بررسی عملکرد و تحلیل ترمودینامیکی نیروگاه زمین‌ گرمایی شهرستان مشکین‌شهر- محمد اکبرپور اصل؛ سید فرامرز رنجبر- مرکز مهندسی عطران

0

بخار موجود در سفره‌های زیرزمینی پس از رسیدن به سطح زمین طی فرایندهای مختلف ترمودینامیکی می‌توان با بکار بردن توربین بخار، برق موردنیاز مناطق را تأمین کند. ازجمله مزیت‌های استفاده از انرژی زمین‌ گرمایی می‌توان به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی، کاهش آلایندگی زیست‌محیطی، امکان تأمین انرژی به‌صورت منطقه‌ای و استفاده به‌عنوان یکی از انرژی‌های تجدید پذیر اشاره کرد.

در این مقاله به بررسی عملکرد و تحلیل ترمودینامیکی نیروگاه زمین‌گرمایی شهرستان مشکین‌شهر پرداخته  شد و با تشکیل معادلات ترمودینامیکی و تحلیل معادلات و ارائه نتایج حاصله توسط  نرم‌افزار مهندسی EES موردبحث قرار گرفت. ملاحظه گردید که توان خالص نیروگاه بخارتر حدود 7/3 مگاوات و نیروگاه دومداره حدود  8/7 مگاوات بدست آمد که در مقايسه توان توليدي اين نيروگاه با نيروگاه سيكل بخارتر توان توليدي بيشتر از دو برابر است و اين سيكل را مقرون به صرفه مي كند.

کلمات کليدي: بازیافت، انرژی زمین گرمایی، نیروگاه،رانکین آلی

 مقدمه

انرژي زمين گرمايي يا ژئوترمال، از حرارت درون زمين به دست مي آيد. يك تحقيق محافظه كارانه صحبت از توليد 9000 تا 11000 مگاوات برق در 40 كشور جهان مي كند. اين در حالي است كه 64  كشور جهان نيز جمعا 27800 مگاوات انرژي حرارتي از منابع زمين گرمايي جذب و استفاده مي كنند(ناطق پور و اشجاری،1392).

مطالعات نشان مي دهد در طبقات رسوبي به ازاي هر صد متر افزايش عمق، به طور متوسط 3 درجه به دماي زمين اضافه مي شود (حاج آقابابایی و همکاران، 1390).

استفاده از انرژي زمين گرمايي مزيت هاي فراواني دارد كه به چند مورد از آن ها اشاره مي شود.

  1. ايجاد تنوع در منابع انرژي و كاهش وابستگي به انرژي سوخت هاي فسيلي.
  2. امكان تامين انرژي به صورت منطقه اي[1].
  3. استفاده از انرژي زمين گرمايي به عنوان يكي از انرژي هاي تجديدپذير.

آب گرم مورد نياز با دمايي حدود 60 درجه سانتي گراد يا بيشتر جهت تامين حرارت يك سيستم گرمايش منطقه اي از يك يا چند چاه حفر شده در يك مخزن زمين گرمايي تامين مي گردد. آب هاي زيرزميني از درون يك مبدل حرارتي عبور نموده و از اين طريق حرارت آن ها به آب شهري منتقل مي شود.

آب زمين گرمايي پس از عبور از داخل مبدل مجددا به درون مخزن زمين گرمايي تزريق مي گردد. اين عمل موجب مي شود كه ذخيره آب در مخزن اصلي پيوسته در حد نسبتا ثابتي بماند و آب هاي تزريقي به داخل مخزن دوباره توسط منبع حرارتي موجود در زمين گرم شده و مورد استفاده قرار خواهند گرفت(شکیبی، 1382).

 

  • تئوری مسئله

ساده ترين سيكلي كه در يك نيروگاه زمين گرمايی مي توان پياده كرد سيكل بخار تر (شکل1) است. شباهت زيادي بين اين سيكل و سيكل بكار رفته در نيروگاه هاي بخار عادي وجود دارد. طراحي اين نيروگاه بر اساس سيكل رانكين مي باشد كه اساس كار نيروگاه هاي بخار است با اين تفاوت كه در نيروگاه بخارتر اولا بخار بكار رفته براي چرخاندن توربين، سيكل بسته­اي را طي نمي كند و همچنين اين نيروگاه عضوي به نام جداكننده دارد كه در نيروگاه هاي بخار عادي ديده نمي­شود. شکل 1 نمایش دهنده شماتیک سیکل تر بوده که معادلات آن در ادامه بیان می گردد.

نيروگاه سيكل دو مداره در پروژه هاي زمين گرمايي، زماني كاربرد مي يابد كه سيال زمين گرمايي به اندازه كافي درجه حرارت ندارد كه بتوان آن را در يك سيكل بخار تر استفاده كرد. يا زماني كه ميزان ناخالصي هاي سيال زمين گرمايي بسيار زياد باشد و نتوان از بخار حاصل از آن به صورت مستقيم براي چرخش توربين استفاده كرد. سيكلي كه در يك نيروگاه دومداره به كار مي رود، سيكل ساده رانكين است. شکل 2 شماتیک سیکل دومداره را نشان می­دهد.

 

شكل 1.  شكل شماتيك سيكل نیروگاه بخار تر شكل2. شكل شماتيك سيكل نیروگاه دومداره

 

تست چاه و پارامترهاي مخزن

چاه توليدي اول مخزن زمين گرمايي سبلان در سپتامر 2004 در قسمت شمال غرب منطقه زمين گرمايي سبلان حفر شد. با انجام تست هاي مختلف روي چاه به مدت چهار ماه مشخص شد كه براي سيال خروجي از اين چاه در حالت پايا، پارامتر هاي زير برقرار است.

1- دماي سيال در سر چاه در حدود 180 درجه سانتي گراد مي باشد.

2- آنتالپي سيال در سر چاه 954 كيلوژول بر كيلوگرم اندازه گيري شده است.

3- فشار سيال در در سر چاه حدود 10 بار است.

4- حداكثر دبي سيال در سر چاه كه قابل بهره برداري است 55 كيلوگرم بر ثانيه است.

5- بازده آیزنتروپیک توربین، پمپ و فن وموتورهای الکتریکی بین 80 تا 85 % در نظر گرفته شده است.

 نیروگاه بخارتر

ديواره جداكننده را عايق حرارت درنظر مي گيريم. بنابراين قانون اول ترموديناميك به صورت زير خلاصه مي شود. زمین‌ گرمایی

(1)  

از رابطه فوق مي توان كيفيت مخلوط در جداكننده (x1) را محاسبه كرد. در رابطه (1) ، مشخص است.  نيز از روابط زير به دست می آیند.

(2) , ,

فشار داخل جداكننده  يكي از مجهولات مهم طراحي است كه آن را با بهينه كردن توان توربين به دست خواهيم آورد. دماي داخل جداكننده نيز از رابطه زير به دست مي آيد. زمین‌ گرمایی

(3)

بديهي است كه دماي بخار و مايع خارج شده از جداكننده،با دماي داخل جداكننده برابر است.

(4)

براي به دست آوردن دبي جرمي بخار و مايع نيز از بالانس جرمي استفاده مي كنيم. دبي جرمي بخارو دبي جرمي مايع  از روابط زير به دست مي آيند.

(5) ,

منظور از ، دبي جرمي سيال وارد شده به جداكننده است. بدنه توربين را عايق و فرايند انبساط را آدياباتيك فرض مي كنيم. رابطه بالانس انرژي بعد از ساده كردن به صورت زير در مي آيد.

(6)

از رابطه فوق مي توان توان توربين  را محاسبه كرد. براي محاسبه  از رابطه بازده آيزنتروپيك توربين() استفاده مي كنيم و داريم:

(7) ,

همچنین مقادیر پارامترهای دیگر نیز طبق روابط زیرحاصل می شوند:

(8) ,   ,  

بدنه خارجي كندانسور عايق حرارت فرض مي شود بنابر اين طبق بالانس انرژي خواهيم داشت:

(9) ,   ,  

نرخ انتقال حرارت از سيال گرم و  نرخ انتقال حرارت به آب سرد كننده است. با ساده كردن رابطه (16) داریم: زمین‌ گرمایی

(10)

بطوري كه  گرماي ويژه آب است. براي به دست آوردن  از رابطه زير استفاده مي كنيم:

(11)

بخار به دست آمده از مخزن زمين گرمايي معمولاً مقدار زيادي گاز غير قابل چگالش نسبت به بخار معمولي كه در نيروگاه هاي حرارتي استفاده مي شود، دارد. اين گازها در طراحي بخش هاي مختلف نيروگاه زمين گرمايي از جمله توربين،كندانسور تأثير منفي دارند.

بالانس انرژي بين آب گرم ورودي و هواي ورودي و آب سرد و هواي گرم و مرطوب خروجي در شكل شماره 3 نشان داده شده است. از تغييرات انرژي جنبشي و پتانسيل و تبادل گرما از پوسته برج با محيط صرف نظر شده است. زمین‌ گرمایی

هيچ گونه كار مكانيكي در اين فرايند روي نمي دهد. فقط شاهد تغييرات آنتالپي ورودي ها و خروجي ها هستيم. زير نويس b,a به ترتيب هواي ورودي و خروجي می باشد و زير نويس6 و7 به آب گرم ورودي و آب سرد خروجي اشاره مي كنند. تعریف های مشخص مطابق با جدول 1 بیان می شود. زمین‌ گرمایی

شكل3- بالانس انرژي در برج خنك كننده

جدول 1- تعریف ثوابت بیان شده برای آب و هوا

برای آب برای هوا
 

W6: دبي جرمي آب گرم ورودي به برج در واحد دبي جرمي هواي ورودي

h6: آنتالپي آب گرم ورودي به برج

W7: دبي جرمي آب سردي كه برج را ترك مي كند در واحد دبي جرمي هواي ورودي

h7: آنتالپي آب سردي كه برج را ترك مي كند.

 

ha: آنتالپي براي هواي سرد و خشك ورودي

ωa: نسبت رطوبت براي هواي سرد ورودي

hga: آنتالپي بخار آب مخلوط در هواي سرد ورودي

hb: آنتالپي براي هواي گرم و خشك خروجي

ωb: نسبت رطوبت براي هواي گرم خروجي

hgb: آنتالپي بخار آب گرم مخلوط در هواي خروجي

 

با نوشتن قانون اول براي برج خنك كننده، معادله بالانس انرژي پس از ساده كردن به صورت زير در مي آيد:

(12)

فاكتور اساسي در طراحي يك نيروگاه زمين گرمايي ظرفيت توربين نيروگاه است. با استفاده از نرم افزار EES و بهينه كردن فشار جداكننده اين فشار 5 بار به دست مي آيد. درجه حرارت بخار درخروجي توربين حدود 46 درجه سانتي گراد به دست مي آيد.

سيال خروجي در اين حالت داراي فشار و درجه حرارت اشباع خود است و در حالت دوفازي قرار دارد و كيفيت مخلوط خروجي حدود x=0.87  به دست مي آيد. از معادله (6) توان توربين 3.8 مگاوات محاسبه شد. زمین‌ گرمایی

فشار كندانسور در حدود 0.1 بار به دست مي آید. سيال ورودي به كندانسور در حالت دوفازي قرار دارد و اين سيال گرماي خود را به جریان آب سرد در كندانسور داده و كل مخلوط به حالت مايع اشباع در مي آيد. دماي آب سرد ورودي به كندانسور 30 درجه سانتي گراد است. دبي جرمي آب سرد ورودي به كندانسوردر حدود 319 كيلوگرم بر ثانيه محاسبه شد. نرخ انتقال حرارت در كندانسور نيز در حدود 17 مگاوات محاسبه شد. زمین‌ گرمایی

آب گرم ورودي به برج توسط هواي سردي كه وارد آن مي شود، خنك مي شود. دماي آب بعد از اينكه خنك شد به 30 درجه سانتي گراد خواهد رسيد. دماي هواي سرد ورودي به داخل برج 20 درجه سانتي گراد است. تفاوت دماي آب گرم خروجي از كندانسور و مخلوط بخار و آب ورودي به كندانسور از طرف توربين 3 درجه سانتي گراد است.

پس دماي آب گرم ورودي به برج 43 درجه سانتي گراد خواهد بود. اختلاف دماي آب گرم ورودي به برج و هواي گرم خروجي از برج نيز 7 درجه سانتي گراد است. بنابرین دماي هواي گرم خروجي از برج 36 درجه سانتي گراد در نظر گرفته مي شود.

توان خالص نيروگاه از تفريق مجموع توان هاي صرف شده در اجزاي نيروگاه از توان توليدي ژنراتور به دست مي­آيد. رابطه توان خالص به شرح زير است:

(13)

با استفاده از رابطه(13) توان خالص نيروگاه 7/3 مگاوات به دست مي آيد. بازده حرارتي از رابطه زير حاصل می شود.

(14)

براي محاسبه بازده حرارتي نيروگاه از رابطه (14)  استفاده مي كنيم كه حدود 78/21%  به دست مي آيد.

  • نیروگاه سیکل دومداره

نيروگاه سيكل دو مداره در پروژه هاي زمين گرمايي ، زماني كاربرد مي يابد كه سيال زمين گرمايي به اندازه كافي درجه حرارت ندارد كه بتوان آن را در يك سيكل بخار تر استفاده كرد.

يا زماني كه ميزان ناخالصي هاي سيال زمين گرمايي بسيار زياد باشد و نتوان از بخار حاصل از آن به صورت مستقيم براي چرخش توربين استفاده كرد. سيكلي كه در يك نيروگاه دومداره به كار مي رود، سيكل ساده رانكين است(Jiang و همکاران، 2016).

در سيكل دو مداره، سيال ثانويه همان سيال عامل سيكل است. سيال ثانويه را بر اساس درجه حرارت سيال زمين گرمايي انتخاب مي كنند(Wakil، 1984). براي سيكل دومداره در اين کار، پنج نوع سيال ثانويه را مورد بررسي قرار داده و توان توربين و ساير پارامتر هاي سيكل را براي هر پنج نوع سيال محاسبه شد. زمین‌ گرمایی

هرچه بتوان دماي سيال ثانويه را به دماي سيال زمين گرمايي نزديكتر كرد توان خروجي توربين بيشتر مي شود. نمودار شكل4 توان خالص نيروگاه را در فشارهاي ورودي توربين و در دماهاي مختلف ورودي توربين برای سیال ثانویه R11 نشان مي دهد.

مشاهده مي شود كه هرچه دماي ورودي توربين كمتر باشد حداكثر توان خالص نيروگاه در فشار هاي كمتري رخ مي­دهد و نيز با كم شدن دماي ورودي توان خالص نيروگاه نيز كم مي شود. زمین‌ گرمایی

ابتدا به بالانس انرژي مي پردازيم. ديواره مبدل عايق فرض شده و كار مكانيكي در مبدل وجود ندارد بنابرين فقط آنتالپي سيال هاي جرياني از داخل مبدل تغيير ميكند. انتقال حرارت از سيال زمين گرمايي به سيال ثانويه را  مي ناميم:

(15) ,

: دبي جرمي سيال زمين گرمايي

: آنتالپي سيال زمين گرمايي در خروجي و ورودي مبدل حرارتي

: دبي جرمي سيال ثانويه

: آنتالپي سيال ثانويه در خروجي و ورودي مبدل حرارتي

در روابط بالا،  از معلومات مسئله است و براي محاسبه آنتالپي سيال زمين گرمايي در خروجي مبدل از رابطه زير استفاده مي شود:

(16) ,  

براي محاسبه آنتالپي سيال در ورودي:

(17) ,   , ,  

در مجموعه روابط بالا T1 از رابطه 18 به دست مي آید که بیان می­کند يعني اختلاف دماي سيال زمين گرمايي در ورودي و سيال عامل در خروجي مبدل، 4 درجه سانتي گراد می باشد: زمین‌ گرمایی

(18)

در رابطه (16)،P1 نيز مجهول است كه يكي از مجهولات اساسي مسئله مي باشد و مقدارش را با بهينه كردن توان توليدي نيروگاه محاسبه خواهيم كرد. بدنه توربين عايق و فرايند انبساط آدياباتيك فرض مي شود. رابطه بالانس انرژي بعد از ساده كردن به صورت زير در مي آيد. زمین‌ گرمایی

(19)

از رابطه فوق مي توان توان توربين را حساب كرد. براي محاسبه آنتالپي سيال ثانويه در خروجي توربين از مجموعه روابط زير استفاده مي شود.

(20) , ,

خروجي سيال توربين به حالت بخار فوق گرم است بنابرين براي محاسبه دماي آن از رابطه زير استفاده مي شود:

(21)

نمودار توان خالص نيروگاه در مقابل فشارورودي توربين و دماهاي مختلف ورودي با سيال عامل R11- مرکز مهندسی عطران

شکل 4- نمودار توان خالص نيروگاه در مقابل فشارورودي توربين و دماهاي مختلف ورودي با سيال عامل R11

 

بر خلاف كندانسوري كه در سيكل بخار تر استفاده شد، در كندانسور سيكل دومداره فشار كندانسور تابع كيفيت بخار خروجي نيست بلكه تابع دماي اشباع در فشار كندانسور است. فشار كندانسور بايد به صورتي انتخاب شود كه دماي اشباع سيال ثانويه در آن فشار از دماي آب سرد ورودي به كندانسور با اندازه 4 تا 5 درجه سانتي گراد بيشتر باشد.

به طوري كه چون دماي آب سرد ورودي به كندانسور از ثابت هاي مسئله است بنابر اين دما و فشار اشباع سيال در كندانسور نيز جزء ثابت هاي مسئله خواهد بود. زمین‌ گرمایی

با تبديل حالت سيال ثانويه از بخار فوق گرم به مايع اشباع در كندانسور، براي افزايش فشار سيال عامل از فشار كندانسور به فشار ورودي توربين ، پمپ كار كمتري انجام مي دهد.

بدنه خارجي كندانسور عايق حرارتي فرض مي شود. بنابراين طبق رابطه بالانس انرژي خواهيم داشت:

(22) , ,

به طوري كه  نرخ انتقال حرارت از سيال عامل و  نرخ انتقال حرارت به آب سرد كننده است. براي محاسبه دبي آب سرد كننده داریم:

(23)

به طوري كه cp گرماي ويژه آب است. براي محاسبه آنتالپي سيال  و دمای عامل در خروجي كندانسور:

(24) ,  

براي محاسبه توان مورد نياز پمپ، براي پمپ و موتورالكتريكي آن از بازده آيزنتروپيك استفاده میشود . بدنه پمپ را عايق حرارت فرض کرده و با توجه به رابطه بالانس انرژي و بازده آیزنتروپیک پمپ میشود:

(25) , ,

با مشخص شدن آنتالپي سيال خروجي از پمپ از رابطه(25) مي توان دماي آن را از رابطه زير به دست آورد: زمین‌ گرمایی

(26)

توان خالص نيروگاه از تفريق توان هاي صرف شده در اجزاي نيروگاه از توان توليدي ژنراتور به دست مي آيد. زمین‌ گرمایی

(27)

سيكل توليد توان نيروگاه دومداره به صورت كامل توسط نرم افزار EES مدل شده است. از اين مدل مي توان براي محاسبه توان توربين در فشارهاي مختلف ورودي استفاده كرد.

فشار ورودي توربين زماني بهينه خواهد بود كه توان خالص نيروگاه بيشترين مقدار خود را داشته باشد. براي اين منظور، دماي ورودي توربين ثابت(176 درجه سانتیگراد) فرض شد و رابطه اي بين فشار ورودي توربين و توان خالص نيروگاه نوشته شد. نمودارهاي مربوط به هر يك از سيال هاي ثانويه در بخش محاسبات آورده شده است.

زمین‌ گرمایی

  • بحث و نتیجه گیری

در جدول 2 مقدار کار خالص وتوان کلی سیستم برای نیروگاه بخار تر نشان داده شده است. ملاحظه می شود که با رعایت محدودیهای سیکل، کار خالص برابر MW 7/3 و بازده کل نیروگاه نیز 78/21% حاصل شد. زمین‌ گرمایی

در شکلهای 6 الی10 نمودار تغییر کارخالص سیکل() و بازده کل سیستم ( ) بر حسب فشار ورودی توربین و سیال های ثانویه مختلف نشان داده شده است. ملاحظه می شود که با افزایش فشار ورودی به توربین، توان خالص و بازده کل نیروگاه افزایش می یابد . زمین‌ گرمایی

 

جدول 2- مقدار کار خالص وتوان کلی سیستم برای حالت نیروگاه بخار تر

 

(الف) (ب)
شکل 5- منحنی تغییرات توان خالص نیروگاه(الف) و بازده کل سیستم (ب) برای سیال ثانویه ایزوپنتان

 

(الف) (ب)
شکل 6- منحنی تغییرات توان خالص نیروگاه(الف) و بازده کل سیستم (ب) برای سیال ثانویه R11

 

 (الف) (ب)
شکل 7- منحنی تغییرات توان خالص نیروگاه(الف) و بازده کل سیستم (ب) توربین برای سیال ثانویه R113

 

(الف) (ب)
شکل 8- منحنی تغییرات توان خالص نیروگاه(الف) و بازده کل سیستم (ب) برای سیال ثانویه R123

 

(الف) (ب)
شکل 9- منحنی تغییرات توان خالص نیروگاه(الف) و بازده کل سیستم (ب) برای سیال ثانویه R141b

6- جمع بندی

نيروگاه بخار تر

عمده مزيت اين نوع نيروگاه سادگي طراحي و اجزاي آن است. به طوري كه اساس كار نيروگاه پايلوت احداثي بر پايه اين سيكل خواهد بود. با طراحي نيروگاه و انجام محاسبات و بهينه كردن پارامتر ها، توان خالص نيروگاه حدود 7/3مگاوات و بازده حرارتي آن حدود 78/21%  به دست مي آيد. اما ملاحظه مي شود كه مقدار انرژي زيادي كه مي توان از آن استفاده نمود در اين طرح از بين مي رود. زمین‌ گرمایی

نيروگاه سيكل دو مداره

استفاده از اين نوع سيكل موجب افزايش توان توليدي نيروگاه مي شود، اما احداث آن مستلزم هزينه زياد تري نسيت به نيروگاه بخار تر است. با طراحي نيروگاه و انجام محاسبات و بهينه كردن پارامترها ، توان خالص نيروگاه در حدود 8/7 مگاوات است و بازده حرارتي آن حدود 68/22% به دست مي آيد.

در مقايسه توان توليدي اين نيروگاه با نيروگاه سيكل بخارتر ملاحظه مي شود كه توان توليدي بيشتر از دو برابر مي شود و اين سيكل را مقرون به صرفه مي كند. زمین‌ گرمایی

 منابع

 حاجی آقا بابایی, ندا؛ زبیده بیات؛ منا خاتمی و جمال خداکرمی، ۱۳۹۰، توسعه انرژی زمین گرمایی در معماری، اولین کنفرانس بین المللی رویکردهای نوین در نگهداشت انرژی، تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

شکیبی, خشایار، ۱۳۸۲، پمپ های حرارتی زمین گرمایی، سومین همایش بین المللی بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران، سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور

ناطق پور, رسول و محمدعلی اشجاری، ۱۳۹۲، انرژی زمین گرمایی جهت تولید برق، گرمایش و سرمایش، اولین همایش ملی انرژی های نو و پاک، همدان، شرکت هم اندیشان محیط زیست فردا

EL-Wakil , M.M., 1984:Powerplant Technology McGraw-Hill , Inc

Peixue Jiang, Xiaolu Li, Ruina Xu, Fuzhen Zhang, Heat extraction of novel underground well pattern systems for geothermal energy exploitation, Renewable Energy 90 (2016) 83-94

[1] Distributed Generation

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

برچسب‌ها : % % % % % % % % % % % % % % % %