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.
|
|
Т е м п е р а т у р а , Сна входе на выходе 2,0 3,0 4,0 5,0 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , 0 С Рисунок 5.6 – Результаты измерения температуры (испытание №3): а) температуры на входе и выходе из скважины б) эффективная разность температур Таблица 5.4 - Измерения температуры в экспериментальной скважине, С испытание №3) Время, мин Глубинам 3,8 4,3 4,2 4,4 4,6 28 2,7 3,4 3,5 3,8 4,2 4,4 38 2,6 3,2 3,3 3,5 3,9 4,1 48 2,5 3,4 3,5 3,7 3,9 4,1 58 2,7 3,5 3,6 3,7 3,9 4,1 68 2,9 3,3 3,5 3,8 4,0 4,1 78 2,9 3,4 3,5 3,8 3,9 4,1 88 2,8 3,4 3,5 3,8 3,9 4,1 98 2,7 3,2 3,3 3,5 3,6 3,8 108 2,6 3,2 3,3 3,5 3,6 3,8 118 2,7 3,7 3,6 3,7 3,9 4,1 148 2,6 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 178 2,5 3,4 3,5 3,6 3,7 3,9 208 2,5 3,2 3,5 3,7 3,8 3,8 238 2,4 3,1 3,4 3,6 3,8 3,8 268 2,4 3,0 3,5 3,7 3,8 3,7 298 2,3 3,1 3,4 3,5 3,7 3,7 328 2,3 3,0 3,4 3,7 3,8 3,6 358 2,3 2,9 3,2 3,5 3,7 3,5 388 2,7 2,8 3,2 3,4 3,6 3,5 418 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 3,8 448 3,0 3,2 3,5 3,7 3,8 3,9 478 3,1 3,3 3,7 4,0 4,0 4,1 а) б) Испытание №4. 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , Сна входе на выходе 2,0 3,0 4,0 5,0 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , 0 С Рисунок 5.7 – Результаты измерения температуры (испытание №4): а) температуры на входе и выходе из скважины б) эффективная разность температур Таблица 5.5 – Измерения температуры в экспериментальной скважине, С испытание №4) Время, мин Глубинам 3,4 4,1 4,4 4,6 5,0 28 2,7 3,3 3,5 4,0 4,3 4,5 38 2,7 3,2 3,4 3,6 3,9 4,2 48 2,6 3,0 3,3 3,6 3,8 4,0 58 2,6 3,1 3,2 3,7 3,8 4,0 68 2,6 3,0 3,2 3,6 3,8 4,0 78 2,6 3,0 3,2 3,5 3,7 3,9 88 2,6 3,1 3,2 3,5 3,7 3,9 98 2,6 3,0 3,1 3,4 3,6 3,8 108 2,6 3,0 3,1 3,4 3,6 3,8 118 2,7 3,3 3,3 3,5 3,7 3,9 148 2,6 3,3 3,4 3,6 3,7 3,8 178 2,7 3,2 3,5 3,6 3,7 3,9 208 2,6 3,1 3,3 3,6 3,7 3,8 238 2,5 3,1 3,3 3,5 3,6 3,8 268 2,5 3,0 3,3 3,5 3,6 3,7 298 2,4 3,1 3,4 3,5 3,6 3,8 328 2,5 3,0 3,3 3,6 3,7 3,7 358 2,4 3,0 3,3 3,5 3,5 3,6 388 2,5 2,9 3,2 3,3 3,5 3,5 418 2,8 3,2 3,4 3,6 3,8 3,9 448 2,8 3,3 3,5 3,7 3,8 3,9 478 3,0 3,5 3,8 4,0 4,0 4,1 а) б) Испытание №5. 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , Сна входе на выходе 2,0 3,0 4,0 5,0 0 100 200 300 400 Время, мин Т е м п е р а т у р а , 0 С Рисунок 5.8 – Результаты измерения температуры (испытание №5): а) температуры на входе и выходе из скважины б) эффективная разность температур Таблица 5.6 - Измерения температуры в экспериментальной скважине, С испытание №5) Время, мин Глубинам 3,3 4,3 4,6 4,8 5,1 28 2,7 3,3 3,5 4,1 4,3 4,4 38 2,7 3,1 3,3 3,5 3,8 4,2 48 2,6 3,0 3,4 3,6 3,8 4,0 58 2,7 3,1 3,2 3,7 3,9 4,0 68 2,6 3,0 3,3 3,6 3,8 3,9 78 2,6 3,1 3,2 3,5 3,7 3,9 88 2,7 3,1 3,2 3,6 3,8 3,8 98 2,6 3,1 3,2 3,4 3,6 3,9 108 2,6 3,0 3,1 3,5 3,6 3,8 118 2,7 3,2 3,3 3,5 3,7 3,9 148 2,7 3,2 3,4 3,6 3,7 3,8 178 2,7 3,2 3,6 3,7 3,8 3,9 208 2,6 3,2 3,4 3,6 3,7 3,8 238 2,4 3,1 3,3 3,5 3,6 3,8 268 2,5 3,1 3,3 3,5 3,6 3,8 298 2,4 3,0 3,5 3,6 3,7 3,8 328 2,5 3,0 3,3 3,5 3,7 3,8 358 2,6 2,8 3,3 3,5 3,6 3,7 388 2,6 2,9 3,2 3,4 3,5 3,6 418 2,8 3,1 3,4 3,6 3,8 3,9 448 2,9 3,3 3,5 3,7 3,8 3,9 478 3,1 3,5 3,9 4,0 4,1 4,2 а) б) 99 5.3 Обработка и анализ результатов эксперимента 5.3.1 Анализ эффективности работы теплообменной скважины Данные серии из пяти испытаний показывают, что наблюдается хорошо прослеживающаяся зависимость эффективной разницы температур от времени. Так как в процессе испытаний расход теплоносителя был примерно неизменен и затраты энергии на циркуляцию постоянны, то основным фактором, влияющим на эффективность работы экспериментальной теплообменной скважины, являлась эффективная разница температур (см. формулу (3.5)). Рассчитаем КПД и оценим эффективность работы экспериментальной скважины, пользуясь усредненными значениями эффективной разницы температур. Результаты расчета представлены на графике (рисунок 5.9). 83 86 89 92 95 98 0 100 200 300 400 Время, мин К П Д , Рисунок 5.9 – Изменение КПД теплообменной скважины в зависимости от времени КПД теплообменной скважины при условии постоянного расхода теплоносителя и постоянной начальной температуры теплоносителя, что и было реализовано в процессе экспериментальных работ, нелинейно снижается стечением времени. Полученную функцию можно условно разбить на два участка первый участок 0…100 мина второй – 100…480 мин. На первом участке функция имеет явный степенной характер. Первые 100 мин проводимых испытаний характеризуются высокой эффективной разностью температура также большими, по сравнению со вторым участком, колебаниями. Этот факт объясняется тем обстоятельством, что в начальный момент циркуляции теплоносителя теплообмен в скважине носит неустановившийся характер. Второй участок более пологий, что говорит об установившемся режиме теплообмена. Данный участок более информативен, сточки зрения оценки продолжительности использования теплообменной скважины, именно этот участок принимаем за расчетный. Результаты аппроксимаций и полученные уравнения для различных участков зависимости КПД от времени (η=f(τ)) представлены на графике (рисунок 5.10). η = 102,41τ -0,03 η = -0,012τ + 91,09 83 86 89 92 95 98 0 100 200 300 400 Время, мин К П Д , Рисунок 5.10 – Аппроксимация функции В первый интервал работы теплообменной скважины значение КПД снизилось примерно на 10% за 100 мин, во второй – снижение составило около 5% за 380 мин, таким образом, в установившемся режиме работы теплообменная скважина функционирует более эффективно 101 5.3.2 Расчет полученной удельной тепловой мощности Для постоянного расхода теплоносителя значение удельной тепловой мощности, как и КПД, зависит лишь от разницы температур теплоносителя на конкретных глубинах. Это значение может быть рассчитано следующим образом з) где q – удельная тепловая мощность, Вт/м; ∆t i – разница температуры на ом интервале скважины, Сна длине h i , м. Произведем расчет экспериментальных значений удельной тепловой мощности (рисунок 5.11), пользуясь усредненными значениями температур, указанных в таблицах 5.2…5.5, для следующих интервалов скважины 1. 0…2 м, длиной 2 мм, длиной 2 мм, длиной 2 мм, длиной 2 мм, длиной 1 м 102 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м 0 100 200 300 400 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м Рисунок 5.11 – Результаты расчета удельной тепловой мощности а) б) в) г) да) интервал 0…2 м б) интервал 2…4 м в) интервал 4…6 мг) интервал 6…8 м д) интервал 8…9 мВ первых двух интервалах уровень удельной тепловой мощности, как и предполагалось ранее выше, чем на глубинах нижем, что является результатом влияния дополнительного теплового источника – теплотрассы. С глубиной данное воздействие снижается. На последнем измерительном интервале 8…9 м также наблюдаются повышенные значения тепловой мощности, которые обусловлены влиянием работы погружного насоса. Определим это влияние, пользуясь зависимостью (3.11). Значение з С, внесем эту поправку в расчет удельной тепловой мощности (рисунок 5.12). 0 50 100 150 200 250 0 100 200 300 400 Время, мин У д . тепловая мощность, В т /м Рисунок 5.12 – Расчет удельной тепловой мощности на интервале 8…9 мс учетом поправки Для дальнейших расчетов будем использовать данные с тех интервалов, где влияние сторонних источников тепла минимально, то есть интервалы 4…6 мим Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельной тепловой мощности Рассчитаем значения удельной тепловой мощности, пользуясь зависимостями (4.9) и (4.42), и сравним эти значения с полученными входе эксперимента. Сравнение будем производить для установившегося режима теплообмена, для промежутка времени от 100 домин. Результаты сравнения представлены на графике (рисунок 5.13). 0 30 60 90 120 0 100 200 300 400 500 У д . тепловая мощность, В т /м Время, мин экспериментальные значения расчетные значения по формуле (расчетные значения по формуле (Рисунок 5.13 - Сравнение экспериментальных и расчетных значений удельной тепловой мощности Теоретические значения удельной тепловой мощности, рассчитанные двумя различными способами, практически идентичны, начиная примерно с 30 мин циркуляции теплоносителя. Различия в начальный период циркуляции достигают отв нулевой момент времени и снижаются до значения 3% к 30 минуте. В дальнейшем расхождение минимально и не превышает 1%. Для оценки точности и коррелируемости экспериментальных данных с расчетными произведем статистический анализ и рассчитаем следующие показатели дисперсию распределения случайной величины, остаточную дисперсию и корреляционное отношение, пользуясь зависимостями (3.12)…(3.14). Результаты расчетов представлены в таблице 5.7. Таблица 5.7 – Результаты расчета статистических параметров Статистический параметр Сравнение с зависимостью (4.9) (4.42) Дисперсия распределения случайной величины, σ y 11,8 10,2 Остаточная дисперсия, σ δ 99,4 106,9 Корреляционное соотношение, η 0,94 0,95 По достижении коэффициента корреляции до значений указанных в таблице 5.7 испытания были остановлены. Полученные значения корреляционных отношений близки к единице, что говорит о достаточно высоком качестве аппроксимации экспериментальных данных обеими зависимостями. Различия в подходах при расчете зависимостями (4.9) и (4.42) заключаются в способе учета нестационарности теплового потока. В первом случаев качестве критерия используется коэффициент нестационарности теплового потока, а во втором, радиус зоны теплового влияния теплообменной скважины на окружающий массив горных пород. Одновременное применение зависимостей обеспечит дополнительный контроль 106 5.5 Расчет радиуса зоны теплового влияния экспериментальной скважины Произведем расчет средних радиусов зоны теплового влияния для каждого интервала теплообменной скважины с помощью выражения (4.31) в различные моменты времени входе испытаний. Результаты представлены на графике ниже рисунок 5.14). 0 118 178 238 298 358 418 478 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Радиус зоны теплового влияниям, м Рисунок 5.14 – Увеличение радиуса зоны теплового влияния в различное время входе проведения испытания (рядом с графиками указано время в мин) Ранее условились входе испытаний считать массив горных пород изотропным, поэтому проведем усреднение полученных значений (рисунок 5.15). 107 0,0 0,1 0,2 0,3 0 100 200 300 400 Время, мин Р а д и у с зоны т еп л о в о г о в л и я н и я , м Расчетные данные Аппроксимирующая кривая Рисунок 5.15 – Зависимость радиуса зоны теплового влияния от времени На момент окончания испытаний среднее значения радиуса теплового влияния достигло отметки около 25 см от оси скважины или 20 см относительно стенки скважины. Для расчета радиуса депрессионной воронки в гидрогеологии широко применяется эмпирическая зависимость [3]: , 5 Г) где а – пьезопроводность, м 2 /сут; τ – время откачки, сут. По аналогии с гидрогеологией подберем для расчета радиуса зоны теплового влияния уравнение вида П) где b – эмпирический коэффициент а П – температуропроводность горных пород, мс τ – время, с D – диаметр скважины, мс эмпирический показатель степени. Второе слагаемое в (5.3) введено для того, чтобы в нулевой момент времени значение радиуса зоны теплового влияния было численно равно радиусу скважины. После обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов и подбора эмпирических коэффициентов получена зависимость 108 72 , 1 86 , 0 3 0 П) Как показывают расчеты, вторым слагаемым в (5.4) можно пренебречь без значительной потери точности 86 , 0 П (5.5) На графике (рисунок 5.16) представлено сравнение расчетных зависимостей (4.31), (5.4) и (5.5). 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 400 800 1200 1600 Время, мин Р а д и у с теплового влияниям (Рисунок 5.16 – Расчет радиуса зоны теплового влияния различными способами Расчетные значения радиуса теплового влияния, полученные с использованием различных зависимостей достаточно близки. Наибольшие расхождения между зависимостями (4.31) и (5.5) составляют не более 13% ив абсолютном выражении – величину до 3,25 см, что на практике является допустимой погрешностью. Зависимости (5.5) и (5.4) имеют расхождение лишь на начальном промежутке времени до 15 минуты, которое составляет величину до 15%, после этого момента разница уменьшается до долей процента. 109 5.6 Статистическая обработка значений эффективной разницы температур Особенности распределения температуры по глубине скважины отражают характер теплового взаимодействия приповерхностной части массива горных пород, ограниченного поверхностным строением и приповерхностными тепловыми источниками. Температура в скважине уменьшается от устья к забою, эта аномалия связана стем, что в трех метрах от скважины на глубине 2 м проложена теплотрасса. Средние значения разницы температур на входе и выходе из теплообменной системы, а также их теоретические значения согласно (4.30) приведены на графике (рисунок 5.17). На графике также приведены границы погрешности измерений экспериментальных данных. 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0 1 2 3 4 5 6 7 Время, ч Э ф ф ек т и в н а я разность температур, К Экспериментальные данные Теоретические значения нижняя граница с учетом погрешности измерений верхняя граница с учетом погрешности измерений Рисунок 5.17 – Теоретические и экспериментальные значения эффективной разницы температур Значения температур, полученные в первый час испытаний, исключены из обработки, ввиду неустановившегося режима теплообмена. Корреляционное отношение экспериментальных и теоретических данных равно 84%, что указывает на то, что зависимость (4.30) хорошо описывает изменение эффективной разницы температур стечением времени. Ввиду невысокой точности единичного измерения (С, погрешность измерения разницы температур составит С. На графике (рисунок 5.17) видно, что теоретическая кривая полностью лежит в поле вероятных реальных значений. Таким образом, относительно невысокое значение корреляционного отношения говорит не о слабом описании процесса нестационарного теплообмена в ТС, а о недостаточной точности измерений. Полученное выражение для определения эффективной разности температур теплоносителя, циркулирующего в коаксиальном коллекторе ТС, может быть использовано как для непосредственного расчета рассматриваемой величины при проектировании ТС, таки для обратных расчетов конструктивных параметров, таких как глубина и диаметр скважин. Достоинством полученной методики расчета является учет всевозможных факторов, оказывающих влияние на процесс теплообмена между теплоносителем и массивом горных пород, таких как теплофизические свойства горных породи теплоносителя, режим циркуляции, геометрия каналов, потери тепла во внутреннем канале коллектора и нестационарность теплообмена стечением времени. 5.7 Анализ натурных наблюдений на Исследовательском полигоне На территории Остравского технического университета функционирует 110 эксплуатирующихся теплообменных скважин, поэтому показателю данный полигон является крупнейшим в Центральной Европе. Все скважины сгруппированы по 10 скважин, каждая из групп подключена к одному из десяти тепловых насосов. Группы скважин находятся в эксплуатационном режиме в разные периоды. Входе натурных наблюдений была собрана и обработана информация по работе полигона за период с сентября 2007 г. по апрель 2010 г. Первый этап работы включал в себя обработку информации, полученной от измерительной системы, а именно статистическая обработка, исключение ошибочных данных, выявление датчиков работающих неисправно и представление информации в виде графиков (рисунок 5.18) [7,70]. Рисунок 5.18 – Форма представления данных после обработки Данные некоторых датчиков часто отсутствовали или были заведомо неверными. После обработки информации были выделены наиболее информативные периоды работы системы теплообменных скважин (рисунок 5.19). Рисунок 5.19 – Диаграмма работы датчиков Самым информативным периодом работы измерительной системы является период с сентября 2007 г. по июнь 2009 г. Среди массива представленной Выходящая линия Скважина VO 75 Входящая линия Температура пород Скважина MV5 информации был выделен наиболее представительный промежуток времени – март 2008 г, так как именно в этот месяц система работала в самом нагруженном режиме. За указанный интервал был проведен анализ работы теплового насоса рисунок 5.20) и теплообменных скважин, также были выбраны скважины с наибольшим количеством достоверной информации VO71 и MV1 – первая из которых эксплуатационная, а вторая наблюдательная, в который не осуществляется циркуляция теплоносителя. 0 4 8 12 16 20 24 0 1 .0 3 .2 0 0 8 0 3 .0 3 .2 0 0 8 0 5 .0 3 .2 0 0 8 0 7 .0 3 .2 0 0 8 0 9 .0 3 .2 0 0 8 1 1 .0 3 .2 0 0 8 1 3 .0 3 .2 0 0 8 1 5 .0 3 .2 0 0 8 1 7 .0 3 .2 0 0 8 1 9 .0 3 .2 0 0 8 |