownia geotermalna, turbina gazowa, wykorzystanie energii spalin

* * *

OZNACZENIA

c – ciep³o w³aœciwe [J/(kgK)]

h – entalpia w³aœciwa [J/kg]

Recenzowa³ prof. dr hab. in¿. W³adys³aw Szaflik

Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 08.06.2011 r., zaakceptowano do druku 12.08.2011 r.

(2)

l – praca jednostkowa obiegu [J/kg]

&m – strumieñ masowy czynnika [kg/s]

N – moc [W]

h – sprawnoœæ [%]

&Q – strumieñ ciep³a [W]

s – entropia w³aœciwa [J/(kgK)]

T – temperatura [K,^oC]

DT– ró¿nica temperatury [K]

&

W – strumieñ pojemnoœci cieplnej [W/K]

x – stopieñ suchoœci pary [–]

Indeksy dolne:

C-R – dotyczy obiegu Clausiusa-Rankine’a d – dotyczy energii doprowadzonej el – dotyczy energii elektrycznej

g – dotyczy wody geotermalnej (energii geotermalnej)

n – dotyczy organicznego czynnika roboczego (niskowrz¹cego) sp – dotyczy spalin

1,2,3,..– dotyczy kolejnych punktów obiegu (kolejnych stanów czynnika)

WPROWADZENIE

W jednej z wczeœniejszych publikacji [3] autorzy omówili wyniki prac pozwalaj¹cych na przeprowadzenie oceny efektywnoœci dzia³ania elektrociep³owni geotermalnej z si³owni¹ ORC wspomagan¹ agregatem cieplno-pr¹dowym. W rezultacie prowadzonych analiz stwier- dzono, ¿e proponowane rozwi¹zanie ma ograniczony zakres stosowania, wynikaj¹cy g³ów- nie z niewielkich mo¿liwoœci podwy¿szenia temperatury wody geotermalnej za pomoc¹ energii odpadowej p³ynu ch³odz¹cego silnik spalinowy agregatu, zw³aszcza w przypadku wysokich temperatur wody geotermalnej. W zwi¹zku z tym w tej pracy za³o¿ono, ¿e woda geotermalna jest dogrzewana do odpowiednio wy¿szej temperatury za pomoc¹ gor¹cych spalin doprowadzanych do uk³adu si³owni z zespo³u turbiny gazowej.

Analizê efektywnoœci pracy proponowanego rozwi¹zania odniesiono do geotermalnej instalacji wydobywczo-zat³aczaj¹cej, dostarczaj¹cej do si³owni ORC wodê geotermaln¹ o temperaturze od 88^oC do 128^oC i strumieniu masowym &m_g = 55kg/s. Z kolei obliczenia si³owni ORC wykonano dla dowolnie wybranych trzech czynników roboczych zaliczanych do grupy pierwszej, czyli do tzw. czynników suchych (toluen, dekan, R113).

(3)

1. OPIS INSTALACJI

Schemat rozpatrywanej instalacji elektrowni geotermalnej wspomaganej turbin¹ gazow¹ jest pokazany na rysunku 1.

Strumieñ &m_g gor¹cej wody o temperaturze T_g1, pozyskiwanej za pomoc¹ otworu wydo- bywczego ze z³o¿a geotermalnego, jest kierowany do zespo³u parowej si³owni ORC, przy czym mo¿liwe jest dodatkowe podwy¿szenie temperatury wody, co realizowane jest w wymienniku ciep³a zasilanym energi¹ spalin doprowadzanych z turbiny. Podgrzana do tem- peratury T_g2 woda geotermalna doprowadzana jest nastêpnie do parowacza, gdzie prze- kazuje zawart¹ w niej energiê (ciep³o) do organicznego czynnika roboczego, powoduj¹c jego odparowanie i jednoczeœnie obni¿aj¹c sw¹ temperaturê do wartoœci T_g3.

W przypadku referencyjnej si³owni ORC, to jest si³owni odniesienia nie po³¹czonej z zespo³em turbiny gazowej, w instalacji nie wystêpuje wymiennik ciep³a „spaliny – woda”, a wydobyta woda geotermalna jest kierowana bezpoœrednio do parowacza (T_g1= T_g2).

Za parowaczem, w obu przypadkach, woda geotermalna dzieli siê na dwa strumienie (wêze³ „A”), z czego strumieñ pierwszy o wielkoœci &m_g1wynikaj¹cej z równoœci strumieni pojemnoœci cieplnych, kierowany jest do wymiennika przeciwpr¹dowego celem wstêpnego podgrzania cieczy organicznego czynnika roboczego. Pozosta³a czêœæ wody (&m_{g 2}) kierowana jest do odbiorników ciep³a w celu wykorzystania zawartej w niej energii, np. na potrzeby grzewcze lub technologiczne. Nastêpnie woda geotermalna, po po³¹czeniu obu strumieni w wêŸle „B”, jest kierowana do otworu zat³aczaj¹cego celem ponownego wpro- wadzenia do z³o¿a geotermalnego.

~

T_sp1

T_sp2 Tg4

Tg3

Tg5

Tn2

T_n3 Tn4

Tn1

Tn5

A

B

Tg2

~

Tg1 T_gz

Sprê¿arka Turbina gazowa Komora spalania

Ujêcie geotermalne + wymiennik ciep³a

spaliny- woda

Skraplacz Parowacz

Podgrzewacz

Turbina + generator

Odbiór ciep³a Zespó³ turbiny gazowej

Si³owniaORC

m

.

g

m

.

sp

m

.

n

m

.

g1

m

.

g2

Rys. 1. Schemat elektrowni geotermalnej wspomaganej turbin¹ gazow¹ Fig. 1. Scheme of geothermal power plant aided by gas turbine

(4)

W analizie przyjêto, ¿e Ÿród³em energii wspomagaj¹cym pracê si³owni jest zespó³ turbiny gazowej firmy Siemens, typ AT-SGT-100, o mocy elektrycznej 5,25 MW i podstawowych parametrach technicznych podanych w tabeli 1 [4].

Ponadto za³o¿ono, ¿e w wyniku przekazywania ciep³a od gor¹cych spalin do wody geotermalnej, nastêpuje wzrost temperatury wody do wartoœci T_g2= T_g1+ 30K, a tempe- ratura spalin obni¿a siê do T_sp2= 250^oC.

Zasadnicz¹ czêœæ elektrowni stanowi jednoobiegowa si³ownia ORC na parê nasycon¹ such¹, obejmuj¹ca: podgrzewacz, parowacz, turbinê napêdzaj¹c¹ generator elektryczny, skraplacz i pompê obiegow¹. Wytworzona w parowaczu para o temperaturzeT_n1kierowana jest do turbiny, gdzie ulega izentropowej ekspansji do ciœnienia panuj¹cego w skraplaczu.

Rozprê¿ona para o temperaturze T_n2przep³ywa do skraplacza, w którym oddaje izobarycznie ciep³o do medium ch³odz¹cego, pocz¹tkowo w procesie sch³adzania, a nastêpnie konden- sacji. Skroplony czynnik o temperaturze T_n3jest przet³aczany za pomoc¹ pompy do pod- grzewacza (T_n4), a nastêpnie do parowacza (T_n5).

Zak³ada siê, ¿e wszystkie procesy realizowane w instalacjiprzez niskowrz¹cy czynnik roboczy przebiegaj¹ w sposób odwracalny i s¹ zgodne z przemianami obiegu porównaw- czego Clausiusa-Rankine’a.

W przypadku przyjêtych do analizy czynników roboczych, tzw. czynników suchych, pokazany narysunku 2 obieg Clausiusa-Rankine’a sk³ada siê z przemian: izobarycznego doprowadzenia ciep³a obejmuj¹cego proces podgrzewania (4–5) i odparowania cieczy roboczej (5–1), izentropowej ekspansji pary czynnika roboczego w turbinie parowej (1–2s), izobarycznego odprowadzania ciep³a z podzia³em na sch³adzanie pary (2s–2) i jej skraplanie (2–3) oraz z izentropowego sprê¿ania kondensatu (3–4).

Punktem wyjœcia do obliczeñ cieplno-przep³ywowych si³owni jest okreœlenie temperatur parowania i skraplania czynnika roboczego. Temperatura parowania zale¿y od temperatury wody geotermalnej i wynika z przyjêtej charakterystyki parowacza. Okreœlenie wartoœci

Tabela 1 Wielkoœci charakterystyczne turbiny gazowej Siemens AT SGT-100 [4]

Table 1 Characteristic parameters of Siemens Gas Turbine, AT SGT-100

Paliwo gaz ziemny / paliwo p³ynne

Sprawnoœæ elektryczna 30,5%

Zu¿ycie ciep³a 11.815 kJ/kWh

Prêdkoœæ obrotowa 17.384 obr/min

Stosunek sprê¿ania 14,6 : 1

Strumieñ i temperatura spalin 20,8 kg/s, 530°C

Moc 5,250 MW

(5)

temperatury parowania pozwala wyznaczyæ odpowiadaj¹c¹ jej wartoœæ ciœnienia nasycenia danego czynnika roboczego.

Z kolei temperatura kondensacji wynika z temperatury cieczy ch³odz¹cej skraplacz oraz z za³o¿onej ró¿nicy pomiêdzy temperatur¹ skraplania i temperatur¹ cieczy ch³odz¹cej.

W pracy przyjêto temperaturê skraplania równ¹ 30^oC. Znajomoœæ temperatury skraplania pozwala okreœliæ wartoœæ ciœnienia nasycenia czynnika roboczego w kondensatorze.

Kaloryczne parametry stanu czynnika roboczego w punktach charakterystycznych obiegu Clausiusa-Rankine’a wyznaczono korzystaj¹c ze specjalizowanego programu REFFROP [2], zachowuj¹c nastêpuj¹cy tok postêpowania (rys.2):

– entalpiê w³aœciw¹ h_n1 i entropiê w³aœciw¹ s_n1 okreœlono na podstawie ciœnienia parowania, dla pary nasyconej suchej o stopniu suchoœci x-1,

– entalpiê w³aœciw¹ h_{n s}₂ wyznaczono na podstawie znajomoœci entropii s_n1 i ciœnienia skraplania, uwzglêdniaj¹c izentropow¹ ekspansjê 1-2s, z której wynika, ¿e s_{n s}₂ =s_n₁, – entalpiê w³aœciw¹ h_n2okreœlono na podstawie ciœnienia skraplania pary nasyconej suchej

o stopniu suchoœci x=1,

– entalpiê w³aœciw¹ h_n3 przyjêto na podstawie ciœnienia skraplania dla cieczy na linii granicznej x= 0,

– entalpiê w³aœciw¹ h_n5 okreœlono na podstawie ciœnienia parowania cieczy dla stanu ciek³ego na linii nasycenia x= 0.

2. PODSTAWOWE WZORY I METODYKA OBLICZEÑ

Podstawowymi zale¿noœciami wykorzystanymi w obliczeniach s¹ równania bilansu energii poszczególnych urz¹dzeñ (wymienników ciep³a) i wêz³ów cieplnych, które podano poni¿ej w odniesieniu do instalacji przedstawionej na rysunku 1.

Punktem wyjœcia do obliczeñ s¹ parametry wody geotermalnej, to jest jej strumieñ masowy (&m_g = 55 kg/s) i temperatura (odpowiednio: T_g1= 88, 98, 108, 118 i 128^oC).

s

X=0 X=1

T

1

3 2s 4

5

Tk

2

Rys. 2. Cykl przemian obiegu C-R dla tzw. czynników niskowrz¹cych suchych, realizowany w obszarze pary przegrzanej

Fig. 2. Clausius-Rankine cycle for low-boiling point dry fluids realised in the superheated steam region

(6)

Na podstawie równania bilansu energii dla wymiennika ciep³a: spaliny–woda:

& & ( ) & ( )

Q_sp =m c_{sp sp} T_sp1-T_sp2 =m c_{g g} T_g2 -T_g1 (1)

mo¿na, po odpowiednich przekszta³ceniach, wyznaczyæ temperaturê T_g2wody geotermalnej dogrzanej strumieniem gor¹cych spalin, dop³ywaj¹cej do parowacza si³owni ORC:

T T m c T T

g g m c

sp sp sp sp g g

2 1

1 2

= + & ( - )

&

(2)

Równanie bilansu energii parowaczaopisuje zale¿noœæ:

& & ( ) & ( )

Q_par =m c_{g g} T_g2-T_g3 =m c_{n n} T_n1-T_n5 (3)

na podstawie której mo¿na wyznaczyæ wielkoœæ strumienia niskotemperaturowego czynnika roboczego kr¹¿¹cego w obiegu si³owni ORC:

& & ( )

( )

m m c T T c T T

n

g g g g

n n n

= -

-

2 3

1 5

(4)

Przyjête w analizie pole temperatury wody geotermalnej oraz pole temperatury czynnika roboczego w parowaczu s¹ pokazane na rysunku 3a.

Z kolei bilans energii podgrzewacza czynnika roboczego jest okreœlony równaniem:

& & ( ) & ( )

Q_pod =m c_g1 _g T_g3-T_g4 =m c_{n n} T_n5-T_n4 (5)

St¹d, strumieñ masowy wody kierowanej do podgrzewacza okreœlony jest zale¿noœci¹:

& & ( )

( )

m m c T T

c T T

g n n n n

g g g

1 5 4

3 4

= -

-

(6)

Podgrzewanie czynnika roboczego w zakresie temperatury od T_n4 do T_n5 jest realizowane w wymienniku przeciwpr¹dowym, przy za³o¿eniu, ¿e strumienie pojemnoœci cieplnych obu czynników s¹ sobie równe, tzn.¿e &W_g₁ =W&_n =m c&_g₁ _g =m c&_{n n}(rys. 3b).

Równanie bilansu energii odbiorników ciep³a (na cele grzewcze lub technologiczne):

& & ( )

Q_o =m_g₂c_g T_g₃ -T_g₅ (7)

gdzie:

T_g5– temperatura wody za odbiornikami ciep³a.

(7)

Temperaturê wody T_gzna dop³ywie do otworu zat³aczaj¹cego mo¿na okreœliæ na podstawie zale¿noœci otrzymanej z przekszta³conego równania bilansu energii dla wêz³a „A”:

T m T m T

gz m

g g g g

g

= & + &

&

1 4 2 5 (8)

gdzie:

T_g4iT_g5 – temperatura wody powracaj¹cej, odpowiednio, z podgrzewacza czynnika roboczego i z odbiorników ciep³a.

Wyznaczenie poszczególnych wielkoœci temperatur, entalpii oraz strumieni czynników w obiegu si³owni pozwala okreœliæ:

– sprawnoœæ obiegu Clausiusa-Rankine’a:

h_{C R} ^{C R}

d

C R n

n n s

n n

l q

h h h h

- - -

-

= = = -

4 1 -

1 2

1 4

(9)

– moc obiegu Clausiusa-Rankinea:

N_{C R}_- =m l&_{n C R}_- lub N_{C R}_- =h_{C R}_- m& (_n h_n₁-h_n₄) (10)

– moc elektryczn¹ niskotemperaturowej si³owni ORC:

N_{el ORC}_- _. =h h h_i _m _gN_{C R}_- (11)

gdzie:

h h h_i, _m, _g – odpowiednio sprawnoœci: wewnêtrzna i mechaniczna turbiny oraz sprawnoœæ generatora [5].

A

T_g3

T_n5

Tg4

DTpinch=5K T_n4 Tn5

A

Tg2

Tn1

T_g3 DT=15K

DTs=10K DTpinch=5K

T T

Rys. 3. Pole temperatur noœników ciep³a: a – w parowaczu; b – w podgrzewaczu cieczy roboczej Fig. 3. Thermal field of heat carriers: a – in evaporator, b – in preheater of working fluid

(8)

St¹d sumaryczna moc elektryczna zespo³u turbiny gazowej i si³owni ORC:

N_S =N_{el ORC}_- +N_{el TG}_- (12)

3. WYNIKI OBLICZEÑ

Wykorzystuj¹c ogólny tok postêpowania podany w punkcie 3, dla wybranych niskowrz¹cych czynników roboczych oraz za³o¿onych wartoœci temperatury wody geotermalnej, przeprowadzono obliczenia efektywnoœci pracy rozpatrywanej si³owni ORC, zasilanej wod¹ geotermaln¹ i wspomaganej energi¹ spalin doprowadzanych z turbiny gazowej. W celach porównawczych analogiczne obliczenia wykonano dla si³owni referencyjnej zasilanej wy-

³¹cznie energi¹ pozyskiwan¹ z wody geotermalnej. Uzyskane wyniki pos³u¿y³y jako materia³ porównawczy do przeprowadzenia analizy efektywnoœci pracy rozpatrywanych wariantów elektrowni geotermalnej. Niektóre przyk³adowe wyniki obliczeñ przedstawiono graficznie na kolejnych wykresach.

Na rysunku 4 pokazano zale¿noœæ sprawnoœci obiegu Clausiusa-Rankine’a si³owni ORC wspomaganej turbin¹ gazow¹ w funkcji temperatury wody geotermalnej (T_g1= 88 – 128^oC) i w odniesieniu do wybranych czynników roboczych (toluen, R113, dekan).

Z kolei na rysunku 5 pokazana jest zale¿noœæ mocy obieguN_C-Rod temperatury wody geotermalnej T_g1, okreœlonej dla wybranych czynników roboczych i przy zastosowaniu wspomagania si³owni energi¹ odpadow¹ z turbiny gazowej.

0 5 10 15 20 25

88 98 108 118 128

Temperatura wody geotermalnej [^oC]

SprawnoœæobieguC-R[%]

Toluen R113 dekan

Rys. 4. Wykres sprawnoœci obiegu C-R si³owni wspomaganej turbin¹ gazow¹, dla wybranych czynników roboczych i ró¿nych temperatur wody geotermalnej T_g1

Fig. 4. C-R cycle efficiency diagram for plant cooperating with gas turbine for chosen working media and for different temperatures of geothermal water

(9)

Natomiast na rysunku 6 porównano wartoœci uzyskiwanej mocy elektrycznej w si³owni ORC w funkcji temperatury wody geotermalnej i rodzaju czynnika roboczego, tak¿e dla przypadku zastosowania wspomagania instalacji si³owni turbin¹ gazow¹.

0 200 400 600 800 1000 1200

88 98 108 118 128

MocobieguC-R[kW]

Toluen R113 Dekan

Rys. 5. Zale¿noœæ mocy obiegu C-R si³owni wspomaganej turbin¹ gazow¹, dla wybranych czynników roboczych i ró¿nych temperatur wody geotermalnej T_g1

Fig. 5. C-R cycle power for plant cooperating with gas turbine for chosen working media and for different temperatures of geothermal water

0 100 200 300 400 500 600 700 800

88 98 108 118 128

Mocelektrycznasi³owniORCNel[kW]

Toluen R113 Dekan

Rys. 6. Zale¿noœæ mocy elektrycznej si³owni ORC wspomaganej turbin¹ gazow¹, dla wybranych czynników roboczych i ró¿nych temperatur wody geotermalnej T_g1

Fig. 6. Electric power o ORC plant cooperating with gas turbine for chosen working media and for different temperatures of geothermal water

(10)

Na rysunku 7 zestawiono wykres zbiorczy mocy analizowanej niskotemperaturowej si³owni ORC i wspó³pracuj¹cej z ni¹ turbiny gazowej, a mianowicie: moc obiegu C-R i moc elektryczn¹ si³owni oraz moc elektryczn¹ turbiny gazowej i moc elektryczn¹ ³¹czn¹ zespo³u turbina + si³ownia ORC. Wykres dotyczy czynnika R113 i pokazuje zmiennoœci mocy w funkcji temperatury wody geotermalnej.

WNIOSKI

Szczegó³owa analiza rozpatrywanych wariantów instalacji pozwala stwierdziæ, ¿e w przypadku referencyjnej si³owni jednoobiegowej, pracuj¹cej bez wykorzystania energii spalin z turbiny gazowej, najwiêksz¹ sprawnoœæ uzyskano dla stosowanego jako czynnik roboczy toluenu (w zale¿noœci od temperatury T_g1 – sprawnoœæ od 11,45 do 18,61%), natomiast najmniejsz¹ dla dekanu (10,92–17,04%). Z kolei analizuj¹c uzyskiwane moce, najwiêksz¹ wartoœæ osi¹gniêto w przypadku u¿ycia czynnika R113 (330,1–671,6 kW, w zale¿noœci od temperatury wody geotermalnej), a najmniejsz¹ w przypadku toluenu (od 316,6 do 611,9 kW). Analogicznie, co jest logicznym nastêpstwem, najwiêksz¹ moc elektryczn¹ uzyskano równie¿ dla czynnika R113 (228,1–464,0 kW), zaœ najmniejsz¹ dla toluenu (218,8–422,8 kW). Nale¿y zaznaczyæ, ¿e zarówno sprawnoœæ, jak i moc obiegu oraz moc elektryczna, rosn¹ ze wzrostem temperatury wody geotermalnej doprowadzanej do parowacza si³owni ORC. Ponadto nale¿y podkreœliæ, ¿e podane powy¿ej wartoœci odnosz¹ siê wy³¹cznie do wybranych do analizy czynników roboczych.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

88 98 108 118 128

Temperatura wody geotermalnej [oC]

Moc[kW]

NC-R Nel ORC Nel ORC+TG Nel TG

Rys. 7. Wykres zbiorczy mocy niskotemperaturowej si³owni ORC i wspó³pracuj¹cej z ni¹ turbiny gazowej w funkcji temperatury wody geotermalnej (dla czynnika R113)

Fig. 7. Cumulative diagram of power for low temperature ORC power plant cooperating with gas turbine as a function of geothermal water temperature (for R113)

(11)

W przypadku, gdy instalacja jest wspó³zasilana energi¹ spalin doprowadzanych z turbiny gazowej, sprawnoœæ i moc obiegu (tak¿e elektryczna) wzrastaj¹. Przyk³adowo, spraw- noœæ elektrowni przy zastosowaniu toluenu jako czynnika roboczego osi¹gnê³a wartoœci z przedzia³u od 17,05 do 22,54% (w zale¿noœci od temperatury wody geotermalnej) i by³a wiêksza od uzyskiwanej w si³owni bez wspomagania (sprawnoœæ od 11,45 do 18,61%).

Podobnie wzros³a moc obiegu (zakres od 580,6 do 992,5 kW) i moc elektryczna (zakres od 401,2 do 685,8 kW) osi¹gaj¹c najwiêksze wartoœci równie¿ dla czynnika R113 (dla si³owni bez zasilania spalinami – odpowiednio: N_CR= 330,1–671,6 kW; N_el= 228,1–464,0 kW).

Widoczny jest tak¿e wzrost mocy elektrycznej (ca³kowitej) zespo³u: turbina gazowa – si³ownia ORC. Najwiêksza ca³kowita moc elektryczna zosta³a uzyskana dla czynnika R113 – przedzia³ wartoœci od 5651,2 do 5935,8 kW; najmniejsza dla toluenu – przedzia³ od 5619,5 do 5837,6 kW).

Na podstawie szczegó³owej analizy wyników obliczeñ mo¿na tak¿e stwierdziæ, ¿e zarówno sprawnoœæ, jak i moc obiegu, zale¿¹ od rodzaju u¿ytego czynnika roboczego.

Wœród analizowanych substancji roboczych, najwiêksze wartoœci mocy uzyskano dla czynnika R113. Nale¿y jednak zaznaczyæ, ¿e wp³yw rodzaju czynnika roboczego jest doœæ ograniczony w przypadku instalacji pracuj¹cych w okreœlonym zakresie temperatur parowania i skraplania.

W sytuacji, gdy geotermalna si³ownia parowa jest dodatkowo zasilana energi¹ dopro- wadzan¹ ze Ÿród³a zewnêtrznego, np. z turbiny gazowej, mo¿liwe jest podwy¿szenie w pew- nych granicach temperatury wody geotermalnej (zasilaj¹cej), co wp³ywa na podwy¿szenie temperatury odparowania czynnika roboczego, i co w efekcie korzystnie wp³ywa na spraw- noœæ i na moc obiegu C-R.

Jednak uzyskane efekty wzrostu wielkoœci mocy s¹ dyskusyjne, zw³aszcza w przypadku mo¿liwoœci innego wykorzystania energii ze Ÿród³a wspomagaj¹cego.Wynika to st¹d, ¿e wzrost mocy obiegu C-R odbywa siê najczêœciej kosztem dodatkowej energii doprowadzanej z zewnêtrz, która czêsto mo¿e byæ u¿yta do innych celów, np. grzewczych. W takich przypadkach nale¿y przeprowadziæ wnikliw¹ ocenê celowoœci i op³acalnoœci wykorzystania energii odpadowej w si³owni ORC. Poprawê efektywnoœci pracy geotermalnej si³owni parowej mo¿na uzyskaæ tylko wtedy, je¿eli si³ownia ta jest zasilana ze Ÿród³a zewnêtrznego, np. z innej instalacji wytwarzaj¹cej w skojarzeniu energiê elektryczn¹ i ciep³o, gdy ciep³o to nie znajduje innego zastosowania praktycznego.

Praca realizowana w ramach projektu badawczego MNiSzW nr N N513 419334.

LITERATURA

BOYARSKI M. Yu, NIKOLSKI A.I., SAPOZHNIKOV M.B., SHIPKOV A.A., 2003 — Comparative per- formance of working fluids in low-temperature vapor-turbine cycle. CD Proceedings of International Geothermal Workshop, Sochi, Russia.

(12)

National Institute of Standards and Technology, 2002. Standard Reference Database, Reference Fluid Thermo- dynamic and Transport Properties - Refprop 7.0, US.

NOWAK W., STACHEL A.A., BORSUKIEWICZ-GOZDUR A., 2006 –— Assessment of effectiveness of operation of geothermal power plant with evaporators supplied in series and external supply of heat. XV Scientific Conference Aplikacia Experimentalnych a Numerickych Metod v Mechanike Tekutin, Streèno, 26–28.04.2006. Mat. konferencyjne, str. 55–62.

Turbiny gazowe.Materia³y informacyjne i reklamowe firmy Siemens. 2010 r.

SZARGUT J., 2000 — Termodynamika. PWN, Warszawa.

ASSESSMENT OF EFFECTIVENESS OF OPERATION

OF GEOTHERMAL ORC POWER PLANT, CO-SUPPLIED EXHAUST ENERGY FROM GAS TURBINE

Abstract

Presented in literature results of investigations regard usually assessment of basic design of geothermal power plant consisting of a pre-heater, evaporator, super-heater, turbine driving the electricity generator, condenser and, in accordance to the properties of geothermal water, a geothermal heat exchanger. There is a lack however of analysis regarding installation where actions to improve the effectiveness of operation have been applied.

In this paper presented have been results of analysis and assessment of geothermal power plant cooperating with gas turbine. The ORC power plant is supplying heat from additional external source, that is from gas turbine.

Such type of power station consists of cycle operating using low-boiling point fluids. Obtained results form basis for assessment and formulation of final conclusions with respect to suggested solutions of geothermal power plant.

Key words

Geothermal energy, geothermal power plant, gas turbine, exhaust energy utilization