Диссертация по альтернативным скважинам. ДИССЕРТАЦИЯ_СТРАУПНИК. Обоснование и разработка технологии опробования и эксплуатационной разведки ресурсов тепловой энергии приповерхностных толщ горных пород теплообменными скважинами
 Скачать 3.09 Mb.
|
|
1.1 Принцип использования низко потенциальной тепловой энергии с помощью теплообменных скважин В настоящее время в мировой промышленности наблюдается значительный рост производства и использование все большего объема энергоносителей – нефти и газа. Мировые запасы данных видов энергоносителей истощаются, экологическая обстановка из-за продуктов сгорания углеводородов ухудшается. Человечество все ближе и ближе подходит к проблеме разработки и использования новых альтернативных источников энергии. Одним из таких альтернативных источников энергии является тепловая энергия, запасенная в толще горных пород. Толчок к развитию системы тепловых насосов получили в х гг. XX века. Вначале своего развития подобные отопительные системы устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий они стали доступны большему числу потребителей. Подобные системы устанавливаются в новых зданиях или заменяют собой устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета кг. доля тепловых насосов в теплоснабжении составит 75% [96,102]. Тепловую энергию горных пород принято подразделять на собственно геотермальную и низко потенциальную. Геотермальная энергия использует тепло пород, которые разогреты до температуры кипения воды и выше. Эти условия обуславливают и технологию использования данного вида тепловой энергии. Геотермальные ресурсы тепловой энергии недр (глубинное тепло Земли) представлены двумя основными видами 1. Гидротермальными, динамическими и самоизливающими, теплоносителями в которых являются геотермальные воды (вода, пар, пароводяные смеси 2. Петрогеотермальными, теплоносителями в которых являются скелеты пород природных коллекторов и практически безводные (непроницаемые или слабопроницаемые) нагретые горные породы. В настоящее время глубина бурения геотермальных скважин достигает 3...5 тыс. м. Геолого-технические условия бурения геотермальных скважин определяются следующими факторами температура породили теплоносителя, минерализация, качество теплоносителя и пластовые давления. Очевидно, что использование геотермальной энергии сопряжено с высокими капитальными затратами и сложностью в проектировании и строительстве. Использование низко потенциальной тепловой энергии горных пород приповерхностных толщ, в отличие от глубинной геотермальной, не требует больших капитальных затрат и учета сложных геолого-технических условий бурения. Именно поэтому, начиная с третьей четверти XX века, использование данного вида энергии находит все более широкое применение в Европе рисунок 1.1) 0 20 40 60 80 100 120 Швеция Ита ли я Ф р ан ц и я Н о рве ги я Ф и н л я н д и я Г е р м ан и я Ш в ей цари я П о рту га ли я В е ли кобр и та ни я А в стр и я Э с тони я П о ль ш а Б е ль ги я Н и де р л ан д ы Ч е хи я Ч и с л о отопительных систем, использующих низко потенциальную э не р ги юго р н ы х пород, тыс ш т. Рисунок 1.1 – Использование тепловых насосов в мире а) – доля использования региона от общего числа установленных систем б) – количество установленных систем в странах Европы и Северной Америке [85,92,100]. В настоящее время наблюдается четкая тенденция увеличения доли низко потенциальной энергии в отоплении и кондиционировании гражданских и производственных помещений [101,103,105]. В России доля использования данного вида альтернативного источника энергии минимальна и от общей доли занимает лишь десятые доли процента. Использовать низко потенциальную энергию горных пород позволяет применение технологии тепловых насосов - механизмов, работающих по принципу "холодильника наоборот" (рисунок 1.2) [35,42,45]. б) а) Рисунок 1.2 – Схема работы теплового насоса Отопительная система, использующая тепловой насос, состоит из трех теплообменных контуров. Первичный циркуляционный контур служит для того, чтобы теплоноситель мог отбирать низко потенциальную энергию у того или иного источника. Для эффективной работы необходимо, чтобы теплоноситель нагревался на 3...8 С. Такой перепад температур могут обеспечивать различные источники низко потенциальной тепловой энергии водоемы воздух массив горных пород. Каждый из перечисленных источников энергии обладает различными достоинствами и недостатками. Достоинство использования энергии водоемов и воздуха заключается в том, что отсутствует необходимость в бурении скважин, что значимо сказывается на объеме капитальных вложений при строительстве отопительной системы. Однако недостатком является тот факт, что для использования энергии водоема, он должен находиться в непосредственной Грунт Коллектор близости от отапливаемой площади, что по очевидным причинам не всегда возможно. Использование в качестве низко потенциального источника тепловой энергии воздуха перестает быть эффективным в области отрицательных температур, что неприемлемо для большинства регионов в России в зимний период [95]. Самым доступным источником низко потенциальной энергии является массив горных пород. Для создания первичного теплообменного контура сооружаются так называемые теплообменные скважины. Современный опыт показывает, что глубина бурения подобных скважин колеблется в пределах 50...200 м [78,80], конечные диаметры бурения, в зависимости от конструкции колеблются от 90 до 219 мм [84]. Количество теплообменных скважин зависит от мощности теплового насоса и площади отапливаемого помещения. Теплоноситель нагревается, проходя первичный теплообменный контур. В качестве теплоносителей применяются вода, рассолы и водные растворы этиленгликоля. Выбор теплоносителя зависит от режима эксплуатации теплового насоса, а именно от температуры с которой теплоноситель нагнетается в скважину, чем она выше, тем выше КПД работы теплового насоса. Объемный расход теплоносителя находится в диапазоне 10…30 л/мин. Нагретый теплоноситель попадает в тепловой насос и сообщает тепловую энергию внутреннему теплообменному контуру. Во внутреннем контуре циркулирует хладагент, который имеет низкую температуру кипения. Хладагент, нагреваясь, испаряется и попадает в компрессор. В компрессоре давление газообразного хладагента повышается, за счет чего температура газа также растет. Разогретый газ передает тепловую энергию вторичному контуру, после этого температура газа снижается, ион проходит через дросселирующую систему сброса давления и переходит в жидкое состояние, затем цикл повторяется [55]. Вторичный теплообменный контур – это собственно отопительный контур помещения. Начальная температура во вторичном контуре колеблется в пределах 15 60…70 С, для случая отопления помещения системой традиционных радиаторов, и – 30…35 С – для системы аэрокондиционного отопления [66]. В особых случаях, когда территория, отведенная под бурение теплообменных скважин, ограничена или потребности в тепле превышают мощность установленного теплового насоса, а также вовремя пиковых нагрузок, возможен также и бивалентный режим работы системы, то есть такой режим, когда в отопительную линию подключается традиционный обогревательный прибор. 1.2 Варианты оборудования теплообменных скважин Под теплообменной скважиной подразумевается скважина, пробуренная на относительно небольшую глубину (дом, оборудованная специальным теплообменным коллектором и предназначенная для переноса низко потенциальной тепловой энергии от массива горных пород к тепловому насосу для ее трансформации в энергию с более высоким потенциалом. Скважинным теплообменным коллектором называется циркуляционная система различной конструкции, установленная в теплообменной скважине и предназначенная для того, чтобы циркулирующий в ней теплоноситель аккумулировал в себе тепловую энергию массива горных породи доставлял ее на поверхность к тепловому насосу. В мировой практике сооружения теплообменных скважин используются самые разные конструкции скважинных теплообменных коллекторов рисунок 1.3). Наиболее часто применимыми типами теплообменных коллекторов являются образные и двойные образные, ввиду простоты конструкции и относительной дешевизне [113]. Для создания коллекторов подобного рода чаще всего используются гибкие полиэтиленовые трубки РЕ, РЕ и РЕ-Ха наружного диаметра 32 и 40 мм [97]. При использовании двойного образного коллектора предпочтение отдают трубкам меньшего диаметра, а при использовании одинарного – применяют большие диаметры [116,117]. Рисунок 1.3 – Конструкции коллекторов слева – образная, по центру – двойная образная, справа - коаксиальная Пространство между стенкой скважины и коллектором заполняется различными по составу тампонажными материалами. Функции такого заполнения следующие создание плотного контакта между стенкой скважины и стенками трубок, для обеспечения возможности эффективного кондуктивного теплообмена гидравлическая изоляция теплоносителя от геологической среды во избежание возможного загрязнения подземных вод. В современной практике для тампонирования теплообменных скважин используются традиционные цементные растворы на основе портландцемента – ПЦ400 и пр. Применение таких растворов позволяет создать достаточно качественный контакт стенки скважины и теплообменного коллектора. Теплопроводность таких растворов, после отвердевания, колеблется в пределах 0,5…0,8 Вт/(м·К), что сопоставимо с теплопроводностью воды – 0,58 Вт/(м·К), но примерно на порядок ниже, чем теплопроводность большинства горных пород верхней части разреза. Также широкое применение находят глиноцементные растворы [25], которые изготавливаются из портландцемента и глинопорошка, чаще всего – бентонита различных марок. Подобного рода растворы обеспечивают более качественный контакт стенки скважины с коллектором, а коэффициент теплопроводности тампонажного камня достигает значений до 1,5 Вт/(м·К). Также применяются смеси специального назначения для тампонирования теплообменных скважин. Эти смеси состоят из бентонита и кварцевого песка. Содержание кремнезема в песке, используемом для данных смесей, превышает 90% и достигает 99%. Параметры некоторых смесей, которые присутствуют на рынке России, представлены в таблице 1.1. Таблица 1.1 – Параметры тампонажных смесей для теплообменных скважин Параметр THERMO-SEAL GEOSEAL STUWATHERM Z Теплопроводность, Вт/(м·К) 1,6 0,70…2,08 * 2,0 Плотность готового раствора, кг/м 3 1 200 1 210…1 740 1 700 Плотность минеральной части, кг/м 3 2 620 2 620 2 650 Рекомендуемое водоцементное соотношение 0,67 до 0,67 0.57 * - параметры колеблются в зависимости от содержания кварцевого песка в составе смеси от 30 до 68,4% от массы сухой смеси. Применение подобных смесей обладает рядом преимуществ, среди которых [81,112]: при одинаковой глубине теплообменных скважин применение специальных смесей, по сравнению с цементными, позволяет снизить энергозатраты на работу отопительной системы на 10…15%; применение специальных смесей поддерживает температуру в скважине выше за счет высокой теплопроводности, что позволяет отказаться от использования морозостойких добавок – этиленгликоля и солевых растворов. Одной из самых эффективных конструкций теплообменного коллектора являются коаксиальные трубы (рисунок 1.3). Для изготовления данного вида коллектора используются различные материалы. Часто применяется тоже, что и для образных систем, то есть полиэтилен марок РЕ, РЕ и РЕ-Ха. Помимо этого применяется также и сочетание полиэтиленовых трубок, в качестве внутренней трубы коаксиальной системы, и стальной – наружной трубы. Такая комбинация обеспечивает больший теплосъем, за счет высокой теплопроводности стали, примерно 46 Вт/(м·К), по сравнению с теплопроводностью полиэтиленовых трубок, около 0,2…0,4 Вт/(м·К) [99]. Применяемые коаксиальные коллектора имеют следующие геометрические характеристики наружный диаметр внешних трубок колеблется от 50 до 130 мм, наружный диаметр внутренних трубок колеблется в пределах от 32 до 90 мм [91, 118]. В университете г. Цинлин Китайской народной республики, профессорами Суном, Вонгом, Йаном и пр, была собрана демонстрационная модель [109] по изучению работы теплообменных скважин различных конструкций (рисунок 1.4). Рисунок 1.4 – Схема расположения экспериментальных скважин китайской демонстрационной модели с указанием типов коллекторов Проведенные исследования, направленные на выявление наиболее эффективной скважины в работающей системе, дали следующие результаты. 6 мм мм м №2 Одинарная U-обр. №3 Одинарная U-обр. №4 Двойная U-обр. №1 Двойная U-обр. №5 Коаксиальная Отношения полученной тепловой энергии к затраченной на циркуляцию теплоносителя для соответствующих скважин оказались следующими №1 – 1,91; №2 – 1,68 и №5 – 2,73 [108]. Коаксиальные коллекторы, по сравнению с образными показывают себя более эффективными, поскольку площадь контакта коллектора с массивом горных пород при той же длине выше. Коаксиальные теплообменные коллекторы позволяют получить больше (на 10…20%) тепловой энергии от горных пород, по сравнению с двойными и одинарными образными коллекторами, при прочих равных условиях. Циркуляция теплоносителя в коаксиальном теплообменном коллекторе, как показано на рисунке 1.3, может осуществляться различными способами теплоноситель с начальной температурой подается в кольцевой канал между трубами и с глубиной нагревается, затем на забое скважины теплоноситель попадает во внутренний круглый канал, по которому поднимается на поверхность или наоборот. Итальянскими исследователями из университета Болоньи [118] исследовался вопрос об эффективности работы теплообменной скважины при различных схемах подачи теплоносителя в центральный канал и кольцевой канал коаксиального коллектора. Методом конечных элементов была смоделирована работа теплообменных скважин с различными конструкциями коаксиальных коллекторов, а также с различными способами подачи теплоносителя в них. В качестве модели были выбраны следующие конструкции скважин и коллекторов глубина скважины 20 м, диаметр наружной стальной трубки (AISI304) 50/46 мм в первом случае и 54/50 мм – во втором диаметр внутренней пластиковой трубки (PE-Xa, либо PP-R80) 32/26 мм и 40/32 мм, соответственно в качестве теплоносителя используется техническая вода удельная теплоемкость единицы объема горных пород составляет 2000 Дж/(м 3 ·К). Во всех случаях поток, направленный в скважину через кольцевой канал позволяет получить больше энергии по сравнению с потоком, направленным в центральный канал (таблица 1.2). Эффект наиболее заметен впервые мин работы теплообменной скважины, что объясняется тем, что при подаче теплоносителя в кольцевой канал, он сразу взаимодействует со стальной трубкой, тогда как при иной циркуляции поток сначала проходит по центральному каналу и лишь затем вступает в теплообмен с окружающим массивом горных пород. Таблица 1.2 – Разница в полученной тепловой энергии при подаче теплоносителя в кольцевой канал и центральный канал при различных условиях, % Время Компоновка №1 Компоновка №2 Теплопроводность пород 1,4 Вт/(м·К) Теплопроводность пород 2,8 Вт/(м·К) Теплопроводность пород 1,4 Вт/(м·К) Теплопроводность пород 2,8 Вт/(м·К) PE-Xa PP-R80 PE-Xa PP-R80 PE-Xa PP-R80 PE-Xa PP-R80 5 мин 31,59 30,28 32,93 31,71 41,92 40,13 43,72 41,71 15 мин 9,08 9,18 10,53 10,49 12,09 11,85 14,27 13,36 ч 2,91 2,21 3,78 2,96 3,23 3,33 4,47 3,73 6 ч 0,93 0,69 1,70 1,53 1,14 1,05 1,75 1,48 24 ч 0,68 0,61 1,17 1,36 0,69 0,56 1,25 1,05 Подача теплоносителя в кольцевой канал позволяет повысить эффективность и снизить потери в начальный период работы теплообменной скважины. Установка коаксиального коллектора в теплообменной скважине может быть различной. Первый вариант, как ив случае с образными трубками, заключается в следующем после спуска коллектора в скважину пространство заполняется специальными тампонажными растворами. Второй вариант предполагает, что наружная колонна труб находится в непосредственном контакте с окружающим массивом горных пород, что, в свою очередь, позволяет снизить термические сопротивления на границе горная порода – теплообменный коллектор. Альтернативным вариантом оборудования теплообменных скважин является установка теплообменного коллектора в скважину, обсаженную перфорированной колонной труб (рисунок 1.4) [88, 93]. При таком исполнении теплообмен с массивом горных пород осуществляется не через материал цементного камня, а через циркулирующую в скважине воду из водоносного горизонта. Вода в скважине циркулирует благодаря естественному конвективному переносу. Для использования подобной системы необходимо, чтобы в геологическом разрезе был мощный напорный водоносный горизонт с высокой температурой, высоким коэффициентом фильтрации и высокой действительной скоростью фильтрации, чтобы не допустить сильного снижения температуры в горизонте подземных вод. Стоит также отметить, что при вышеописанной конструкции теплообменной скважины, ее можно использовать и как водозаборную. Также появляется возможность выполнять ремонтные работы в скважине, что было невозможно в случае ее полного тампонирования. Возможно также и применение технологии, которая не предусматривает использования теплообменных коллекторов. В этом случае сооружаются две скважины одна из которых – нагнетательная, по которой теплоноситель нагнетается в пласт хорошо проницаемых порода другая – теплоизолированная, по которой нагретый теплоноситель поднимается на поверхность. Достоинство использования данного типа теплообменных скважин заключается в низкой стоимости их сооружения, по сравнению с ранее описанными конструкциями. Однако использование такой конструкции требует наличия в разрезе мощного водоносного горизонта с сильно проницаемыми вмещающими породами, а также исключает возможность применения в качестве теплоносителя все, кроме воды. 22 1.3 Теплообменные скважины в Санкт-Петербурге и Ленинградской области На территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области постоянно действуют более 100 объектов [1, 17], которые используют низко потенциальную тепловую энергию горных пород для отопления с помощью тепловых насосов и теплообменных скважин. Первые объекты начали появляться в х годах прошлого века. На территории Санкт- Петербурга действует порядка 10 компаний ООО «Рефком», ООО «ЭнерГео», ООО «Альянс-Нева», ООО «СтройКоммТехнология», ООО Невская ГРК» и др, предлагающих свои услуги по бурению теплообменных скважин, продаже и установке тепловых насосов. Стоимость бурения теплообменных скважин сопоставима со стоимостью бурения скважин на воду. Сроки окупаемости подобных отопительных систем в экономических условиях Северо-Запада России составляет, в зависимости от первоначальных капитальных вложений, до 8…15 лет, причем большая часть средств до 70…80% расходуется на бурение и оборудование теплообменных скважин. Пик в строительстве жилых и производственных объектов в Санкт- Петербурге и Ленинградской области, которые для отопления используют тепловые насосы в сочетании с теплообменными скважинами, пришелся на докризисное время 2004…2008 года. После этого темп сооружения подобных систем несколько снизился [2]. 28 июня 2011 года Правительство Санкт-Петербурга приняло программу "Наука. Промышленность. Инновации в Санкт-Петербурге" на 2012…2015 годы, утвержденную постановлением Правительства Санкт-Петербурга от 28.06.2011 № 835 Общий объем финансирования основных мероприятий Комплексной программы составляет 6173,5 млн. руб. Одними из основных направлений реализации Комплексной программы являются 23 - ресурсосбережение и энергоэффективность в промышленности Санкт- Петербурга, в том числе развитие применения возобновляемых источников энергии - популяризация научных знаний и продвижение инновационной продукции, расширение рынков и содействие экспорту инновационной продукции - развитие научного потенциала Санкт-Петербурга. В качестве объектов, которые отапливаются и кондиционируются с помощью теплообменных скважин, чаще всего выступают загородные коттеджные дома и небольшие производственные помещения. Примеры некоторых объектов и их характеристики приведены в таблице 1.3 [8,13,59]. Таблица 1.3 – Характеристика объектов Санкт-Петербурга и Ленинградской области, использующие для отопления тепловые насосы и теплообменные скважины Расположение Число скважин Глубина скважин, м Отапливаемая площадь, м 2 Мощность теплового насоса, кВт ЛО, пос. Кобона 2 78 165 7,7 СПб, пос. Солнечное 3 85 200 12,7 ЛО, пос. Токсово 3 110 500 16,6 СПб, пос. Комарово 4 112 370 28,0 ЛО, пос. Грузино 5 112 375 28,0 ЛО, пос. Рощино 3 110 600 16,6 СПб, г. Ломоносов 5 110 435 28,0 ЛО, пос. Овсяное 10 50 500 28,0 СПб, Малый пр. ПС 3 95 260 14,2 СПб, пос. Лисий Нос 3 110 340 21,6 24 |