Roksana MAZUREK
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Katedra Techniki Cieplnej al. Piastów 19, 70-310 Szczecin
(091) 4494272, e-mail: rmazurek@zut.edu.pl Pall VALDIMARSSON
Uniwersytet Islandii, Wydzia³ Organizacji Przemys³u, In¿ynierii Mechanicznej i Informatyki,
Reykjavik, e-mail: pallv@hi.is
Technika Poszukiwañ Geologicznych Geotermia, Zrównowa¿ony Rozwój nr 1–2/2011
WP£YW TEMPERATURY WODY GEOTERMALNEJ O NISKIEJ I ŒREDNIEJ ENTALPII NA PRACÊ ELEKTROWNI Z OBIEGIEM KALINY
W WARUNKACH POLSKICH
STRESZCZENIE
W pracy rozpatrzono mo¿liwoœæ wykorzystania wody geotermalnej o parametrach dostêpnych na terenie Polski, jako Ÿród³a ciep³a do zasilania elektrowni z obiegiem Kaliny, w którym jako czynnik roboczy jest stosowana mieszanina amoniaku z wod¹. Analiza dotyczy³a pracy obiegu Kaliny zasilanego wod¹ geotermaln¹ na terenie Stargardu Szczeciñskiego i Uniejowa. W celu uzyskania podstawowych parametrów pracy instalacji (mocy turbiny, mocy netto, sprawnoœci obiegu) wykonano obliczenia cieplno-przep³ywowe dla udzia³u procentowego amoniaku w mieszaninie: 70 i 82%.
Referat zawiera opis pracy instalacji, za³o¿enia przyjête do analizy oraz wyniki, analizê obliczeñ i wnioski koñcowe.
S£OWA KLUCZOWE
Obieg Kaliny, mieszanina amoniak-woda, elektrownia geotermalna
* * *
Recenzowa³ prof. dr hab. in¿. Jan Krupiñski
Artyku³ wp³yn¹³ do Redakcji 03.05.2011 r., zaakceptowano do druku 14.06.2011 r.
WPROWADZENIE
Obieg Kaliny zosta³ wynaleziony przez rosyjskiego in¿yniera Aleksandra Kalinê w 1967 roku i po raz pierwszy zaprezentowany w Paratunce na Kamczatce, w Rosji, a nastêpnie kompleksowo przetestowany w latach osiemdziesi¹tych w Stanach Zjednoczonych. Od tam- tej pory technologia Kaliny jest stale w fazie rozwoju, a jej wprowadzanie na œwiatowy rynek energii stopniowo przyspieszane.
Na œwiecie istnieje tylko kilka instalacji bazuj¹cych na obiegu Kaliny: dwie w Japonii (Fukuoka city, Sumitomo city), jedna na Islandii (w Husaviku ), w USA (Canoga Park) i w Niemczech (Unterhaching).
Na chwilê obecn¹, w polskich warunkach, mo¿liwoœæ budowy elektrowni opartej na zastosowaniu technologii Kaliny jest stosunkowo nowym zagadnieniem, jednak¿e instalacje tego typu mog¹ stanowiæ w kraju interesuj¹c¹ alternatywê dla wysokoemisyjnych i coraz mniej wydajnych technologii wêglowych.
1. SYSTEMY Z CZYNNIKIEM POŒREDNIM
Wykorzystanie wody geotermalnej o niskiej i œredniej entalpii jako Ÿród³a ciep³a do produkcji energii elektrycznej jest mo¿liwe poprzez zastosowanie systemów z czynnikiem poœrednim, w których czynnikami roboczymi s¹ p³yny, maj¹ce przy ciœnieniu wy¿szym od otoczenia ni¿sz¹ temperaturê wrzenia ni¿ woda. W uk³adach tego typu czynniki robocze pracuj¹ wed³ug obiegu Clausiusa-Rankine’a (ORC), gdy s¹ to p³yny organiczne, lub wed³ug obiegu Kaliny, w którym jako medium robocze jest u¿ywana mieszanina dwóch p³ynów nieorganicznych – amoniaku z wod¹.
Uk³ady z obiegiem Clausiusa-Rankine’a, których przyk³adowy schemat zosta³ przed- stawiony na rysunku 1, s¹ u¿ywane w przypadku, gdy temperatura wody geotermalnej nie przekracza 150oC (jest w zakresie 85–150oC). W rozwi¹zaniach tych, woda geotermalna (punkt s1) przep³ywaj¹c przez wymiennik ciep³a, przekazuje w nim strumieñ ciep³a do podgrzania i odparowania czynnika (przyk³adowo: izobutanu, propanu, toluenu) o ni¿szej ni¿
woda temperaturze wrzenia. Uzyskana w wymienniku para p³ynu roboczego (punkt 3) jest kierowana do turbiny (punkt 4), a po ekspansji do skraplacza (punkt 5). Uzyskany w skrap- laczu kondensat (punkt 6) przep³ywa nastêpnie do wymiennika ciep³a (punkt 2) celem ponownego podgrzania i odparowania.
Odmian¹ technologii bazuj¹cej na obiegu Clausiusa-Rankine’a jest obieg Kaliny z do- danym cz³onem destylacyjnym i absorpcyjnym oraz z mieszanin¹ amoniakalno-wodn¹ jako czynnikiem roboczym.
Wykorzystanie uk³adów z czynnikiem poœrednim do produkcji energii elektrycznej jest mo¿liwe w Polsce, z uwagi na mo¿liwoœæ ich pracy przy stosunkowo niskich temperaturach Ÿród³a ciep³a. Szereg opracowañ dostêpnych w literaturze, zwi¹zane jest z mo¿liwoœci¹ wykorzystania na terenie Polski organicznego obiegu Clausiusa-Rankine’a do produkcji
energii elektrycznej, natomiast nadal ma³o jest opracowañ dotycz¹cych mo¿liwoœci zasto- sowania mieszaniny amoniak–woda jako medium roboczego, dlatego praca zosta³a za- wê¿ona do obiegu Kaliny.
2. OBIEG KALINY
ród³em ciep³a dla obiegu Kaliny – podobnie jak w przypadku obiegu organicznego Clausiusa-Rankine’a – mo¿e byæ zarówno woda geotermalna, energia s³oneczna, jak i od- padowy noœnik ciep³a (gazy odlotowe turbiny gazowej, gazy poprocesowe z produkcji stali, cementu, ciep³o ze spalania biomasy lub odpadów miejskich). Z regu³y temperatura Ÿród³a ciep³a nie przekracza 200oC.
W obiegu Kaliny, który mo¿e mieæ wiele modyfikacji – jedn¹ z nich pokazano na rysunku 2 – niskotemperaturowy noœnik ciep³a (o temperaturze Tg1) oddaje w wymienniku (parowaczu, w tym przypadku w geotermalnym wymienniku ciep³a – GHE) ciep³o do pod- grzania i odparowania (T2) czynnika roboczego – mieszaniny amoniak-woda (NH3H2O).
Nastêpnie w separatorze nastêpuje oddzielenie pary czynnika roboczego od jego fazy ciek³ej.
Para nasycona mieszaniny amoniak-woda (o temperaturze T3) zawieraj¹ca najczêœciej 95%
amoniaku (95% NH3) jest kierowana do turbiny parowej napêdzaj¹cej generator, zaœ faza p³ynna (o temperaturze T5) mieszaniny z dolnej czêœci separatora przep³ywa przez wyso- kociœnieniowy regenerator (HT) i nastêpnie jest mieszana z par¹ na wylocie z turbiny (punkt A) i kierowana do niskociœnieniowego regeneratora (LT) w celu dalszego obni¿enia tem- peratury (od temperatury T7do T8) i dalej do skraplacza. Otrzymany w skraplaczu kondensat mieszaniny amoniakalno-wodnej (o temperaturze T9) przep³ywa nastêpnie kolejno przez nisko- (LT) i wysokociœnieniowy regenerator (HT), gdzie jest podgrzewana (w regeneratorze:
niskociœnieniowym-LT od temperatury T10do T11, wysokociœnieniowym-HT od T11do T1) Rys. 1. Schemat uk³adu systemu z czynnikiem poœrednim [8]
Fig. 1. Scheme of arrengement of binary geothermal power plant
i st¹d kierowana do wymiennika ciep³a (GHE) celem ponownego odparowania. Oprócz opisanego wy¿ej i przedstawionego na rysunku 2 uk³adu obiegu Kaliny, s¹ stosowane równie¿ inne jego modyfikacje.
W odró¿nieniu od standardowego obiegu ORC, obieg Kaliny charakteryzuje siê spraw- noœci¹ wy¿sz¹ nawet (zgodnie z szacowaniami) o 50%, co jest wynikiem zwiêkszenia temperatury mieszaniny podczas jej wrzenia i st¹d zmniejszenia ró¿nicy temperatur pomiêdzy p³ynami wymieniaj¹cymi ciep³o w wymienniku (zmniejszenia wp³ywu pinch point). Tem- peratura mieszaniny amoniak-woda opuszczaj¹cej wymiennik ciep³a po odparowaniu jest prawie taka sama jak temperatura Ÿród³a ciep³a, co umo¿liwia redukcjê nieodwracalnoœci procesu oraz poprawê sprawnoœci wymiennika ciep³a. Obieg Kaliny ma dodatkowo wiele zalet odró¿niaj¹cych go od si³owni parowej z obiegiem organicznym Clausiusa-Rankine’a:
– odparowanie i kondensacja s¹ prowadzone przy zmiennej temperaturze, – czynnik roboczy jest mieszanin¹ dwusk³adnikow¹: amoniaku i wody, – sk³ad mieszanki podczas cyklu mo¿e byæ zmienny.
Efektywnoœæ pracy elektrowni geotermalnej z obiegiem Kaliny zale¿y g³ównie od temperatury Ÿród³a ciep³a, temperatury skraplania mieszaniny amoniakalno-wodnej oraz od procentowego udzia³u amoniaku w mieszaninie. W celu przeprowadzenia analizy efektyw- noœci tego typu elektrowni wykonano obliczenia cieplno-przep³ywowe, w wyniku których otrzymano podstawowe parametry pracy instalacji: sprawnoœæ termiczn¹, moc netto, moc turbogeneratora przy za³o¿eniu dostêpnych w Polsce temperatur wody geotermalnej.
Rys. 2. Przyk³ad elektrowni geotermalnej z obiegiem Kaliny Fig. 2. An example of geothermal power plant with Kalina cycle
3. ZA£O¯ENIA DO ANALIZY
Analiza efektywnoœci pracy elektrowni z obiegiem Kaliny zosta³a wykonana przy za-
³o¿eniu ró¿nych temperatur wody geotermalnej w z³o¿u: Tg= 87oC (w Stargardzie Szcze- ciñskim) i 70oC ( w Uniejowie), temperatury skraplania medium roboczego równej Tskr= 20oC i 30oC, procentowego udzia³u amoniaku w mieszaninie: xm= 82% i 70%. Obliczenia wykonano dla zakresu ciœnieñ roboczych mieszanki: 15–25 bar dla warunków geotermalnych dostêpnych w Stargardzie (Tg= 87oC) oraz dla zakresu ciœnieñ 15–18 bar dla warunków geotermalnych w Uniejowie (Tg= 70oC).
4. WYNIKI I ANALIZA OBLICZEÑ
Na poni¿szych rysunkach 3–6 przedstawiono wyniki obliczeñ mocy netto (Wnet), spraw- noœci (sprawnoœæ) i mocy turbiny (Wturb) obiegu Kaliny dla zawartoœci amoniaku w mie- szaninie: xm= 0,7 i 0,82 dla temperatury wody geotermalnej w Stargardzie (na wyp³ywie z otworu produkcyjnego – 87oC) i Uniejowie (70oC).
Z rysunków 3 i 4 wynika, ¿e dla analizowanego zakresu ciœnieñ i wartoœci temperatury skraplania czynnika roboczego, wiêksz¹ moc netto (Wnet) i sprawnoœæ obiegu uzyskuje siê Rys. 3. Wykres zale¿noœci mocy netto (Wnet) i sprawnoœci (sprawnoœæ) obiegu Kaliny w funkcji ciœnienia mieszaniny amoniak-woda (ciœnienie mieszaniny – P wyra¿one w barach) (dla temperatury skraplania mieszaniny Tskr= 20°C) dla warunków geotermalnych w Stargardzie Szczeciñskim
Fig. 3. Graph of the relation of the net power (Wnet) and of efficiency (sprawnosc) of Kalina cycle in the function of the pressure of ammonia-water mixture (pressure of mixture – P expressed in bars) (for the temperature of mixture liquefying Tskr= 20°C) for geothermal conditions in Stargard
Rys. 4. Wykres zale¿noœci mocy netto (Wnet) i sprawnoœci (sprawnoœæ) obiegu Kaliny w funkcji ciœnienia mieszaniny amoniak-woda (ciœnienie mieszaniny – P wyra¿one w barach) dla temperatury skraplania mieszaniny Tskr= 30°C) dla warunków geotermalnych w Stargardzie Szczeciñskim
Fig. 4. Graph of the relation of the power net (Wnet) and of efficiency (sprawnosc) of Kalina cycle in the function of the pressure of ammonia-water mixture (pressure of mixture – P expresed in bars) (for the temperature of mixture liquefying Tskr= 30°C) for geothermal conditions in Stargard
Rys. 5. Moc turbiny parowej (Wturb) w funkcji strumienia pary mieszaniny amoniak-woda (mm;vap) na dop³ywie do turbiny, dla Stargardu Szczeciñskiego
Fig. 5. Power of the steam turbine (Wturb) in the function of steam jet of ammonia-water mixture (mm;vap) on the inflow to the turbine, for Stargard Szczeciñski
przy zawartoœci amoniaku 82% , przy czym znaczny wp³yw na obie wielkoœci ma temperatura skraplania czynnika roboczego oraz ciœnienie mieszaniny na dop³ywie do wymiennika ciep³a.
Sprawnoœæ obiegu Kaliny przy zawartoœci amoniaku 82% roœnie wraz ze wzrostem ciœnienia roboczego mieszaniny, zaœ przy zawartoœci amoniaku 70% pocz¹tkowo wzrasta, osi¹gaj¹c maksimum przy optymalnej wartoœci ciœnienia, a nastêpnie wyraŸnie maleje wraz ze wzrostem ciœnienia mieszanki.
Jak wynika z rysunku 5 w badanym zakresie ciœnieñ roboczych (15–25 bar dla Stargardu Szczeciñskiego) czynnika obiegowego (mieszaniny amoniakalno-wodnej), wiêksze wartoœci mocy turbiny (Wturb) uzyskuje siê dla zawartoœci amoniaku 82%.
Obni¿enie temperatury wody geotermalnej wp³ywa na spadek sprawnoœci oraz mocy netto (Wnet) i mocy turbiny (Wturb) obiegu Kaliny (rys. 7–9). W badanym zakresie ciœnieñ medium roboczego (15–18 bar dla Uniejowa) uzyskane parametry pracy instalacji, podobnie jak w poprzednim przypadku, s¹ wiêksze dla zawartoœci amoniaku w mieszaninie rów- nej 82%.
Rys. 6. Wykres zale¿noœci mocy netto (Wnet) i sprawnoœci (sprawnoœæ) obiegu Kaliny w funkcji ciœnienia mieszaniny amoniak-woda (dla temperatury skraplania czynnika roboczego Tskr= 20oC) dla warunków geotermalnych w Uniejowie
Fig. 6. Graph of the relation of the net powet (Wnet) and of efficiency (sprawnosc) of Kalina cycle in the function of the pressure of ammonia-water mixture (for the temperature of liquefying working substance Tskr= 20°C) for geothermal conditions in Uniejów
Rys. 7. Wykres zale¿noœci mocy netto (Wnet) i sprawnoœci (sprawnoœæ) obiegu Kaliny w funkcji ciœnienia mieszaniny amoniak-woda (dla temperatury skraplania czynnika roboczego Tskr= 30°C) dla warunków geotermalnych w Uniejowie
Fig. 7. Graph of the relation of the net power (Wnet) and of efficiency (sprawnosc) of Kalina cycle in the function of the pressure of ammonia-water mixture (for the teperature of liquefying working substance Tskr= 30°C) for geothermal conditions in Uniejów
Rys. 8. Moc turbiny parowej (Wturb) w funkcji strumienia pary mieszaniny amoniak-woda (mm;vap) na dop³ywie do turbiny, dla Uniejowa
Fig. 8. Power of steam turbine (Wturb) in the function of the steam jet of ammonia-water mixture (mm;vap) on the inflow to the turbine, for Uniejów
WNIOSKI
Analiza mo¿liwoœci wykorzystania niskotemperaturowego Ÿród³a ciep³a geotermalnego do produkcji energii elektrycznej w warunkach polskich wykaza³a, ¿e:
– istnieje mo¿liwoœæ przetwarzania na energiê elektryczn¹ energii wód geotermalnych o œredniej i niskiej entalpii, dostêpnych na terenie Stargardu i Uniejowa, przy zastoso- waniu obiegu Kaliny, w którym kr¹¿y medium robocze o ciœnieniu roboczym miesz- cz¹cym siê w analizowanych zakresach ciœnieñ,
– wykorzystanie energii niskotemperaturowych wód geotermalnych powoduje, i¿ otrzyma- ne wielkoœci mocy turbiny: dla Stargardu, najwiêksze 1900 kW (przy temperaturze skraplania czynnika Tskr = 20oC) oraz 1190 kW (przy Tskr= 30oC) oraz dla Uniejowa odpowiednio: 750 kW i 30 kW nie s¹ zbyt wysokie, jednak mog¹ byæ wystarczaj¹ce do zasilania, przyk³adowo osiedli, instytucji publicznych,
– w celu poprawy parametrów wód geotermalnych bêd¹cych Ÿród³em ciep³a dla obiegu Kaliny, mo¿liwe jest dodatkowe wykorzystanie energii biomasy lub innych noœników ciep³a, jak przyk³adowo: gazów poprocesowych, gor¹cych wód technologicznych, spalin, ciep³a wytworzonego w procesach przemys³owych (pochodz¹cego z produkcji stali, cementu),
Rys. 9. Moc turbiny parowej (Wturb) w funkcji strumienia pary mieszaniny amoniak-woda (mm;vap) na dop³ywie do turbiny, dla Uniejowa
Fig. 9. Power of the steam turbine (Wturb) in the function of the steam jet of ammonia-water mixture (mm;vap) on the inflow the turbine, for Uniejów
– przy wykorzystaniu dostêpnych temperatur wody geotermalnej, obieg Kaliny mo¿e byæ stosowany w Polsce w ró¿nych ga³êziach przemys³u,
– zwiêkszenie sprawnoœci odbioru energii ze Ÿróde³ geotermalnych i tym samym spraw- noœci oraz mocy netto si³owni (Wnet) z obiegiem Kaliny, umo¿liwia nieizotermiczny przebieg procesu parowania i kondensacji mieszaniny amoniakalno-wodnej.
LITERATURA
HENRY A., MLCAK P.E., 1996 — An Introduction to the Kalina Cycle. ASME International.
VALDIMARSSON P., 2003 — Production of electricity from geothermal heat – efficiency calculation and ideal cycles. International Geothermal Conference, Reykjavik, Sept. 2003.
MAZUREK R., 2011 — Modeling and thermoeconomic analysis of the municipal CHP station (PEC) in Stargard Szczecinski in Poland. Praca magisterska zrealizowana w The School for Renewable Energy Science (RES) (niepublikowana), Akureyri.
LOLOS P.A., ROGDAKIS E.D., 2009 — A Kalina power cycle driven by renewable energy sources. Energy 34, pp.
457–464.
XU F., YOGI GOSWAMI D., 1999 — Thermodynamic properties of ammonia–water mixtures for power-cycle applications. Energy 24, pp. 525–536.
SENTHIL MURUGAN R., SUBBARAO P.M.V., 2008 — Thermodynamic Analysis of Rankine-Kalina Combined Cycle. Int. J. of Thermodynamics ISSN 1301 Vol. 11 (No. 3), pp. 133–141, September 2008.
NOWAK W., STACHEL A.A., BORSUKIEWICZ-GOZDUR A., 2008 — Zastosowania odnawialnych Ÿróde³ energii. Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczeciñskiej, Szczecin.
VALDIMARSSON P., 2010 —Wyk³ady w RES – The School for Renewable Energy Science. Akureyri, Islandia, 20–23 wrzeœnia.
INFLUENCE OF TEMPERATURE OF GEOTHERMAL WATER ABOUT LOW AND MEDIUM ENTALPHY FOR WORK OF POWER STATION
WITH KALINA CYCLE IN POLISH CONDITIONS
Abstract
In the paper is considered the possibility of using as a heat source, the geothermal water about available parameters in Poland area, for supplying power station with Kalina, in which is used ammonia-water mixture as a working fluid. Analysis concerned the work of Kalina cycle powered by geothermal water available on Stargard Szczecinski and Uniejow area. In order to obtain the basic thermodynamic parameters of the work of the installation (power of turbine, net power, efficiency of the Kalina cycle) made the thermal-flow calculations for the content of ammonia in mixture: 70 and 82%.
Key words
Kalina cycle, ammonia-water mixture, geothermal power plant
