RU2528213C2

RU2528213C2 - Method of complex use of geothermal heat by means of steam ejector heat pump

Info

Publication number: RU2528213C2
Application number: RU2011140370/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Стоянов; Александр Ильич Воронин; Иоганн Арестагесович Гейвандов; Станислав Сергеевич Смирнов
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2014-09-10
Also published as: RU2011140370A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering and may be used in systems of heat and cold supply with usage of geothermal heat with the help of a steam ejector heat pump. Substance: cooled coolant is supplied into a well, and heated one transmits heat to a consumer with the help of a steam ejector heat pump, besides, heat of the well in the warm period is used to generate cold for cold supply needs. In case of low or no loads of cold and heat supply they generate electric energy with the help of a turbogenerator, operating on the pair of coolant - low-boiling coolant, which is produced in the generator of the steam ejector heat pump, at the same time coolant vapours are sent to a steam turbine for generation of electric energy, and spent steam is sucked into a condenser of the steam ejector heat pump with a steam-jet ejector.

EFFECT: method makes it possible to reduce prime cost of heat and cold supply due to flexible mode of complex generation of thermal energy, cold and electric energy.

1 dwg

Description

Изобретение относится к способам использования геотермального тепла в системах электро- и тепло-холодоснабжения с помощью пароэжекторного теплового насоса.The invention relates to methods for using geothermal heat in electric and heat-cold supply systems using a steam ejector heat pump.

Известно использование геотермальной энергии, когда термальная вода от продуктивных скважин направляется последовательно в бинарную электростанцию (БЭС), затем на отопление и горячее водоснабжение жилого поселка, обогрев теплиц и технологические нужды комплекса по переработке сельхозпродукции и далее на рыборазводный завод, после чего закачивается обратно в земные пласты [Комплексное использование геотермальных ресурсов Казьминского месторождения. БИЗНЕС-ПЛАН. АО «Наука», г.Москва].It is known to use geothermal energy when thermal water from productive wells is directed sequentially to a binary power station (BES), then to heat and hot water a residential village, heat greenhouses and technological needs of a complex for processing agricultural products and then to a fish factory, after which it is pumped back to earth strata [Integrated use of geothermal resources of the Kazminskoye field. BUSINESS PLAN. JSC "Science", Moscow].

Недостатками являются необходимость высокотемпературного гидротермального источника и высокие капитальные затраты на создание инфраструктуры (жилого поселка, теплиц комплекса по переработке сельхозпродукции, рыборазводного завода), которые связаны с неравномерностью распределения гидротермальных источников.The disadvantages are the need for a high-temperature hydrothermal source and high capital costs for the creation of infrastructure (a residential village, greenhouses of a complex for processing agricultural products, a fish-breeding plant), which are associated with uneven distribution of hydrothermal sources.

Известен также способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение абсорбционного теплового насоса [Патент 2358209 РФ, С1, МПК F24J 3/08. Способ использования геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 20071141863/06; Заявлено 12.11.07; Опубл. 10.06.09, Бюл. 16. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].There is also a method of using geothermal heat in heat and cold supply systems, including the use of an absorption heat pump [Patent 2358209 of the Russian Federation, C1, IPC F24J 3/08. The method of using geothermal heat. / N.I. Stoyanov, A.I. Voronin, I.A. Geyvandov - 20071141863/06; Announced on 11/12/07; Publ. 06/10/09, Bull. 16. Patent holder of GOU VPO “North Caucasian State Technical University”].

Наиболее близким к предложенному является способ использования геотермального тепла в системах тепло-холодоснабжения, включающий применение теплового насоса с понижением температуры обратной воды до 15°С, при этом для системы тепло-холодоснабжения применяются абсорбционные или пароэжекторные холодильные машины, осуществляющие «прямое» (без затрат электроэнергии на привод компрессора) преобразование теплоты в холод [Патент 2288413 РФ, C1, МПК F24J 3/08. Способ извлечения геотермального тепла. / Н.И.Стоянов, А.И.Воронин, И.А.Гейвандов - 2005113114/06; Заявлено 29.04.05; Опубл. 27.11.06, Бюл. 33. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»].Closest to the proposed method is the use of geothermal heat in heat and cold supply systems, including the use of a heat pump with a decrease in the return water temperature to 15 ° C, while for the heat and cold supply system, absorption or steam ejector refrigerators are used that carry out “direct” (without costs electricity to the compressor drive) the conversion of heat into cold [Patent 2288413 of the Russian Federation, C1, IPC F24J 3/08. A method of extracting geothermal heat. / N.I. Stoyanov, A.I. Voronin, I.A. Geyvandov - 2005113114/06; Stated April 29, 05; Publ. 11/27/06, Bull. 33. Patent holder of GOU VPO “North Caucasus State Technical University”].

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение себестоимости тепло-холодоснабжения за счет гибкого режима комплексной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии.The technical result of the claimed invention is to reduce the cost of heat and cold supply due to the flexible mode of the integrated generation of thermal energy, cold and electric energy.

Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса. Тепло скважины в теплый период используется для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента (низкокипящего теплоносителя), получаемого в генераторе пароэжекторного теплового насоса. Преимущества фреоновых пароэжекторных тепловых насосов перед пароводяными: отсутствие вакуума в испарителе при достаточно низких температурах; малое значение потерь на трение и на удар в пароструйном эжекторе из-за низких скоростей; работа машины при меньших отношениях давления конденсации и испарения.The specified technical result is achieved due to the fact that the cooled heat carrier is supplied to the well, and the heated one transfers heat to the consumer using a steam ejector heat pump. Well heat during the warm season is used to generate cold for cold supply needs. With a reduction or absence of loads on the heat and cold supply systems, electric energy is generated by means of a turbogenerator operating on a pair of refrigerant (low-boiling coolant) obtained in the steam-ejection heat pump generator. Advantages of freon steam jet heat pumps over steam-water heat pumps: lack of vacuum in the evaporator at sufficiently low temperatures; low losses due to friction and impact in a steam jet ejector due to low speeds; machine operation at a lower ratio of condensing pressure and evaporation.

На фиг.1 представлена схема для использования тепла земных недр по предлагаемому способу для тепло- холодоснабжения и выработки электрической энергии. Схема включает в себя следующие элементы: геотермальную скважину (1); тепловой насос (2), включающий: генератор (Г), испаритель (И), конденсатор (Кд), паровой эжектор (Э), дроссельно-регулирующий вентиль (РВ), насос для перекачивания конденсата (Н); потребитель тепла (3); потребитель холода (4); паровую турбину на низкокипящем теплоносителе (хладагенте) с электрогенератором (5).Figure 1 presents a diagram for using the heat of the earth's interior according to the proposed method for heat and cold supply and generation of electric energy. The scheme includes the following elements: geothermal well (1); a heat pump (2), including: a generator (G), an evaporator (I), a condenser (Cd), a steam ejector (E), a butterfly valve (RV), a condensate pump (N); heat consumer (3); cold consumer (4); a steam turbine on a low-boiling coolant (refrigerant) with an electric generator (5).

Обозначения по схемам: G, G_K, G_m - расходы теплоносителей через скважину, конденсата, перекачиваемого насосом и подаваемого на турбину соответственно; t₁, t₂ - температуры теплоносителя на выходе и входе скважины.Designations according to the schemes: G, G _K , G _m - flow rates of coolant through the well, condensate pumped by the pump and supplied to the turbine, respectively; t ₁ , t ₂ - coolant temperature at the outlet and entrance of the well.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период - на теплоснабжение: производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на теплоснабжение: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение. Для более гибкого режима использования тепла скважины осуществляется выработка электрической энергии.The well is intended for year-round use: in the cold season - for heat supply: production needs and household (heating, ventilation and hot water supply); in the warm period - for heat supply: production needs, household (hot water) and cold supply. For a more flexible mode of using heat from the well, electric energy is generated.

Охлажденную скважинную воду подают в скважину. Вода нагревается в скважине и подается в генератор пароэжекторного теплового насоса, а затем используется в системе теплоснабжения после нагрева теплоносителя для системы отопления и горячего водоснабжения в конденсаторе.Chilled well water is fed into the well. Water is heated in the borehole and fed to the steam ejector heat pump generator, and then used in the heat supply system after heating the heat carrier for the heating system and hot water supply in the condenser.

Для нужд теплоснабжения в теплый период скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса используется у потребителя на нужды теплоснабжения, а затем подается обратно в скважину, а охлаждение теплоносителя для системы холодоснабжения осуществляется в испарителе.For the needs of heat supply during the warm period, well water after the steam ejector heat pump generator is used by the consumer for heat supply needs, and then it is fed back to the well, and the coolant for the cooling system is cooled in the evaporator.

При отсутствии или сокращении нагрузки на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии электрогенератором паровой турбины на низкокипящем теплоносителе (хладагенте).In the absence or reduction of the load on the heat and cold supply systems, electric energy is generated by the steam turbine electric generator on a low-boiling coolant (refrigerant).

Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину, а применение пароэжекторного теплового насоса позволяет осуществлять использование теплоты за счет тепла скважины, т.е. без затрат электроэнергии, как в парокомпрессорном тепловом насосе.The use of a heat pump makes it possible to increase the heat transfer of the well by lowering the temperature of the return water t ₂ pumped into the well, and the use of a steam ejector heat pump allows the use of heat due to the heat of the well, i.e. without the cost of electricity, as in a steam compressor heat pump.

Пример осуществления способа.An example implementation of the method.

Вода из скважины с температурой не ниже 80°С (по условию работы пароэжекторных тепловых насосов на низкокипящем хладагенте (фреоне, например фреоне 22), с генератором с нагревом горячей водой) подается в генератор теплового насоса (Г). Пары хладагента поступают на пароструйный эжектор (Э) и на турбину (5). Отсасываемые пароструйным эжектором пары хладагента из испарителя и от турбины направляются в конденсатор (Кд), где конденсируются при температуре порядка 25°С, отдавая тепло потребителю (3). Часть жидкого хладагента дросселируется в дроссельно-регулирующем вентиле (РВ) и направляется в испаритель (И), а часть конденсата G_K из конденсатора насосом (Н) перекачивается в генератор (Г).Water from a well with a temperature not lower than 80 ° С (under the condition of operation of steam ejector heat pumps with low-boiling refrigerant (freon, for example freon 22), with a generator with hot water heating) is supplied to the heat pump generator (G). Refrigerant vapor enters the steam jet ejector (E) and the turbine (5). The refrigerant vapor sucked off by a steam-jet ejector from the evaporator and from the turbine is sent to the condenser (Cd), where it is condensed at a temperature of about 25 ° C, giving off heat to the consumer (3). Part of the liquid refrigerant is throttled in a throttle-control valve (RV) and sent to the evaporator (I), and part of the condensate G _K is pumped from the condenser to the generator (G) from the condenser.

Для нужд теплоснабжения в холодный период у потребителя (3): производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение) используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса при температуре порядка 70°С для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), а затем направляется обратно в скважину при температуре порядка 30°С (1).For the needs of heat supply in the cold season, the consumer (3): production needs and household (heating, ventilation and hot water supply), borehole water is used after the steam ejector heat pump generator at a temperature of about 70 ° C to heat the heat carrier of the heat supply system previously heated in the condenser (Cd), and then sent back to the well at a temperature of about 30 ° C (1).

Для нужд теплоснабжения в теплый период: производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение используется скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса (Г) для нагрева теплоносителя системы теплоснабжения, предварительно нагретого в конденсаторе (Кд), и затем направляется обратно в скважину (1), а охлаждение хладоносителя для системы холодоснабжения (4) осуществляется в испарителе (И) до температуры порядка 5°С.For heat supply needs in the warm period: production needs, communal (hot water) and cold supply, well water is used after the steam ejector heat pump (G) generator to heat the heat carrier of the heat supply system previously heated in the condenser (Cd), and then sent back to the well (1), and the cooling medium for the cooling system (4) is cooled in the evaporator (I) to a temperature of about 5 ° C.

При работе в режиме турбогенератора пары хладагента (низкокипящего теплоносителя) С4 при температуре 75-80°С (при давлении порядка 3 МПа для фреона 22) направляются на паровую турбину (5) для выработки электрической энергии, а отработанный пар отсасывается паровым эжектором в конденсатор (Кд) и конденсируется при давлении порядка 0,9 МПа. При этом испаритель отключается или уменьшается его производительность.When operating in a turbogenerator mode, C4 refrigerant vapors (low-boiling coolant) at a temperature of 75-80 ° C (at a pressure of about 3 MPa for Freon 22) are sent to a steam turbine (5) to generate electric energy, and the exhaust steam is sucked off by a steam ejector into a condenser ( Cd) and condenses at a pressure of the order of 0.9 MPa. In this case, the evaporator is switched off or its performance decreases.

Claims

The method of complex use of geothermal heat using a steam ejector heat pump, in which the cooled heat carrier is supplied to the well, and the heated one transfers heat to the consumer using the steam ejector heat pump, and the heat of the well during the warm period is used to generate cold for cold supply needs, characterized in that when reducing or in the absence of heat-cold supply loads, they generate electric energy using a turbogenerator operating on a low-boiling refrigerant pair about the coolant that is received in the steam ejector heat pump generator, while the refrigerant vapors are sent to the steam turbine to generate electrical energy, and the exhaust steam is sucked into the condenser of the steam ejector heat pump with a steam jet ejector.