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.
|
|
3.4 Стенд моделирования активного участка теплообменной скважины Целью экспериментальных исследований является эмпирическое установление зависимости удельной тепловой мощности от теплофизических параметров горных пород, свойств циркуляционной системы, диаметра и глубины скважины, а также от времени. Для этого в лаборатории кафедры Бурения скважин собран экспериментальный стенд, который моделирует работу элемента активного участка теплообменной скважины. Основой экспериментального стенда (рисунок 3.6) является скважина глубиной 9,5 м, закрепленная колонной обсадных труб диаметром 127/118 мм. Скважина пробурена в четвертичных отложениях, описание и свойства которых приведены в таблице 3.1. Скважина – 4 является моделью интервала коаксиального циркуляционного теплообменного коллектора с погружным забойным насосом вибрационного типа БВ-0,12-40-У5 – б, спущенным в призабойную зону на гибком полиэтиленовом шланге диаметром 20/14 мм – б и нагнетающим теплоноситель в емкость – б. В качестве циркуляционной среды – теплоносителя используется техническая вода с температурой от 2,2 до С. Вода подается к устью скважины по входящей ветви полиэтиленового шланга из емкости – а погружным насосом – а. Мощность и максимальный развиваемый напор насосов, одинаковые и составляют 245 Вт им, соответственно. Расход теплоносителя измеряется крыльчатым расходомером СВК-15-3 (7 на рисунке 3.6). Относительная погрешность измерения расходомером составляет ±2%. Рисунок 3.6 – Схема экспериментального стенда Таблица 3.1 – Описание породи их теплофизические свойства Генезис Мощность слоям Послойное описание пород Плотность п к г/ м 3 Т еп л о провод но ст ь, λ п , В т /( м ·К ) Удельная теплоемкость с п Д ж /( к г· К ) Температуропроводность а п , 1 0 -7 мс 2,0 Техногенные отложения песок, местами глинистый, с гравием, галькой, строительным мусором, местами заторфованный 1900 2,4 1800 7,2 mlIV 4,5 Песок пылеватый, серый, с растительными остатками, средней плотности, водонасыщенный 2100 2,4 1600 7,1 lgIII 1,5 Супесь серая, пластичная 2300 2,0 1200 7,2 lgIII 1,5 Песок серый, пылеватый, с прослоями супеси, средней плотности, водонасыщенный 2100 2,4 1600 7,1 Средневзвешенные значения 2100 2,4 1600 7,1 а 2 а 4 а 6 б 1 – емкости с водой, соответственно а – на входящей линии, б – на выходящей линии (пластиковые бочки объемом пол термометры Checktemp 1; 3 – полиэтиленовые шланги а – на входящей линии, б – на выходящей 4 – теплообменная скважина глубинам мм 5 – погружные насосы типа БВ-0,12-40-У5: а – на входящей линии, б – на выходящей 6 – скважинный термометр УТСК – ТЭ – 100 на глубинах 2, 4, 6 ,8 им, соответственно 7 – расходомер СВК-15-3. 3б б 7 Измерения температуры производятся в 7 точках на входе и выходе из циркуляционной системы, с помощью термометра Checktemp 1 с погрешностью измерения Сна рисунке 3.6) и пределами измерений от 0 до Св скважине – в наружном кольцевом канале коаксиального теплообменного контура на глубинах 2, 4, 6, 8 им, с помощью скважинного термометра – уровнемера УТСК – ТЭ – 100 с погрешностью измерения также Сна рисунке 3.6) и пределами измерений от 0 до С. Естественное температурное поле в скважине будет измеряться с помощью УТСК – ТЭ – 10. Планируется провести серию испытаний длительностью по 8 часов каждый по достижении корреляционного соотношения значения большего 0,93, что означает высокую степень взаимосвязи изучаемых параметров. Также в процессе проведения испытания предвидится влияние работы погружного насоса на температуру теплоносителя в прилегающем интервале. Это воздействие может быть учтено, также как и при работе породоразрушающего инструмента на забое скважины [30]: , c Q N t ç (3.11) где з – прирост температуры теплоносителя вследствие работы погружного насоса, К N – мощность, развиваемая насосом, Вт ρ – плотность теплоносителя, кг/м 3 ; с – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К). 72 3.5 Методика статистической обработки экспериментальных данных Для оценки качества проведенных экспериментальных исследований необходимо проводить статистическую обработку их результатов. Изучаемые зависимости могут быть самыми разными линейными, нелинейными и многофакторными. Для обработки всех этих типов зависимостей подходит метод наименьших квадратов. Суть метода состоит в том, что изучаемая зависимость аппроксимируется таким выражением, которое дает наименьшее расхождение с эмпирическими данными [42]. Пусть значения величины y нелинейно зависят от величины x и подобрана теоретическая функция y T =f(x), а y i – экспериментальные значения, тогда отклонения между теоретическими и экспериментальными значениями будет определяться выражением T i i y y Далее для оценки того, насколько качественно выбранная зависимость описывает результаты эксперимента, рассчитывают дисперсию отклонений и дисперсию исходных данных , 1 ; 1 1 2 2 1 где n – число измерений, y – среднеарифметическое значение. Далее определяется корреляционное соотношение , 1 которое изменяется в интервале от 0 дои характеризует степень нелинейной зависимости между величинами x и y. Чем ближе корреляционное отношение к 1, тем сильнее зависимость, при 0 связь отсутствует. Данный метод обработки результатов подходит как к линейными нелинейным, таки к однофакторным и многофакторным зависимостям. Выводы по главе 3 1. Введенное понятие КПД теплообменной скважины, позволяет количественно оценивать качество ее функционирования, опираясь наследующие основные параметры объемный расход теплоносителя, потери давления при циркуляции в скважинном теплообменном коллекторе, объемная теплоемкость теплоносителя, а также эффективная разница температур. 2. Теплообменные процессы, протекающие в теплообменной скважине можно описать дифференциальным уравнением с граничными условиями третьего рода (3.7), а решение этого уравнения позволит определить основные характеристики работающей скважины и рассчитать ее конструкцию на этапе проектирования. 3. Для подтверждения и уточнения зависимостей, полученных входе аналитических исследований, запланировано проведение экспериментальных исследований процессов теплообмена. С этой целью сконструирован экспериментальный стенд, который моделирует работу элемента активного участка теплообменной скважины. Рассмотренная методическая база достаточна для постановки и проведения аналитических и экспериментальных исследований, нацеленных на создание методики проектирования основных конструктивных элементов теплообменных скважин (диаметр, глубина, их числа и расстояния между ними. ГЛАВА 4 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ СКВАЖИН Основными процессами, протекающими в эксплуатируемой теплообменной скважине, являются циркуляция теплоносителя в скважинном коллекторе и теплоотдача энергии от горных пород потоку рабочего агента. 4.1 Определение удельной мощности, затрачиваемой на циркуляцию, и удельной тепловой мощности Рассмотрим участок теплообменной скважины длиной H, оснащенной коаксиальным коллектором, на котором происходит активный теплообмен рисунок 4.1). В качестве теплоносителя будет использоваться техническая вода. Двигаясь вниз по кольцевому сечению со скоростью v 1 , теплоноситель будет нагреваться через стенку трубы и материал заполнителя за счет тепловой энергии, передаваемой от массива горных пород. В центральном круглом канале теплоноситель будет двигаться наверх со скоростью v 2 , получая небольшую долю тепла от потока в кольцевом канале. Таким образом, при условии, что температура теплоносителя ж ниже, чем температура пород П на всей глубине, в коаксиальном коллекторе не будут происходить потери тепловой энергии Рисунок 4.1 – Схема участка скважинной коаксиальной циркуляционной системы Потери давления на циркуляцию теплоносителя в скважинном коллекторе коаксиального типа складывается из трех составляющих [11,36,51,64]: Р – потери давления по длине в кольцевом канале Р – потери давления по длине во внутреннем круглом канале Р – потери давления в подводящей системе ив зоне пассивного теплообмена, требующей теплоизоляции. Зоной пассивного теплообмена называется интервал теплообменной скважины до глубины нейтрального слоя, температура которого недостаточна для эффективного теплообмена. Таким образом, общие потери давления будут находиться следующим образом 3 Перейдем от общих потерь давления к потерям давления нам активной зоны теплообмена общей глубиной Н, тогда из (4.1) получим 3 Тогда удельные затраты мощности на циркуляцию теплоносителя Н d 1 D D 1 v 1 v 2 ж п п - ж – длина участка скважины D и D 1 – наружный и внутренний диаметры внешней трубы d и d 1 - наружный и внутренний диаметры полиэтиленовой трубки v 1 и v 2 – скорости нисходящего и восходящего потоков пи ж – температура породи теплоносителя в кольцевом канале ∆t – температурный напор между стенкой скважины и потоком теплоносителя. где q 1 – удельные затраты мощности на циркуляцию теплоносителя, Вт/м; Q – объемный расход теплоносителям с. Теплоотдача для ньютоновских жидкостей в турбулентном и ламинарном режиме течения определяются уравнениями , Pr Re 15 , 0 ; Pr Re 021 , 0 1 43 0 33 0 1 1 43 0 8 0 1 э ж Л э ж T D D (4.4) где Re 1 – критерий Рейнольдса для режима течения в кольцевом канале Pr – критерий Прандтля; ж – коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м·К). Критерий Прандтля и Рейнольдса определяются следующим образом , Re ; Pr 1 1 1 d D v c ж (4.5) где с – теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг·К); ρ – плотность теплоносителя, кг/м 3 ; μ – динамическая вязкость теплоносителя, Пас. От теплоотдачи перейдем кудельной мощности теплообмена 1 Мировой опыт использования теплообменных скважин [118,119] показывает, что эксплуатация теплообменных скважин ведется в ламинарном, реже переходном режиме с числами Рейнольдса от 2000 до 5000 в кольцевом пространстве коллектора. Такой режим позволяет потоку теплоносителя эффективно поглощать тепловую энергию запасенную в горных породах, при этом затраты энергии на циркуляцию остаются невысокими 77 4.2 Нестационарность теплообмена и учет фактора времени В процессе эксплуатации теплообменной скважины происходит непрерывный теплообмен между массивом горных породи теплоносителем. Этот процесс можно считать непрерывным за все время циркуляции. Стечением времени интенсивность процесса теплообмена монотонно снижается при условии постоянства температуры теплоносителя подаваемого в скважину, и при этом снижается температура стенки скважины. Также со временем растет радиус зоны теплового влияния теплообменной скважины на массив горных пород, теплообмен, протекающий с таким условием, называется нестационарным [74,87]. Процесс теплообмена в коаксиальном геотермальном коллекторе является процессом нестационарными поэтому требует учета времени. В связи с этим, для учета фактора времени в первом приближении вместо коэффициента теплоотдачи следует ввести коэффициент нестационарности теплообмена [31]: , 1 где Bi – безразмерный критерий Био; Fo – безразмерный критерий Фурье, выражающиеся формулами (3.8). , 4 ; 2 2 1 1 D a Fo D Bi п п (4.8) где п – теплопроводность горных пород, Вт/(м·К); а п – температуропроводность горных пород, мс 78 4.3 Решение уравнения теплообмена Преобразуем уравнение (4.6) с учетом коэффициента нестационарности теплового потока (4.7), получим Ж П t t D k q (4.9) Для упрощения будем считать, что диаметр скважины примерно равен наружному диаметру внешней трубки коаксиального коллектора. Перейдем к дифференциальному уравнению, используя следующие замены ; dh dt Gc dh dQ q Ж (4.10) , 0 h T t П (4.11) где G – массовый расход теплоносителя, кг/с; h – текущая глубина скважины, м T 0 – температура пород нейтрального слоя, К γ – геотермический градиент, Км. После преобразований получим следующее дифференциальное уравнение 0 h T Gc D k t Gc D k dh dt Ж Ж (4.12) Для упрощения вычислений введем следующую замену Решение уравнения (4.12) ведется следующим образом обозначим функцию температуры теплоносителя через произведение двух неизвестных функций uv t Ж (4.14) Тогда: v u v u dh dt Ж (4.15) С учетом (4.13)-(4.15) уравнение (4.12) примет вид Приведем в левой части подобные слагаемые 0 h T a av v u v u (4.17) Положим второй множитель второго слагаемого левой части уравнения равным 0, тогда получим следующую систему уравнений , 0 Решим первое уравнение системы (4.18) преобразовав его следующим образом Получили линейное дифференциальное уравнение первой степени с разделенными переменными, общее решение, которого равно Перейдем к решению второго уравнения системы (4.18): Преобразуем уравнение (4.21) и получим линейное дифференциальное уравнение первой степени с разделенными переменными Решением (4.22) является следующий интеграл , 1 где C – постоянная интегрирования. Умножая (4.20) на (4.23), получим 1 0 ah Ж Ce ah a T t (4.24) Постоянную интегрирования определим из условия, что на глубине h=0 м, температура теплоносителя равна начальной температуре t Ж =t Н : Откуда постоянная интегрирования равна 0 a T t C H (4.26) Подставляя значение постоянной интегрирования в уравнение (4.24) получаем 1 0 0 ah H Ж e a T t ah a T t (4.27) Разница температур теплоносителя на забое и устье скважины будет составлять 1 В работе [118] проводилось исследование влияния теплофизических свойств материала внутренней трубки на эффективность отбора тепловой энергии. Рассматривались несколько вариантов два массива горных пород с теплопроводностью 1,4 Вт/(м·К) и 2,8 Вт/(м·К), соответственно. Также рассматривались три вида материалов со следующими теплопроводностями: 0,35 Вт/(м·К), 0,24 Вт/(м·К) и 0. После моделирования всех рассматриваемых вариантов в скважине глубиной 20 м были получены следующие результаты, представленные в таблице 4.1. Таблица 4.1 – Тепловая энергия, полученная от теплообменной скважины, МДж Время П Вт/(м·К) П Вт/(м·К) Т Вт/(м·К) Т Вт/(м·К) Т Т Вт/(м·К) Т Вт/(м·К) Т вариант 1 вариант 2 вариант 3 вариант 4 300 с 0,50 0,51 0,52 0,62 0,63 0,64 900 с 1,40 1,41 1,42 1,80 1,81 1,83 3600 сч ч 54,20 54,30 54,50 86,10 86,30 86,90 Поделим значения тепловой энергии для случаев с первыми двумя трубками назначения для случая абсолютно теплоизолированной трубки и представим результаты в графическом виде (рисунок 4.2). 81 0 1 2 3 0 4 8 12 16 20 Время, ч П о т ер и эн ер ги и , вариант вариант вариант вариант Рисунок 4.2 – Потери тепловой энергии во внутренней трубке коаксиального коллектора Согласно данным представленным на графике выше, в течение суток эксплуатации теплообменной скважины, что на практике бывает редко, потери тепловой энергии во внутренней трубке коаксиального теплообменника не превысят 1,5% большую часть времени. Если предположить, что потери тепловой энергии будут увеличиваться прямо пропорционально глубине скважины, тона каждые 10 м глубины скважины они будут составлять не более 0,75%. Таким образом, для расчета эффективной разницы температур на выходе и входе в коаксиальный теплообменный коллектор можно пользоваться формулой (4.28), внося следующую поправку на потери во внутренней трубке, при условии, что она выполнена из пластика , 10 75 , 0 1 3 H k П (4.29) где П – безразмерный поправочный коэффициент, учитывающий потери тепла во внутренней трубке H – глубина теплообменной скважины, м. Окончательная формула для расчета эффективной разницы температур для коаксиального теплообменного коллектора выглядит следующим образом 1 0 0 Gc DH k Gc DH k H П ЭФ e T D k Gc e t D k Gc H T k T (4.30) 82 |