تجزیه تحلیل عملکرد سیستم تولید برق از منابع زمین گرمایی سنگ های داغ خشک بر اساس چرخه کالینا Performance analysis on a hot dry rock geothermal resource power generation system based on Kalina cycle
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2015
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی برق، مهندسی انرژی، تولید، انتقال و توزیع، انرژی های تجدیدپذیر و فناوری انرژی
براساس چرخه ی معمول کالینا، در این مقاله سیستم تولید برق از منابع زمین گرمایی سنگ های داغ خشک به عنوان سیستم توصیه شده معرفی گردیده است. به منظور پیش بینی عملکرد سیستم، از مدل محاسباتی گرمایی مربوطه استفاده گردید. از یک کندانسور فشار بالا و یک کندانسور (متراکم کننده) فشار پایین به منظور متراکم سازی سیال کاربردی (مخلوطی از آمونیاک و آب) و سیال پایه در سیستم توصیه شده استفاده گردیده است؛ همچنین از نوعی تقویت کننده به منظور بازیابی بخشی از گرمایی خروجی از توربین و همچنین به صورت همزمان به منظور فراهم سازی انرژی مورد نیاز برای جدا سازی مخلوط آب و آمونیاک از یکدیگر استفاده گردید. از تجزیه تحلیل عملکرد پارامتر بر سیستم استفاده کردیم. نتایج نشان داد که هر دو پارامتر بازدهی (کارایی) گرمایی و بازیابی توان دینامی، با افزایش دمای منبع گرمایی افزایش می یابد؛ بازدهی میزان بازیابی دینامیک در محدوده ی ۸٫۵- ۱۸ درصد و دمای منبع گرمایی از ۱۵۰- ۲۲۰ سانتی متفاوت می باشد، و همچنین بازدهی بازیابی گرمایی نیز در محدوده ی ۸۶- ۸۸ درصد متغیر خواهد بود. غلظت نسبتا پایین محلول اساسی و غلظت بالای سیال کاربردی نیز در بهبود بازدهی سیستم تحت شرایط جداسازی ارضا شده نقش مهمی را ایفا می کند. تغیر (تفاوت) بسیار جزئی در بازدهی سیستم با تغییر در نسبت گردش سیال، نشان می دهد که تنوع و تغیر نسبت گردش با توجه عناصر محیطی نمی تواند تاثیر شگرف و بزرگی بر عملکرد سیستم داشته باشد. کلمات کلیدی: سنگ های داغ خشک، تولید برق، چرخه کالین، عملکرد گرمایی ۱٫ مقدمه و معرفی سنگ داغ خشک، به عنوان یکی از بزرگترین منابع زمین گرمایی، در عمق بین ۲ تا ۶ کیلومتری سطح زمین دفن شده است و توجهات بسیار زیادی را در سال های اخیر به خود جلب کرده است. این سنگ ها به شکل گسترده ای در اعماق زمین پراکنده شده اند و محدوده دمایی آن ها بین ۱۵۰ تا ۲۲۰ درجه سانتیگراد می باشد. انرژی گرمایی که درون این سنگ ها و در اعماق زمین نگهداری (ذخیره) می شود بسیار عظیم می باشد. مطالعات صورت گرفته در این زمینه نشان می دهند که این منابع انرژی، شامل نزدیک به ۱۰ میلیارد کوارت (واحدی برا سنجش حجم مایعات) انرژی گرمایی فقط و فقط در سنگ های داغ خشک سطحی (کم عمق) ذخیره می باشد، که این میزان حدود ۳۰۰ بار بیشتر از انرژی نهفته در سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز و نفت) موجود بر سطح زمین می باشد. از سنگ داغ خشک می توان به منظور تولید برق و یا گرما استفاده کرد. مفهوم تولید برق از سنگ داغ خشک در ابتدا به وسیله ی آزمایشگاه Los Alamos در دانشگاه کالیفرنیا و در سال ۱۹۷۰ مطرح گردید. ایده ی اولیه و ابتدایی این موضوع بر ایجاد نوعی مخزن نگهداری گرمای مصنوعی از طریق انفجار فشار آب یا سایر روش های موجود در محدوده ی سنگ های داغ خشک متراکم استوار می باشد. سپس به منظور دستیابی به انرژی گرمایی، آب سرد موجود در سطح به درون مخزن گرمایی تزریق می شود؛ پس از آن آب گرم به دست آمده یا بخار حاصل شده به منظور تولید انرژی برق از زمین خارج می گردد. در سال ۱۹۷۰، اولین آزمایش کاوش سنگ های داغ خشک در ایالات متحده به شکل موفق آمیزی صورت گرفت. در سال اخیر، از طریق تلاش های صورت گرفته توسط تمامی کشورها و همچنین همکاری های بین المللی ژاپن، آلمان، ایالات متحده و سایر کشورهای توسعه یافته، آزمایش های موفقیت آمیزی در زمینه سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک صورت پذیرفته است و تکنولوژی های مرتبط با این فناوری نیز تست و راه اندازی شده اند. علاوه بر این، ظرفیت تولید برق از سیستم خلبان نیز در حال افزایش می باشد، از حدود ۳ مگا وات به ۱۱ مگا وات افزایش داشته است. قطعا هنوز کارهای بسیار زیادی وجود دارد که در جهت دستیابی به اجرای تجاری و توسعه ی این تکنولوژی بایستی به اتمام برساند. چگونگی استفاده ی موثر و کارآمد از منابع سنگ های داغ خشک، بهینه سازی سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک، و بهبود کارایی و بازدهی سیستم ها جز آن دسته از مسائلی هستند که بایستی حل و فصل گردند. چرخه کالینا برای اولین بار توسط Alexander Kalina و در سال ۱۹۸۴ به منظور جایگزینی با چرخه سنتی و قدیمی ترمودینامیک به عنوان چرخه ی انتهایی در سیستم های چرخه ای برق ترکیبی مربوط به منابع گرمایی با دمای پایین معرفی شد. تا کنون اثبات شده است که در مقایسه با چرخه ارگانیگ Rankine و با استفاده از یک منبع حرارتی زمین گرمایی یکسان، چرخه کالینا قادر به دستیابی به توان خروجی بالاتری می باشد. از مخلوط آمونیاک- آب به عنوان مایع کاربردی در چرخه کالینا استفاده کردیم، که با توجه به تغییرات متوسط فاز غیر ایزوترمال (دمای غیرثابت و نا برابر) و تغییرات متوسط غلظت در گردش، نهایتا منجر به ارتباطات تطبیقی انتقالی بهتر در برنامه های کاربردی مربوط به منابع دمایی متوسط و پایین گردید. با توجه به دمای بحرانی نسبتا پایین مخلوط آمونیاک- آب در مقایسه با آب خالص، ثابت شد که چرخه کالینا در برنامه های کاربردی منابع حرارتی با دمای پایین و متوسط از برتری های محسوسی برخوردار می باشد، مانند توان (برق) زمین گرمایی (۱۷)، تولید برق خورشیدی (۱۸، ۱۹)، بازیابی گرمای هدر رفته ی صنعتی (۲۰)، به عنوان چرخه ی انتهایی واحد تولید (۲۱-۲۳)، همچنین استفاده شده به عنوان سیستم گردشی در واحد تولید برق- سرد (۲۴). دمای بخار یا آب خارج از چشمه ی تولید مربوط به سیستم سنگ داغ خشک، در محدوده ی بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد متغیر می باشد. این موضوع متعلق به منبع حرارتی دمای پایین می باشد و علی الخصوص برای تولید جریان برق به وسیله چرخه کالینا مناسب می باشد. اندازه گیری ها نشان می دهند که اگرچه تلاش های بسیاری در زمینه ی تولید برق از سنگ های داغ خشک و همچنین تولید برق از طریق چرخه کالینا صورت گرفته است، اما هیچ نوع مدل خاصی برای سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک مبنی بر چرخه ی کالینا وجود ندارد. در این مقاله، نوعی مدل خاص برای سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک مبنی بر چرخه کالینا توسعه یافته است. از طریق تجزیه تحلیل های ترمودینامیک، عملکردهای سیستم به لحاظ نظری و تئوریک مورد بررسی و آنالیز قرار گرفت. تاثیر پارامترهای عملیاتی اصلی بر عملکردهای گرمایی سیستم به شکلی جامع و کلی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
براساس چرخه ی معمول کالینا، در این مقاله سیستم تولید برق از منابع زمین گرمایی سنگ های داغ خشک به عنوان سیستم توصیه شده معرفی گردیده است. به منظور پیش بینی عملکرد سیستم، از مدل محاسباتی گرمایی مربوطه استفاده گردید. از یک کندانسور فشار بالا و یک کندانسور (متراکم کننده) فشار پایین به منظور متراکم سازی سیال کاربردی (مخلوطی از آمونیاک و آب) و سیال پایه در سیستم توصیه شده استفاده گردیده است؛ همچنین از نوعی تقویت کننده به منظور بازیابی بخشی از گرمایی خروجی از توربین و همچنین به صورت همزمان به منظور فراهم سازی انرژی مورد نیاز برای جدا سازی مخلوط آب و آمونیاک از یکدیگر استفاده گردید. از تجزیه تحلیل عملکرد پارامتر بر سیستم استفاده کردیم. نتایج نشان داد که هر دو پارامتر بازدهی (کارایی) گرمایی و بازیابی توان دینامی، با افزایش دمای منبع گرمایی افزایش می یابد؛ بازدهی میزان بازیابی دینامیک در محدوده ی ۸٫۵- ۱۸ درصد و دمای منبع گرمایی از ۱۵۰- ۲۲۰ سانتی متفاوت می باشد، و همچنین بازدهی بازیابی گرمایی نیز در محدوده ی ۸۶- ۸۸ درصد متغیر خواهد بود. غلظت نسبتا پایین محلول اساسی و غلظت بالای سیال کاربردی نیز در بهبود بازدهی سیستم تحت شرایط جداسازی ارضا شده نقش مهمی را ایفا می کند. تغیر (تفاوت) بسیار جزئی در بازدهی سیستم با تغییر در نسبت گردش سیال، نشان می دهد که تنوع و تغیر نسبت گردش با توجه عناصر محیطی نمی تواند تاثیر شگرف و بزرگی بر عملکرد سیستم داشته باشد. کلمات کلیدی: سنگ های داغ خشک، تولید برق، چرخه کالین، عملکرد گرمایی ۱٫ مقدمه و معرفی سنگ داغ خشک، به عنوان یکی از بزرگترین منابع زمین گرمایی، در عمق بین ۲ تا ۶ کیلومتری سطح زمین دفن شده است و توجهات بسیار زیادی را در سال های اخیر به خود جلب کرده است. این سنگ ها به شکل گسترده ای در اعماق زمین پراکنده شده اند و محدوده دمایی آن ها بین ۱۵۰ تا ۲۲۰ درجه سانتیگراد می باشد. انرژی گرمایی که درون این سنگ ها و در اعماق زمین نگهداری (ذخیره) می شود بسیار عظیم می باشد. مطالعات صورت گرفته در این زمینه نشان می دهند که این منابع انرژی، شامل نزدیک به ۱۰ میلیارد کوارت (واحدی برا سنجش حجم مایعات) انرژی گرمایی فقط و فقط در سنگ های داغ خشک سطحی (کم عمق) ذخیره می باشد، که این میزان حدود ۳۰۰ بار بیشتر از انرژی نهفته در سوخت های فسیلی (زغال سنگ، گاز و نفت) موجود بر سطح زمین می باشد. از سنگ داغ خشک می توان به منظور تولید برق و یا گرما استفاده کرد. مفهوم تولید برق از سنگ داغ خشک در ابتدا به وسیله ی آزمایشگاه Los Alamos در دانشگاه کالیفرنیا و در سال ۱۹۷۰ مطرح گردید. ایده ی اولیه و ابتدایی این موضوع بر ایجاد نوعی مخزن نگهداری گرمای مصنوعی از طریق انفجار فشار آب یا سایر روش های موجود در محدوده ی سنگ های داغ خشک متراکم استوار می باشد. سپس به منظور دستیابی به انرژی گرمایی، آب سرد موجود در سطح به درون مخزن گرمایی تزریق می شود؛ پس از آن آب گرم به دست آمده یا بخار حاصل شده به منظور تولید انرژی برق از زمین خارج می گردد. در سال ۱۹۷۰، اولین آزمایش کاوش سنگ های داغ خشک در ایالات متحده به شکل موفق آمیزی صورت گرفت. در سال اخیر، از طریق تلاش های صورت گرفته توسط تمامی کشورها و همچنین همکاری های بین المللی ژاپن، آلمان، ایالات متحده و سایر کشورهای توسعه یافته، آزمایش های موفقیت آمیزی در زمینه سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک صورت پذیرفته است و تکنولوژی های مرتبط با این فناوری نیز تست و راه اندازی شده اند. علاوه بر این، ظرفیت تولید برق از سیستم خلبان نیز در حال افزایش می باشد، از حدود ۳ مگا وات به ۱۱ مگا وات افزایش داشته است. قطعا هنوز کارهای بسیار زیادی وجود دارد که در جهت دستیابی به اجرای تجاری و توسعه ی این تکنولوژی بایستی به اتمام برساند. چگونگی استفاده ی موثر و کارآمد از منابع سنگ های داغ خشک، بهینه سازی سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک، و بهبود کارایی و بازدهی سیستم ها جز آن دسته از مسائلی هستند که بایستی حل و فصل گردند. چرخه کالینا برای اولین بار توسط Alexander Kalina و در سال ۱۹۸۴ به منظور جایگزینی با چرخه سنتی و قدیمی ترمودینامیک به عنوان چرخه ی انتهایی در سیستم های چرخه ای برق ترکیبی مربوط به منابع گرمایی با دمای پایین معرفی شد. تا کنون اثبات شده است که در مقایسه با چرخه ارگانیگ Rankine و با استفاده از یک منبع حرارتی زمین گرمایی یکسان، چرخه کالینا قادر به دستیابی به توان خروجی بالاتری می باشد. از مخلوط آمونیاک- آب به عنوان مایع کاربردی در چرخه کالینا استفاده کردیم، که با توجه به تغییرات متوسط فاز غیر ایزوترمال (دمای غیرثابت و نا برابر) و تغییرات متوسط غلظت در گردش، نهایتا منجر به ارتباطات تطبیقی انتقالی بهتر در برنامه های کاربردی مربوط به منابع دمایی متوسط و پایین گردید. با توجه به دمای بحرانی نسبتا پایین مخلوط آمونیاک- آب در مقایسه با آب خالص، ثابت شد که چرخه کالینا در برنامه های کاربردی منابع حرارتی با دمای پایین و متوسط از برتری های محسوسی برخوردار می باشد، مانند توان (برق) زمین گرمایی (۱۷)، تولید برق خورشیدی (۱۸، ۱۹)، بازیابی گرمای هدر رفته ی صنعتی (۲۰)، به عنوان چرخه ی انتهایی واحد تولید (۲۱-۲۳)، همچنین استفاده شده به عنوان سیستم گردشی در واحد تولید برق- سرد (۲۴). دمای بخار یا آب خارج از چشمه ی تولید مربوط به سیستم سنگ داغ خشک، در محدوده ی بین ۱۵۰ تا ۲۵۰ درجه سانتیگراد متغیر می باشد. این موضوع متعلق به منبع حرارتی دمای پایین می باشد و علی الخصوص برای تولید جریان برق به وسیله چرخه کالینا مناسب می باشد. اندازه گیری ها نشان می دهند که اگرچه تلاش های بسیاری در زمینه ی تولید برق از سنگ های داغ خشک و همچنین تولید برق از طریق چرخه کالینا صورت گرفته است، اما هیچ نوع مدل خاصی برای سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک مبنی بر چرخه ی کالینا وجود ندارد. در این مقاله، نوعی مدل خاص برای سیستم های تولید برق از سنگ های داغ خشک مبنی بر چرخه کالینا توسعه یافته است. از طریق تجزیه تحلیل های ترمودینامیک، عملکردهای سیستم به لحاظ نظری و تئوریک مورد بررسی و آنالیز قرار گرفت. تاثیر پارامترهای عملیاتی اصلی بر عملکردهای گرمایی سیستم به شکلی جامع و کلی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
Description
Based on the conventional Kalina cycle, a hot dry rock geothermal resource power generation system is recommended in this paper. To predict the system performance, the corresponding thermal calculation model is established. A high pressure condenser and a low pressure condenser are used to condense the working fluid(Ammonia-water mixture) and the basic fluid in the recommended system, respectively, and a regenerator is adopted to recover part of exhaust heat of the turbine, at the same time to provide energy for the separation of ammonia-water mixture. The parameter performance analyses are carried out on the system. Results show that both the thermal efficiency and dynamic power recovery increase with elevation of heat source temperature, the dynamic recovery efficiency varies in the range of 8.5-18 percent, in the heat source temperature range of 150-220ć, and the geothermal recovery efficiency varies in the range of 86 to 88 percent. A relative low basic solution concentration and a high working fluid concentration is helpful to improve the system efficiency under the satisfied separation condition. The minor variation of the system efficiency with variation of circulating ratio indicates that the vary of circulating ratio due to the environmental elements will not cause greet effect on system performance.
