바이너리 사이클

Binary cycle

바이너리 사이클지열 자원으로 전력을 생산하는 방법이며, 두 개의 개별 유체 사이클을 사용하므로 바이너리 사이클이 사용됩니다.1차 사이클은 저장소에서 지열 에너지를 추출하고, 2차 사이클은 작업으로 변환하여 발전기를 구동하고 [1]전기를 생성합니다.

바이너리 사이클은 저온 지열 자원(180°C 미만)에서도 전기를 생산할 수 있도록 하며, 그렇지 않으면 플래시 발전소를 경제적으로 [2]가동하기에 충분한 양의 증기를 생산할 수 없다.그러나 온도가 낮기 때문에 바이너리 사이클은 전체 효율이 약 10-13%[1]로 낮습니다.

서론

바이너리 사이클 지열발전소 공정도
프라이머리 사이클 - 지오플루이드
보조 사이클 - 작동 오일
냉각수

단일 개방 사이클을 사용하는 드라이 스팀 또는 플래시와 같은 기존 지열 발전 방법과는 달리, 바이너리 사이클은 2개의 개별 사이클이 동시에 작동하므로 바이너리 사이클이 있습니다.1차 사이클은 지열 저장소에서 열을 추출하여 2차 사이클로 공급합니다. 2차 사이클은 열을 작업으로 변환하여 제너레이터를 구동하고 전기를 생산합니다.열역학적으로, 바이너리 사이클 발전소는 열원과 사이클 작동 [1]유체의 선택이 주된 차이인 랭킨 파워 사이클을 사용한다는 점에서 석탄 화력 또는 원자력 발전소와 유사하다.

프라이머리 사이클

지열 저장소의 고온 현장 유체(또는 지오플루이드)는 필요한 경우 펌프의 도움을 받아 웰보어를 통해 지표면으로 배출됩니다.표면에서 고온의 지질유체는 열의 일부를 열교환기를 통해 2차 사이클로 전달하여 냉각합니다.차가운 지오플루이드는 별도의 웰보어를 통해 지열 저장소로 재주입되며, 그곳에서 다시 가열됩니다.1차 사이클은 "개방"[1] 사이클로 간주됩니다.

2차 사이클

차가운 고압 작동 유체는 열교환기에서 뜨거운 지질유체에 의해 가열되고 증발됩니다.고온 고압 증기는 냉각되고 응축기로 응축되기 전에 터빈에서 팽창됩니다.루프를 닫기 위해 공급 펌프를 통해 차가운 저압 액체를 가압합니다.보조 사이클은 닫힌 사이클입니다.

두 가지 주요 2차 사이클 구성은 유기 랭킨 사이클(ORC) 또는 칼리나 사이클이며, 주요 차이점은 작동 유체, 즉 [1]각각 유기 유체(일반적으로 탄화수소 또는 냉매) 또는 물-암모니아 혼합물입니다.

역사

바이너리 사이클 지열 발전소의 가장 오래된 예는 1940-1943년 사이에 이탈리아이스키아에 있었던 것으로 생각된다.이 발전소는 250kW의 유효 용량으로 염화 에틸을 작동액으로 사용한 것으로 생각됩니다.하지만, 제2차 세계대전이 동시에 일어났기 때문에, 이 특별한 [3]설비에 대해 알려진 것은 많지 않다.

또 다른 바이너리 사이클 지열 발전소는 1967년 러시아 캄차카 반도의 페트로파블롭스크 근처에서 가동되었다.이 발전소는 670kW의 정격으로, 알려지지 않은 기간 동안 가동되어 바이너리 사이클 지열 [4]발전소의 개념을 증명했다.

2014년 12월 현재 전 세계 15개국에 203개의 바이너리 사이클 지열 발전소가 있으며, 이는 전체 지열 발전소의 35%에 해당하지만 총 지열 발전량(약 1250MW)[1]의 10.4%에 불과하다.

바리에이션

이중 압력

작동 오일은 두 가지 압력 수준에서 증발되며, 따라서 온도가 상승합니다.이를 통해 지질 냉각 곡선과 작동 유체 가열 곡선이 [5]보다 가깝게 일치하여 1차 열 교환기의 에너지 손실을 줄임으로써 효율성이 향상됩니다.

이중 유체

두 개의 보조 사이클이 동시에 작동하며, 각각 별도의 작동 오일과 비등점이 있습니다.이를 통해 지액 냉각 곡선과 작동 유체의 가열 [6]곡선이 보다 가깝게 일치하도록 함으로써 열 도입 프로세스의 에너지 손실을 줄여 효율성을 향상시킵니다.

성능

바이너리 사이클의 개요.스트림 a와 c는 지오플루이드입니다.스트림 1, 2, 3, 4는 작동 유체입니다.스트림 x 및 y는 냉각수

단순 바이너리 사이클 및 개별 컴포넌트의 성능은 [1]다음과 같이 계산할 수 있습니다.

터빈

  • turbin \ \{ } { \ { }}는 터빈에 의한 작업 속도(kW)입니다.
  • { { {} { \ { } }는 작동 유체의 질량 유량(kg/s)입니다.
  • \}})은 터빈 효율, 비차원적
  • 1 터빈 흡입구에 있는 작동 유체의 특정 엔탈피(kJ/kg)입니다.
  • 터빈의 등방성 팽창을 가정한 터빈 출구 작동 유체의 특이 엔탈피(kJ/kg)입니다.

콘덴서

아래 방정식을 사용하여 필요한 냉각수의 응축기 듀티 및 질량 유량을 결정할 수 있습니다.

  • 콘덴서(\ 콘덴서 내 작동유체에서 제거되는 열 비율(kW)입니다.
  • 2 3 각각 콘덴서 입구 및 출구 작업 유체의 특정 엔탈피(kJ/kg)입니다.
  • coolant(\ 냉각수의 질량 유량(kg/s)입니다.
  • x h 각각 콘덴서 입구 및 출구 냉각수 엔탈피(kJ/kg)입니다.

급수 펌프

  • W pump { {} { \ { } }는 펌프가 작동 유체를 억제하기 위해 수행하는 작업 속도(kW)입니다.
  • h 등엔트로픽 압축을 가정했을 때 공급 펌프 출구에 있는 작동 유체의 특이 엔탈피(kJ/kg)입니다.
  • 3 공급 펌프 입구 작동 유체의 특정 엔탈피(kJ/kg)입니다.
  • {\eta _ { \ {} }는 펌프 효율이며, 비차원적입니다.

1차 열교환기

아래 방정식을 사용하여 필요한 지오플루드의 1차 열교환기 듀티 및 질량 유량을 결정할 수 있습니다.

  • 1차 열교환기 내 작동유체에 가해지는 열량(kW)입니다.
  • 4 1차 열교환기 입구에 있는 작동 유체의 특정 엔탈피(kJ/kg)입니다.
  • µ 지오플루드의 질량 유량(kg/s)입니다.
  • 각각 1차 열교환기 입구 및 출구에서 지오플루이드 특이 엔탈피(kJ/kg)입니다.

효율성.

효율성에 대해 고려할 수 있는 다양한 정의가 있습니다.이러한 정의는 [1]이하에 설명되어 있습니다.

제1법칙의 효율성

(열역학 제1법칙에서) 제1법칙 효율은 사이클에 제공된 열을 유용한 작업으로 변환하는 측정값입니다.실제 삶의 손실과 비효율성을 고려할 때, 실제 이진 사이클 지열 발전소의 제1법칙 효율은 10-13%[1] 사이입니다.

카르노 효율

Carnot 효율성은 이론적으로 모든 열 엔진의 효율성에 최대치를 제공하기 때문에 온도가 서로 다른 두 저장조 사이에서 작동하는 이상적인 열역학 사이클의 효율성을 제공합니다.따라서 180°C(450K 이상)에서 고온지질유체를 발생시켜 25°C(298K 이하)에서 열을 방출하는 지열발전소는 최대 효율이 34%에 불과하다.

  • C H 각각 K 단위의 고온 및 저온 절대 온도입니다.

제2법칙의 효율성

두 번째 법칙 효율성(열역학 제2법칙에서)은 사용 가능한 이상적인 최대 작업의 활용도와 유용한 [1]작업으로 전환하는 측정값이다.

  • style 지구유체의 엑서지율(kW)이다.
  • 0 (\}) 0(\ kJ/kg 단위의 특정 엔탈피, kJ/kg/K 단위의 특정 엔트로피 및 로컬 기준 조건에서의 지질 절대 온도(K)입니다.이는 국소 환경, 습구 또는 재분사 조건일 수 있습니다.

작동 유체 선택

작동 오일은 모든 바이너리 사이클에서 중추적인 역할을 하므로 신중하게 선택해야 합니다.적합한 오일을 선택하기 위한 몇 가지 기준이 [1][7]아래에 제시되어 있습니다.

  1. 사이클 최대 온도 및 압력보다 높은 임계 온도 및 압력 - 대부분의 열이 최대 온도에서 전달되어 효율이 향상됩니다.
  2. 역 U와 유사한 포화 돔 - 터빈의 액체 방울을 방지하여 효율성을 떨어뜨리고 터빈 블레이드를 손상시켜 터빈 수명을 단축합니다.
  3. 높은 열전도율 - 1차 열교환기와 콘덴서의 열전달이 개선되어 필요한 총 열전달 면적이 감소하여 플랜트의 비용이 절감됩니다.
  4. 환경 적합성 - 무독성, 무탄성, 낮은 지구 온난화 가능성, 낮은 오존 파괴 가능성, 불연성, 화학적으로 불활성.
  5. 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있습니다.

발전소

상업용 생산에는 많은 바이너리 사이클 발전소가 있습니다.

유기 랭킨 사이클

칼리나 사이클

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g h i j k Ronald DiPippo (2016). Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact (4th ed.). Butterworth-Heinemann. pp. 193–240. ISBN 978-0-08-100879-9. Wikidata Q112793147.
  2. ^ "Geothermal Technologies Program: Hydrothermal Power Systems". Geothermal Technologies Program: Technologies. U.S. DOE Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE). 2010-07-06. Retrieved 2010-11-02.
  3. ^ Ronald DiPippo (January 2015). "Geothermal power plants: Evolution and performance assessments". Geothermics. 53: 291–307. doi:10.1016/J.GEOTHERMICS.2014.07.005. ISSN 0375-6505. Wikidata Q112813717.
  4. ^ Ronald DiPippo (1980), Geothermal energy as a source of electricity. A worldwide survey of the design and operation of geothermal power plants, doi:10.2172/5165898, Wikidata Q112817289
  5. ^ Ronald DiPippo (2008). Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact. Amsterdam: Butterworth-Heinemann.
  6. ^ "DUAL FLUID CYCLE". United States, Patent No.3795103. 1974.
  7. ^ Çengel, Yunus A. & Michael A. Boles (2002). Thermodynamics: An Engineering Approach, Seventh Edition. Boston: McGraw-Hill. pp. Chapter 10.
  8. ^ Ormat Technologies, Inc. "Binary Technology". Retrieved 30 June 2022.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  9. ^ "Mammoth Pacific Geothermal Power Plant Honored with Environmental Award from State of California". Ormat. 20 August 2009.
  10. ^ "Steamboat Springs".
  11. ^ "Te Huka Geothermal Power Plant". Global Energy Observatory.
  12. ^ a b Turboden Spa. "Geothermal". Retrieved 30 June 2022.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)