автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Термогидродинамические процессы в геотермальных системах и энергоустановках

РГ5 ОД

/ » I,.;'.)

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДаМЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ .ТЕПЛОФИЗИКИ

На правах рукописи

ШУРЧКОВ Анатолий Васильевич

ТЕРМОПЩРОДИНЛМИЧБЯШЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Я ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ

Специальность 05Л4."04 - Промышленная теплоэнергетик

АВТОРЕФЕРАТ диссертации Аа соискание ученой степени, доктора технических наук

У

Киев 1995

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте технической теплофизики Национальной Академии наук Украины

- Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, : БОГУСЛАВСКИЙ

член-корреспондент Академии ЭМИЛЬ ИОСИФОВИЧ естественных наук Российской федераций, професгор

Доктор технических наук, ДРАГАН08

профессор БОРИС ХАРЛАМШЕВИЧ

Доктор технических наук НОСАЧ

ВИЛЬЯМ ГРИГОРЬЕВИЧ

Ведущая организация: Институт проблем моделирования в энергетике HAH Украины'

Защита диссертации состоится " £ " __ 1996 г.

в __ часов нь заседании специализированного ученого совета

Д 50.04.02 в Институте технической теплофизики HAH Украины по .адресу: 2-52057, г. Киев-57, ул. Желябова, 2-а.

С диссертацией'можно ознакомиться в библиотеке Института технической теплофизики HAH Украины.

Автореферат разослан "_"_1995 г.

Ученый секретарь специализированного

ученого совета .

доктор технических наук //[¿ßC&i Ф.А.КРИВОШЕИ

ОБЩАЯ ХАРАхСТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность гооблеш. Постоянно усиливающиеся кризисные явле-мя в энергетическом комплексе Украины являются одним из главных ¡акторов, создаюсртх напряженность в сфере материального производ-тва и социальной сфере. Зта напряженность обусловлена, с одной тороны, острой нехваткой топлива, а,' с другой стороны, необходимостью принятия безотлагательных мер ,по защите окружающей среда >т вредного воздействия топливно-энергетического комплекса.

Знергетика Укреины в настоящее время базируемся на использо-¡ании органического топлива и атомной энергии. Современная ресурс-1ая база топливных и атомной отраслей не позволяет дальнейшего гвеличения их мощности. В сложившихся условиях одним из эффектив-мх путей преодоления кризиса в энергетике' является вовлечение в топливно-энергетический/баланс новых первичных источников энергии, ю оказывающих вредного воздействия'на окружающую среду. Такими »нергоносит елями могут быть нетрадиционные источники энергии -'еотермальная, солнечная, ветровая и др.

На территории Украины весьма значительны возможности исполь-ювания геотермальной энергии. Геотермальные месторождения, перспективные для освоения, известны в Закарпатской, Харьковской, юлтавской, Одесской, Львовской, Ивано-$ранковской областях и в

. Одной из основных приодн медленного развития геотермальной энергетики является отсутствие эффективной технологии извлечения теплоты, аккумулированной глубинными слоями Земли. Анализ результатов проведенных исследований и современного ссстбячия разработки геотермальных месторождений показывает, что перспективным направлением развития технологии извлечения глубинной теплоты Земли следует считать создание геотермальных циркуляционных систем.

Цель работы - разработка научных основ интенсивной технологии извлечения и использования геотермальной энергии, освоение технологии в промышленных условиях, апробация расчетных зависимостей и методов проектирования геотермальных установок на действующих обьектах, оценка перспектив развития геотермальной энергетики Украины.

3 соответствии с этими целями ставятся следующие задачи исследований:

1. Аналитические исследования термогидродинамических процессов при движении*теплоносителя, в подземных проницаемых слоях, формулирование математических моделей этих процессов и получение зависимостей для расчета полей давл ,ний и температур.

2. Экспериментальные исследования процессов теплоперзноса на физических моделях' подземных коллекторов и лабораторных моделях геотермальных циркуляционных систем, уточнение физических концепций и долучение заминающих соотнооений для математических моделей, сравнение аналитических решений с экспериментальными данными.

3. Аналитическое исследование термогидродинамических процессов в геотермальных скважинах.

4. Термодинамический анализ процессов преобразования геотер-мэльной энергии'ь работу или теплоту, оценка энергетической эффективности преобразователей, сравнительный анализ тепловых схем геотермальных установок.

5. Проведение исследований и испытаний на действующих геотермальных установках и апробация расчетных зависимостей и'методов проектирования.

6. Разработка методических основ автоматизированного проектирования на персональных компьютерах геотермальных энергоустановок и систем разработку месторождений.

7. Оценка экономической эффективности использования геотермальной энергии и перспектив развития геотермальной энергетики Украины. . .

Научная новизна, проблема извлечения и использования глубинной теплоты Земли складывается в новое самостоятельное научно-техническое направление современной энергетики. Научные и инженерно-технические проблемы и. задачи этого направления находятся на стыке геологии, геотермии, гидрогеологии,.теплофизики и теплоэнергетики - зто комплексные проблемы.

На защиту выносятся следующие новые научные'результаты:

- физические концепции и теория процессов тегоюпвреноса при движении жидкости в подземных проницаемых слоях с учетом реальной структуры твердого скелета коллектора, размеров и формы твердых частиц; общие и частные математические модели термогидродинеадич^с-ких процессов в геотермальных циркуляционных системах;

- аналитические решения для расчета нестационарных температур частиц скелета проницаемого слоя, окружающего .горного массива к движущейся жидкости в гранулярных коллекторах при жестком режиме фильтрации; аналитическое репение для расчета пароводяных скважин;

- результаты экспериментального изучения: I/ процессов теп- •, лопереноса на физических моделях гранулярного и трещиноватого коллекторов; 2/ тсплопереноса в циркуляционных системах с различными схемами расположения скважин на экспериментальной модели геотермальной системы; Я/'гидродинамических характеристик геотермальных циркуляционных систем на щелевой модели;

. - результаты термодинамического анализа процессов преобразования геотермальной энергии в работу и теплоту, теорию идеальных преобразователей, критерии эффективности реальных преобразователей на основе эксергетического метода, результаты сравнительной оценки энергетических показателей технологических схем геотермальных установок;

результаты испытаний, проведенных на огггно-проштленных и промышленных установках и эксплуатируемых месторождениях; энергетические и экономические показатели геотермальных установок;

- методические основы автоматизированного проектирования геотермальных технологических комплексов с учетом совместной эксплуатации месторождения и энергоустановок.

Практйчес.квя ценность.

1. Освоена в промышленных условиях'интенсивная экологически чистая технология использования геотермальной энергии путем создания циркуляЦь'оиных систем, что позволяет осуществить крупномасштабное .использование нового первичного источника энергии в топливно-энергетическом комплексе Украины,

2. Определены эффективные направления использования геотермальной энергии в различных отраслях экономики, разработаны методики расчета тепловых схем энергоустановок, их оптимизации и проектирования. .

3. Выполнены разработки и промышленные испытания основного и вспомогательного оборудования геотермальных тепловых цунктов для систем теплоснабжения, разработаны рекомендации и регламенты по режимам их эксплуатации.

4. Создан компьютерный банк данных и экспертная система "Геотермальные ресурсы Украины" / первая версия /.

о

■ Внедрение результатов исследований.

. I. Разработаны и созданы в Крыму геотермальные цяркуляционш-системы для целей теплоснабжения суммарной мощностью 19 МВт.

Z. Разработана н находится в стадии строительства установка геотермального теплоснабжения г Закарпатской области.

' 3. Разработана и представлена в правительство программа "Экологически чистая геотермальная энергетика Украины".

Апробация работы и публикации. Результаты исследованиями основные положения диссертации докладывались, и обсуждалисБ"на международных сиулоз/уиэх, научных конференциях, семинарах более £0 pas jb материалам диссертации опубликовано 60 печатных работ.

I. Интенсивная технология извлечения геотермальной энергии

Главными недостатками'применяемой фонтанной технологии являются малая тепловая щюизводительность скважин, постепенное снижение дебита из-за падения пластового давления, необходимость , захоронения охлажденного теплоносителя. Указанных недостатков tie имеет циркуляционная технология извлечения теплоты глубинных слоев Земли. Для реализации этой технологии необходимо создавать геотермальные цир' уляционные системы / ГЦС /. В ГЦС осуществляет« принудительное движение теплоносителя в контуре: подъемные скважи-ны-теплоиспольэующая установка-нагнетательные скважиш-подземный проницаемый слой / коллектор /. Закачка в коллектор охлажденного теплоносителя позволяет поддерживать постоянном пластовое давление и обеспечивает возможность регулирования дебита подъемных скважин. При эксплуатации ГЦС извлекается полностью не только теплота жидкого природного теплоносителя, а также частично и теплота, аккумулированная глубинными горными породами, и таким образом, реализуется интенсивная технология извлечения геотермальной энергии. ■

Технологическая схема энергоустановок с ГЦС состоит из двух частей: геотермального промысле и преобразователя геотермальной энергии / рис. I /. Это сложная многокомпонентная система.

В основе работы этой системы лежат процессы движения, теплообмена и термодинамические процессы изменения параметров состояния потока теплоносителя в подземном коллекторе, скважинах и

элементах преобразователя энергии или теплоислольэующей установки. Эффективность термогидродинамических процессов во всех указанных элементах определяет эффективность энергоустановки и ее экономические показатели.

Технологическая схема системы теплоснабжения с ГЦС

I-геотермальный промысел /ГЦС/; П-геотермальный тепловой пункт; . Ш-потребители теплоты.

I-подземный коллектор; 2-подьем-Н8Я скважина; 3-газо-и шламоот-делитель; 4-нагнетятельный насос; 6-нагне1втельная скважина; 6-теплообменники отопительной : системы; 7-ликсвый котел; 8- \ сетевой насос; 9-тешкзобменник системы горячего водоснабжения.-;

Рис. I.

Для разработки научных основ'расчета, оптимизации и проектирования геотермальных установок необходимо провести детальное изучение термогидродинамических процессов в подземных проницаемых слоях, скважинах и процессов преобразования и использования геотермальной энергии ня .основе системного, подхода с учетом совместного функционирования ГЦС и энергоустановок. Результаты исследований указанных процессов излагаются ниже.

2. Анализ параметров водонасьпценных подземных коллекторов и выбор их расчетных моделей

Геотермальные циркуляционные системы могут создаваться базе природных или искусственно созданных подземных проницаемых слоев. В качестве природных коллекторов могут использоваться слои; заполненные термальной водой или паром, а также выработанные месторождения нефти и газа.

При создании ГЦС подземные коллекторы, по существу, выступа-от природными теплообменниками и изучение их под этим углом зрения

имеет ряд принципиальных особенностей. Ка первый план выдвигаются те свойства"коллекторов, которые определяют механизм и интенсив-' ность термогидродинамических процессов, структура сложения, размер и форма частиц твердого скелета, свойства частиц, мощность коллектора. Реальные'подземные проницаемые слои представляют собой хаотически организованные многокомпонентные дисперсные системы, в которых отдельные макрочастицы существенно различаются по своим " размерам, форме и свойствам и образуют хаотически сложенные конгломерата. 3 зависимости от структуры коллектора, формы и размеров частиц, слагающих твердый скелет, подземные коллекторы делятся на два типа: гранулярные.и блочные. В геологической классификации им соответствуют пористые и трещиноватые.

Для описания структуры подземных коллекторов на макроскопическом уровне применим метод геометрического моделирования. В ка- . честве идеальной модели гранулярного коллектора принимаем слой постоянной мощности с регулярной укладкой сферических частиц одного размера, рас сложенный между голубесконечныш непроницаемыми массивами. Поперечные и продольные размеры коллектора по простиранию значительно превосходят его мощность. В качестве идеальной модели блочного коллектора принимается слой постоянной мощности, состоящий из прослоек горной породы одинаковой толщины и разделенных вертикальными щелевыми каналами одинакового раскрытия; сверху и снизу к слою примыкают непроницаемые массивы горных пород.

3. Основные физические Концепции термогидродииамических процессов в подземных коллекторах

. Яри закачке в подземный коллектор холодной жидкости в нем происходит постоянное изменение полей температуры и давления. В призабойной зоне нагнетательных скважин образуется охлажденная зона, размеры которой постоянно увеличиваются. В этой зоне происходит изменение фильтрационных свойств коллектора и свойств жидкости. До протяженности фильтрационного потока образуются четыре зоны, с различными параметрами фильтрационного потока. Границы раздела зон можно интерпретировать следующим образом /рис.2/: I - гидравлический фронт / Хн /; % - температурный фронт / Хт /; 3 - фронт изменения структурных характеристик коллектора / Хк /.

1-нагнетательная галерея; ' 2-подьемная'галерея; 3-коллектор.

Рис.. 2.

■ Границы раздела зон постоянно перемещаются, при этом температурный фронт всегда отстает от гидродинамичес..л"о. Между гидродинамическими параметрами фильтрационного потока и температурным полем в коллекторе существует жесткая взаимосвязь. И, следовательно, задача неизотермической фильтрации должна ставиться как совмещенная термогидродинамичесная задача.

При выводе уравнений гидродинамики в подземных проницаемых слоях обычно рассматривают канальную модель коллектора и решают внутреннюю задачу; процесс' теплопереноса при фильтрации следует рассматривать ^ак внешнюю задачу, и модель обтекания ансамбля частиц представляется более естественной, При этом 'наиболее правильной является модель струйного обтекания.

Действительная скорость движения теплоносителя в ГЦС мала / не превышает 20...30 м/год / и.значение числа Рейнольдса обычно меньше единицы / йе ^ 1,0 /. В этих случаях для описания течения жидкости можно использовать теорию фильтрации, основанную на законе Дарси. '

При движении жидкости в подземном коллекторе действуют следующие механизмы теплопереноса: конвекция / вынужденная и естественная / в потоке фильтрующейся жидкости, конвективный теплообмен на границах частица-жидкость и горный массив-жидкссть, теплопро-.

водность в 'объеме частиц, теплопроводность в полубесконечном горНом массиве, контактный теплообмен между частицами, теплопроводность в потоке жидкости.-

Не основании результатов анализа порядка величин температурных градиентов и тепловых потоков установлена возможность принятия ряда упрощающих допущений: I/ в гранулярных коллекторах не учитывается контактный теплообмен между частицами и частиц с горным массивом; 2/ в блочных коллекторах не учитывается перенос тепла теплопроводностью в- направлении движения жидкости; 3/ не учитывается перенос тепле теплопроводностью в потоке жидкости; 4/ задача охлаждения горного массива, решается в одномерной постановке; 5/ в коллекторах блочного типа принимается гипотеза о мгновенном выравнивании температуры жидкости по ширине и высоте щели и тепло-приток от горного массива учитывается только в уравнениях для твердого скелета.

При выводе уравнения энергии.для фильтрационного потока возникают методические трудности, связанные с разрывностью и неопределенностью полей температур в твердом скелете и жидкости, скорости и давления, а также^ с необходимостью представления поверхностных взаимодействий в форме массовых сил.

Твердый скелет коллектора можно представить в виде непрерывной во всем объеме периодической структуры, в которой положение центров сферических частиц является строго определенным / заданным /. В этом случае температурное поле скелета является детерминированным не только в центрах всех частиц, а также и в окрестностях этик центров / в объеме сфер- радиусом Уы ~х< /• При кубической укладке, например, частицы располагаются строгими рядами и нормирование протяженности коллектора размером частиц определяет нумерацию рядов. Ори этом нестационарное поле температур в частицах будет функцией радиуса р^ и координаты / номера / ряда, в котором расположена частица. Фильтрующаяся жидкость занимает все свободное пространство между частицами,. В сечениях между рядами частиц жидкую среду можно считать сплошной. Температура жидкости строго определяется только в этих сечениях, в других точках по-рового пространства рассчитать температуру жидкости практически не удается.

Примем допущение, что в сечениях между рядами частиц / X = 11(1, ./ происходит мгновенное выравнивание температуры жид-

ности по мощности и ширине коллектора. Из этого следует, что все частицы одного ряда / поперечного /.омываются жидкостью с одинаковой начальной температурой. Следовательно, в качестве расчетной ячейки коллектора следует выбирать элемент длиною, кратной диаметру частиц: например, один ряд частиц. На этом участке коллектора к фильтрационному потоку подводится некоторое количество теплоты, а поток совераает работу на преодоление сил трения.

Определив составляющие теплопритока к жидкости, получаем следующее уравнение энергии для горизонтального фильтрационного/ потока:

Если не учитынать изменение кинетической энергии потока, влияние изменения давления на энтальпию, а также перекос тепла .. теплопроводностью в жидкости, получаем следующее уравнение тепло-переноса в гранулялном коллекторе: ' - -

Термогидродинамическая задача неиэотермической фильтрации в коллекторах блочного типа представляет собой внутреннюю тепловую и гидродинамическую задачу.при движении жидкости в щелевом канале и уравнение теплопереноса записывается в следующей форме:

"дх ' Эу' ах

Таким образом, при постановке задачи неизотермической фильтрации в подзеийом коллекторе принимаются следующие,предпосылки:.

1. Гидродинамическая задача ставится как плановая / одномерная по оси X или двумерная по осям X и У / фильтрация несжимаемой жидкости в горизонтальном пласте с переменной / во времени и по, протяженности пласта / гидропроводностью.

2. Теплоперенос в подстилающем и. покрывающем горных массивах рассматривается как одномерная задача теплопроводности / по оси г /.

3. Процесс охлаждения твердого скелета рассматривается как внутренняя задача нестационарной теплопроводности в каждой отдельной частице при обтекании ее жидкостью.

4. Теплоперенос фильтрационным потоком рассматривается как , внешняя задача конвективного теплообмена при обтекании теплоноси-г

телем частиц твердого скелета, а также подстилающего и покрывающего гор«« массивов. '■.'■"' -

: 4, Основы теории тер. ^гидродинамических процессов в геотермальных циркуляционных системах

\ Математическая модель термогидродинамичёских процессов в ГЦС, описывающая нестационарные поля температур, давлений, скоростей и свойств теплоносителя, представляет собой совокупность уравнений:

■ дх , 5х\ ц(1.) дх'

+ ^ Эу

81

гд\, д'1, \

¿4,

Д дР й(Ойх

• + кк

т = т0 + р,и(Р - Р,)

х = 0: Ч, = 1Г = 1„; Р(х,х) = Р111 г > 0:

'а. -Ёк = 0

Эх >-0 = дх ёу у»0

1г(х, т) = 1ж(х, т) ,

1ж(0,т) = 10; 1,0.х) = 1Н

Р(0,т) = Р0; РМ=р.~

При плсско-параллельной схеме фильтрации в гранулярном коллекторе математическая модель неиэотермической фильтрации записывается в следующей форме / жесткий режим фильтрации /: -«"

ax\ n(tjdx-

dtr a X, I d% 2 ftsrsv " (cp),Ur' + г дтI Okxáft .

mc

dt.

\dt.

¿■dt.

'St.

хи л. ■' ..osxs*.t''.

. О < x s¡ £ т »h

Вт (ср)я дг1 • h í jzj < л

дт

■ ' 3r

=

ц-щ/О + а,*,) . 2XK

т = 0: t„ (x, t) = tr (x, x) = tM (x, z, t) = tt

P(x,t) = PM t>0: tK('Ó,t) ^t, =sconst t.(x,t) = t,(x,T) = t,(x,T) = t„ при x > ft

3z

= 0

P(0,t) = P„ , const К dP

ИЛИ

P(x„;r) = pc = const

n(tj dx К dP

bh

= const

p(t0) dx

v

- = const

Приведенные математические модели представляют1 собой точный формулировки задачи неизотермической фильтрации / в рамках принятой физической концепции /. Из них можно получить ряд частных приближенных математических моделей,

I. Если частицы скелета коллектора имеют малые размеры или высокую теплопроводность, то их внутреннее термическое сопротивление можно не учитывать и задачу их охлаждения рассматривать.... безградиентной.

2. При высокой интенсивности теплообмена между жидкостью и. частицами твердого скелета можно принять условие мгновенного выравнивания температуры повгчхности частиц и жидкости.

3. В мелкозернистых коллекторах {а.-» «>Д,/Го 00 )• можно пренебречь внутренним и внешним термическим сопротивлением частиц и считать, что происходит мгновенное выравнивание температур.жидкости и твердого скелета коллектора.

- .4? С увеличением мощности коллектора влияние теплопритока от окружающего" коллектор горног массива на температуру фильтрационного потока уменьлается, и, следовательно, при определенной величине мощности проницаемого слоя в тепловом балансе потока можно не учитывать поступление теплоты от горного массива.

Аналитическое решение задачи жесткой неизотермической фильтрации в гранулярном коллекторе в точной постановке имеет следующий вид:. , .

др = Р - Рн = о, Г———

или

<1х ■

Т. =<

{ 1 + «Д

а„ = 0,07518^ ® .

1-1|ехр[- Р(и)ГД-фп [К1(Н0 --

Н0 >4

I :Н^4

I1 _ Н„54

Частные случаи:

I. К. »6 0 (« ю, Х,/г„ «-)

Т. =

егГ

—. • ^ Нв>(1+К€)$

1 , Н,й(1+К.№

, и. > (I + К.

2. К„_= 0 (0 < а < «>,0 <Х(/гв < <*>) Ти =|>-\}~>*

>

Г я/тя-(1-ти)£А>.(р)[1 + вф(-|1Х(Н.-5))].' Н.

I

И , »„ * 4

где

8-«

В,

2+ В,

Ч = 2К„-

2 +В,

Математическая модель упругой фильтрации для блочного коллектора содержит нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка и ее решение удается получить только численными методами. 'Алгоритм решения предусматривает предварительную линеаризацию уравнений гидродинамики и энергии для фильтрационного потока с последующим решением линейной краевой задачи численно-аналитическим методом. Линейные краевые задачи решаются в конечно-разностной постановке. Разработанный алгоритм реализован в виде программ на ЦВМ.

Выражения для К1 „ ,Ф„(р)' д6Ны

в таблице I.

Таблица I.

Схема. Кс Р1У)

/ ■ . ~ 1 <1 г! <7 сР А « 9 <£> ' VI

О £ ¿А о« Чч * Яч ■с £ . 3 <£>

1 . & £ г •«■» к + ы с «г а т о. я + с? 'А + * г Л. Л ♦ $ г) сО + н

и"

"аГ^0* АК^-и"

Л —ОО . ^Ч-ч С с-1 »

£ Кс 1 О и1 г. о о .• -

0. Экспериментальное'исследование нестационарного теплопереносэ•в подземных коллекторах

Экспериментальное изучение нестационарных термогидродинамических процессов при движении жидкости в проницаемых коллекторах проведено на моделях коллекторов гранулярного и блочного типа.

Модель блочного / трещиноватого / коллектора представляла собой щелевой канал постоянного раскрытия 28 = I мм, образованный между блоками из оргстекла размерами: Хр = 650 мм, 2й = 360 мм, 2 ( =100 мм. Гранулярный коллектор моделировался слоем шаров одного размера из оргстекла <3, = 20 мм; из оргстекла изготавливались и блоки, моделирующие окружающий горный массив. На экспериментальных моделях исследованы динамика изменения температур фильтрационного потока и твердого скелета коллектора, закономерности изменения

локальных и интегральных величин тепловыделения от частиц и горного массива, а также влияние скорости фильтрации на температурные поля в коллекторе.

На рис. 3, 4 приведены экспериментальные графики изменения

температуры фильтрационного потока и величины тепловыделений от

скелета для коллектора блочного / трещиноватого / типа.

Экспериментальные данные Экспериментальные графики

по влиянию скорости фильтрации изменения тепловыделения, на температуру потока блоков твердого скзлет_а_

1. 6 8 10 Н,

Скорость потока, см/с: 1-0,5;.2-1,0; 3-1,25; 4-1,7; 5-2,7.

Рис. 3.

Скорость потока, см/с: 1-0;57; 2-1,0; 3-2,0.

Рис. 4.

На рис. приведены экспериментальные данные для гранулярного коллектора,• • . , •Экспериментальные графики изменения температуры частиц и жидкости

W « 1,5 м/час; 1-х = 0,12; 2-х - 0,35; 3-х = 0,68; 4-х = 0,89.

Рис. 5

Полученная в экспериментах динамика изменения температурного поля в коллекторе адекватна теоретическим представлениям. Экспериментальные данные подтвередечт форшрование в коллекторе описанных ранее четырех зон изменения температуры по протяженности коллектора. Качественная картине динамики изменения температур для коллекторов гранулярного и блочного типа, полученная в экспериментах, одинакова. -

■ ..На "рис. 6. 7 представлены результаты расчётного анализа полей температур, выполненные по аналитическим зависимостям для экспериментальных.моделей.. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало достаточно высокую точность аналитических зависи- . мостей для расчета температуры фильтрационного потока.

Сравнение аналитических зависимостей с экспериментальными данными для коллекторов трещиноватого типа Т„' " '

Q6

0,4

\ N

к. ч

V N А

\ \

L. Ч \ N ■ S

Сравнение аналитического

решения с экспериментальными

данными для коллекторов

гранулярного типа и

Скорость теплоносителя:

W

0,14 Ю-4 м/с;

'Но

-экспериментальные данные; _ -расчетные данные,

Рис.7.

ОД

-J^J ¿tu IV I

Скорость теплоносителяW =4,9 10~3 м/с; I-экспериментальные данные; 2-формула I ; 3-формула Ромма; 4-формула Ловерье.

. .' Рис. 6.

Для проверки.теоретических концепций и методических положений расчёта и проектирования ГЦС, в также с целью моделирования систем разработки конкретных месторождений создана лабораторная модель геотермальной циркуляционной системы с автоматизированной системой сбора и обработки информации.

Проницаемый коллектор в модели представляет собой слой.гранитной кроши размерами в плане 30С0 х 3000 мм, мощностью 110 i-m,

средний размер частиц 4 мм. В коллекторе расположено 25 скважин, что позволяет реализовать различные гидравлические схемы ГЦС. На модели ГЦС проведено исследование 10 вариантов гидравлических схем. Динамика изменения температурного поля в коллекторе в про- • цессе эксплуатации ГЦС качественно совладеет с теоретическими представлениями / рис. 8/.

. При исследовании двухскважинных ГЦС / источник-сток / установлена зависимость характера изменения температуры теплоносителя в подъемной скважине от геометрических параметров схемы. При прорыве по кратчайшёй ленте тока в скважину охлажденной воды по другим лентам тока поступает еще вода с начальной температурой пласта. В силу этого снижение температуры теплоносителя происходит медленнее, чем при плоско-параллельном течении с тем же Дебитом скважин. Следовательно, при расчетах двухскважинных ГЦС необходимо решать двумерную плановую термогидродинамическую .задачу.

Исследование нестационарных гидродинамических режимов эксплуатации ГЦС при различных схемах расположения скважин проводилось на щелевой модели.

Экспериментальные' графики изменения температурного поля в коллекторе ГЦС

плоско-параллельное движение.

расход теплоносителя 4,4 Ю-2 кг/с.

Р.!с. 8.

Моделб проницаемого коллектора представляет собой калиброванный щелевой канал раскрытием 2 мм прямоугольной формы размерами 1565 х 1385 мм, на площади пласта расположено 30 скважин. Для моделирования упругоемкостных свойств пласта установлено 56 пьезометрических трубок. Рабочей жидкостью в модели является глицерин. ,

Нестационарные фильтрационные течения исследованы на трех регулярных схемах расположения скважин: четырехточечной, пятиточечной и семиточечной / нагнетательной во всех схемах являлась одна центральная скважина / и рядной схеме. В экспериментах изучалась динамика изменения во времени площади / объема / коллектора,

охваченной активной циркуляцией теплоносителя, динамика выхода ■на кразиустгнсрившийся режим фильтрации, определены основные гидродинамические параметры ГДС. До момента прорыва закачиваемой, жидкости в подъемные скважины происходит интенсивное увеличение Площади активной.циркуляции, а затем этот рост•замедляется и в определенный момент площадь активной циркуляции достигает стабильной величины. '

" В таблице 2 приведены экспериментальные значения..коэффициента использования площади / об- зма / коллектора К, = 5„/5с.

. Таблица 2.

К, \CxeMa , 4-х точечная 5-ти точечная 7-ми точечная

Наибольшая величина в момент прорыва-закачиваемой жидкости 0,86 . 0,61 0,71 0,48 0,67 0,32

Для рядных схем расположения скважин получены равные значения К, для момента прорыва и его максимальная величина 0,55...О,6.

Наиболее эффективное использование площади и объема коллек- ■ тора достигается при четырехточечной схеме расположения скважин / К, = 0,66 /. При этой схеме наблюдается и наиболее длительный период работы в режиме постоянной температуры теплоносителя в подъемных скважинах.

б. Аналитическое' исследование термогидродинамических процессов в геотермальных скважинах

При подъеме теплоносителя по скважине происходит изменение потенциальной, кинетической и внутренней'энергии потока. Из-за наличия потерь тепла в окружающий горный массив происходит охлаждение потока, а за счет превращения работы трения в тепло происходит повышение теплосодержания потока.

8 паровых скважинах работа, затрачиваемая на изменение(-чине-тической и потенциальной анергии потока, на преодоление сил трения о стенки скважины, а также работа на проталкивание потока • совершается только за счет работы расширения пара.

Для случая изоэнтропичегкого течения получены аналитические решения для определения давления и удельного объема по глубине скважины.

При эксплуатации геотермальных скважин, продуцирующих высокотемпературные термальные воды, движение теплоносителя происходит за счет разности пластового давления и давления на устье скважины. В том случае, когда давление в скважине меньше давления насыщения при 'пластовой температуре, в скважине происходит вскипание жидкости. По глубине скважины формируются два участка: на первом - ниже по течению от точки вскипания движется одяородная'жидкость, выие-движется пароводяная смесь. Распределение давлений в потоке однофазной жидкости можно считать 'линейным, выше точки вскипания линейный характер распределения давлений наруиается.

Математическая модель термогидродинамических процессов при течении в скважине перегретой жидкости включает уравнение движения' ' _

и дополнительные соотн'ошения_

Р,„ =(1-<Р)Р' + <РР" Ир'

ч> =

V/. =

¡Ър' + (1-В)р"]А О

Ср.

р_ с. . 2651,3-20,2 р*" ~ 3,55 2651,3-20,2р"» р' =1055-5, ЗЗр1«5 р" = 0,15 - 0,499-10"5р При выводе математической модели процесс течения и парообразования считается адиабатическим и термодинамически равновесным, принята гомогенная модель структуры двухфазного потока, принятые зависимости для Т^ С р ) , р'(р ) , р" ( р ) справедливы в диапазоне температур Тж « 3?3 ... 523 К.

Решение полученной системы уравнений приводится к интегральному соотношению для определения длины участка, на котором срабатывается заданный перепад давления / р| - р /:

1м *

н =

, д ,2. 1^1-1" у1 '•41с-____

' + р2 У' + р' ' 1-Ч>р' Р° " (2651,34- 20,0<ъ/р),„,

"О + — ~-

На основе полученных решений разработаны методики расчета и проектирования паровых и водяных геотермальных скважин.

7. Термодинамический анализ процессов преобразования и использования геотермальной энергии

Геотермальными скважинами на поверхность выводится установившийся поток теплоносителя с температурой и давлением, отличающимися от параметров. окружающей среды / Тс > Т0, ?с > Р0/. Термодинамическая система, состоящая из скважин и окружающей среды, обладает работоспособностью; ■ полезная работа в такой системе будет производиться в процессе изменения параметров потока теплоносителя и . переводя его в состояние равновесия с окружающей средой.

Возможны следующие направления использования геотермальной энергии: I/для пргизводства теплоты; 2/. для производства механической работы и электроэнергии; 3/ для производства хол<эда; 4/ комплексное использование для- одновременного производства электроэнергии, теплоты и холода. Технические средства, обеспечивающие превращение потока геотермального теплоносителя в другие виды энергий и ее полезное использование, назовем преобразователями геотермальной энергии.

Максимально возможное количество полезной работы, которое мо-, кет быть произведено потоком геотермального теплоносителя, равняется его эксеогии: - г / ' • 1

е, = сП, -т&'-з,,)]- .

где С расход теплоносителя;

•о5! ~ начальные значения энтальпии и энтропии потока теплоносителя; - скорость потока; .

I - энтальпия и энтропия потока при параметрах окружающей среды; .

Т0 - абсолютное значение температуры окружающей среды.

В реальнык преобразователях геотермальной энергии всегда имеет место потеря работоспособности, вызываемая внутренней и внешне* необратимость» термодинамических процессов изменения параметров состояния потока геотермального теплоносителя; С учетом . этого эксергетический баланс для преобразователей геотермальной энергии можно, записать следующим стразом:

I/ производство полезной работы / электроэнергии / . Б, = г, + ДЕ

I а Ичт

производство тепл.оты / холода / е^ае^ + ДЕ^, .

3/ производство работы, теплоты и холсда £, = Ц, + ДЕ, + ДЕ, + ДЕ„„

где - полгзняя работа;

ДЕ, - эксергия произведенной теплоты;

ДЕ. _ эксергия произведенного холсда;

ДЕ " суммарные потери эксергии.

Для всех типов преобразователей израсходованной энсергией будет начальная эксергия потока теплоносителя. Следовательно, критерием термодинамического совершенства преобразователя является отношение полезно использованной эксергии к начальной эксергии потока геотермального теплоносителя. Это отношение называется эксер-гетическим,к.п.д. В общем виде эксергетический к.п.д. любого типа преобразователя равен

1« = 1 - ЛЕ"~

Е,

где ДЕ^ - суммарные потери эксергии во всех элементах термодинамической системы: скважина-преобразователь-окружающая среда.

Важным практическим показателем преобразователей геотермальной энергии является величина удельного расхода геотермального теплоносителя на единицу полученной полезной работы

Эффективность традиционных теплосиловых установок характеризуется термическим к.п.д. и общим коэффициентом полезного действия. Для преобразователей геотермальной энергии эти к.п.д. хгожно определить следующим образом: термический к.п.д.г), =—^-а-— Общий К.П.Д. Ло =ЬУС,'ч С('|-'г)

Для сравнительной оценки эффективности преобразователей раз-

личного типа введем понятие образцового преобразователя геотермальной энергии. Образцовым является преобразователь, обеспечивающий получение максимально возможного количества полезной работы или теплоты / холода /. Необходимым условием этого является отсутствие внешней и внутренней необратимости всех термодинамических процессов, происходящих в преобразователе. Это возможно, если будут выполняться три следующих условия:. I/ в системе не должно быть потерь давления, связанных с трением;.2/ все процессы теплообмене должны происходить при нулевой разности температур; 3/ в системе не должно быть рассеяния энергии в окружающую среду. Следовательно, в образцовой преобразователе происходят обратимые процессы снижения температуры и давления потока геотермального теплоносителя до параметров окружающей среды.

Образцовый преобразователь геотермальной энергии в работу / электроэнергию / представляет собой нециклическое устройство, обеспечивающзе перевод потока геотермального теплоносителя в равновесие с окружающей средой в- результате двух обратимых процессов адиабатного расширения и изотермического охлаждения и производящее максимально возможное количество полезной работы. Данная конфигурация термодинамических процессов в образцовом преобразователе не зависит ни.от фазового состояния, ни от начальных параметров потока геотермального теплоносителя. На рис; 9 приведены диаграммы изменения параметров потока теплоносителя в образцовом преобразователе для трех, случаев начального состояния: перегретая вода, пароводяная смьдь, перегретый.пар.

Диаграммы изменения параметров рабочего телэ в образцовом преобразователе

Суммарное количество полезной работы, произведенной в обратимых адиабатном и . изотерическом процессах равно: • .

Эксергетический к.п.д. образцового преобразователя геотермальной энергии в работу равен единице:

Рис.9

2Г

■ Образцовым преобразователем геотермальной энергии в теплоту является теплообменный аппарат, обеспечивающий охлаждение потока геотермального теплоносителя до температуры окружающей среды в обратимом изобарном процессе без трения и передачу всей теплоты вторичному теплоносители.

Диаграмма изменения параметров потока геотермального теплоносителя приведена на'рис. 10.

Количество т.еплоты, выделяемое при- изобврном процессе равно

Ч = 0(1, -и Г , 1'

Эксергия этого количества теплоты равна = .9[('/ ~'г.) ~ Ч'сДОл) j « т.е. равна начальной эксергии геотермального теплоносителя. Следо-

Идеальный преобразователь геотермальной энергии в теплоту.

I - ■ «■•

¡п м

вательно, количество произведенной теплоты равно максимально возможному.

Эксергетический к.п.д. рассмотренного процесса отвода теплоты от потока геотермальього теплоносителя равен единице:

Лэко=ЛЕ./Е1=]

В случае, когда скважины выводят на. поверхность поток насыщенного пара, ■образцовый преобразователь имеет две ступени: вначале в конденсаторе происходит конденсация пара при температуре Т2, а затем охлаждение конденсата в теплообменнике до тем-Рис. 10. пературы Т0. При использовании при-

родного перегретого"пара преобразователь имеет три ступени охлаждения.

Реальные процессы течения, расширения и теплообмена в энергетических установках являются необратимыми. Необратимость процессов изменения параметров состояния потока геотермального теплоносителя обуславливает потерю его работоспособности и приводит к снижению КОД преобразователей. Яри анализе реальных процессов и теплогых схем геотермальных установок важно определить источники наибольших потерь работоспособности.

Наиболее близкими по своим показателям к образцовым преобразователям являются энергоустановки для использования природного

пара. Для производства полезной работы в этом случае используются традиционные паровые турбины. Эксергетический к.п.д. реального преобразователя из-за наличия необратимых потерь в турбине и конденсаторе становится меньше единицы. Необратише потери оксергии вызываются наличием трения в турбине и конденсацией пара при температуре выше температуры окружающей среды.

Гораздо больше необратимых потерь эксергии возникает при ис- — пользовании для производства электроэнергии перегретой термальной воды.

Главной задачей является разработка технических устройств, обеспечивающих повышение эффективности реальных преобразователей и приближение их к образцовому. В диссертационной работе исследуются три типа преобразователи: I/ установки с многоступенчатым адиабатным испарением термальной воды; 2/ установки "полного потока"; 3/ установки с низкокишпцим вторичным теплоносителем. •

Наиболее простым техническим решением является установка с адиабатным испарителем термальной воды, схема которой приведена на рис. II.

Преобразователь геотермальной Анализ потерь работо-

энергии с адиабатным испарителем способности в одноконтурной

тепловой схеме ГеоЭС показа^, что наибольшие потери работоспособности связаны с необратимостью процессов в • адиабатных испарителях. Зги потери значительно сокращаются в установках многоступенчатого испарения, когда частично охлажденная в первой ступени термальная вод» поступает в испаритель вто<* рой ступени и т.д., а обр«-, эующийся в каждой ступени пар подается в отдельные отсеки турбоуствновки. Эксергетический ШЩ многоступенчатого. испарителя всегда меньше единицы и равен:

„ У а> К* -1') - ^уМ

где а,

- количество пара, образующегося в каждой ступени, выраженное в долях от единицы расхода термальной вода;

- энтвльпия образующегося пара.

В установках "полного потока" основными элементами являются сопла Лаваля и турбина. Разогнанный в сопле до больших скоростей поток геотермального теплоносителя подается на лопатки ковшовой турбины, где срабатывается кинетическая энергия. Эти установки отличаются чрезвычайной простотой й надежностью. Основная трудность - создание.сопел и турбин с малыми гидравлическими потерями.

;В преобразователях с низкокипящим вторичным теплоносителем источником наибольших потерь работоспособности являются теплообменные ^ аппараты, в которых происходит передача теплоты от термальной во-' ды к рабочему телу циклической установки. Схема установки приведет на рис. 12.

Схема двухкоитурного преобразователя геотермальной энергии

> . __1_______

Л.

т*

д дштоЫ'ск! ццот

ТВ^ММ^---

Рис. 12.

В диссертации приведены результаты анализа эффективности преобразователей с низкокипящими вторичными рабочими телами, а ' также результаты сравнения различных типов преобразователей геотермальной энергии в работу.

В реальных 'преобразователях геотермальной энергии в теплоту потери эксергии вызываются наличием разности температур потоков : теплоносителей в теплообменных аппаратах. В связи с этим большой практический интерес представляют преобразователи с контактными теплообменными аппаратами, в которых возможно уменьшить разность температур теплоносителей. В диссертационной работе исследованы режимы работы реальных преобразователей.

Наиболее эффективное использование эксергии и теплоты потока геотермального теплоносителя достигается при комплексном использовании его для одновременного производства электроэнергии, холода и теплоты. Схема установки приведена на рис. 13 и рис. 14 приведен тепловой баланс установки. Комплексное использование геотермальной энергии позволяет весьма существенно повысить коэффициент использования теплоты / в 2 ... 2,5 раза /.

8. Опытно-промышленные испытания на геотермальных месторождениях и энергоустановках

Опытно-промышленные испытания циркуляционной технологии извлечения геотермальной энергии были проведены в Крыму, где в пое. Ильинка.в 1983 г. был создан модуль ГЦС.

Основываясь на результатах испытаний опытной ГЦС в пос.Ильинка, была создана промышленная геотермальная циркуляционная систе-.ма для,целей теплоснабжения жилого поселка, которая эксплуатируется более .10. лет.

.г В последующе ' в Крыму были пробурены скважины и созданы ГЦС на трех площадях: Новоселковской, Октябрьской и Северо-Сивашинской. Основные характеристики ГЦС приведены в таблице 3.

Результаты проведенных испытаний- в Крыму позволили выявить ряд общих закономерностей изменения технологических показателей работы ГЦС, а'также выявили и ряд особенностей, обусловленных

различием гидрогеологических условий различных площадей. На всех объектах установлено,■что при заданном режиме эксплуатации достаточно быстро стабилизируются величина'расхода теплоносителя и динамическое давление на устье подъемных скважин..Фактические данные, иллюстрирующие характер изменения дебита, динамического давления на устье подьемной скважины и давления нагнетания охлажденного теплоносителя на ГЦС в п. Сизовка и п. Ново-Алексеевка / площади Новоселковская и.Октябрьская /, приведены на рис. 15.

Таблица 3. .

Характеристики модулей ГЦС в Крыму

п/п Площадь, поселок Глубина скважины, м Дебит скважины, м3/сут Температура воДЫ. °с Мощность коллектора

Новоселковская площадь

I. Ильинка 1200 ' 1300 57 100

2. Сизовка 1400 1700 61 93

3. Трудовое 1160 2100 53 НО

4. Зерновое 1100 2000 50 НО

5. Котельниково 1500 1600 65 100

6. Низинное 1060 ■ 700 47 100

Октябрьская Площадь

7. Янтарное 230Ó 2000 85 200

8. Ново-Алексеевка 1360 • 4000 54 200

9. Ровное 1569 3200 62 150

10. Войково 1500 400 69 . 80

II. Пятихатки 1300 1000 51 80

Северо-Сивашская площадь

12. Медвэдевка 1500 1100 67 80

Проведенные наблюдения на семи объектах в Крыму показали, что первоначальный рост давления нагнетания является внутренним свойством коллектора и связан С его упругоемкими свойствами.

Проведенные в Крыму многолетние испытания подтвердили эффективность циркуляционной технологии, ее экологическую чистоту и стабильность эксплуатации геотермальных месторождений.

Результаты испытаний ГЦС

Рис. 15.

Технология создания ГЦС в настоящее время является освоенной в промышленных масштабах для извлечения геотермальной энергии с глубины до 3000 м и при температурах теплоносителей до 120...130°С.

На базе ГЦС в Крш^у были созданы и прошли испытания геотермальные тепловые пункты для теплоснабжения потребителей. Испытаны, технологические схеда и оборудование для использования термальных вод с различной начальной температурой: от 5б°С до 85°С; минерали-> эация изменялась от 2 г/л до 32 г/л.

Результаты обобщения полученных фактических данных приведены на рис. 16. Здесь пока' аны зависимость от. начальной температуры эксергетического к.п.д> установок и доли геотермального источника в годовом отпуске теплоты.

? Энергетические показатели геотермальных тепловых пунктов

, у

1 *

У

/

/

Рис. 16.

*

На рис. 17, 18 приведены диаграммы годового теплового баланса

и потоков эксергии геотермального теплоносителя, построенные по

фактическим данным эксплуатации ПГП в п. Ильинка.

•Годовой тепловой баланс СПГ Баланс эксергии потока

геотермального теплоносителя

Рис. 17. Рис. 18.

Анализ полученных фактических данных свидетельствует об эффективности систем геотермального теплоснабжения. Даже при. температурах термальной воды 55...60°С возможно обеспечить более 60л годового отпуска теплоты за счет геотермального источника и сократить расход топлива. Достигнутые эксергетические к.п.д. установок незначительно отличаются от теоретически достижимых.

Нолевые испытания пароводяных скважин, а также испытания геотермальной электростанции проведены на объектах Камчатки,

Сравнение аналитических зависимостей для расчета пароводяных скважин с фактическими данными по Паужетсному и Мутновскому месторождениям показали их хорошую сходимость.

Комплексные испытания Паужетской геотермальной электростанции и обобщение результатов ее. многолетней эксплуатации позволили определить энергетические характеристики основного и вспомогательного оборудования и выполнить анализ эффективности тепловой схемы и отдельных ее элементов. " •

На рис. 19 приведена диаграмма потоков эксергии в тепловой схеме Паужетской ГеоТЭС, которая наглядно показывает источники наибольших потерь работоспособности. Это испаритель-сепаратор, турбина и паропроводы.

Диаграмма потоков эксергии в тепловой схеме Лаужетской ГеоТЭС

^^^^ мни^иояк

Основным источником потерь работоспособности является испаритель, где потери эксергии превышает 402. Для снижения этих потерь следует применять схему многоступенчатого испарения.

Рис. 19.

9, Математическое моделирование и оптимизация геотермальных энергоустановок

При проектировании геотермальных энергоустановок необходимо разработать два функциональных комплекса: геотермальный промысел / ГЦС / и теплоэнергетическую установку / ТЭУ /.

Для моделировании геотермальных месторождений используются -жесткие модели, описывающие детерминированные процессы. Адекватность математической модели природному объекту устанавливается сравнением расчетного распределения / пространственного и временного / температур и давлений с данными фактических намерений на месторождении.

Математическая модель геотермального месторождения включает следующие элементы: I/ описание пространственной структуры, геометрии и границ месторождения Г = Г( X, У, 2), проницаемых коллекторов Г^ = Рк( Х ,У, £) и характерных геологических комплексов Г5 = Г^ (Х> У( г) ; 2/ совокупность-уравнений массопереноса и теллопереноса в коллекторах и окружающих их горных массивах, а также уравнений теплового и водного питания на границах; 3/ совокупность уравнений состояния и функциональных зависимостей для свойств, теплоносителя и горных пород вида С, * С( ( Т, р ) ,

ФД Х.У, z,T,P ) ; 4/ зависимости, описывающие начальное состояние систем* в заданный момент t, вида: Т, ( Х,У, z т0 ) . Т6 ( X.y.z,); р С Х.У, z , T(J)* Рр( Х.У, г),

w(X,y, . т 0) « .W0 ( X, У, г ) выражение функции цели.

Рассмотренная модель описывает месторождение в его естественном состоянии без геотехнологического воздействия. Для составления математической модели геотермального промысла необходимо добавить формализованное, Описание системы разработки: совокупность уравнений, описывающих схему расположения подъемных и нагнетательных " скважин SK, = , у);, Snl=фс, у) ; уравнение движения теплоносителя в коллекторе; уравнение движения теплоносителя в скважинах и зависимости для гидравлических сопротивлений; зависимости, описывающие режимы работы подъемных и нагнетательных скважин; совокупность неравенств, описывающих технические и технологические ограничения виде . '

g„£G ;тпРей£-siа; * «WW1-^) •

Математическая модель поверхностной геотермальной энергоустановки включает следующие элементы: схему связей по всем энергоносителям в форме графа технологической схемы матриц соединений; совокупность балансовых уравнений / эксергетического, материального, уравнения движения / для всех агрегатов технологической схемы вида Ф(х, у(xl xR)= 0; совокупность технических характеристик для всех агрегатов вида ?пе = Р(х, у(х)); совокупность нера-' венетв, описыввйцих технические ограничения на независимые / X / • и зависимые / У / параметры и технические характеристики вида

xw<« у С * )«У*»« , а также .

функцию вида 3 = 3(х, у (х^ xR, хвн).

Задача оптимизации технико-экономических показателей ГЦС и ГЭУ сводится к нахождению минимумов функций удельных приведенных затрат / функций цели /• Зрцс и Згэу Нахождение условий абсолютного оптимума возможно только при комплексной технико-экономической оптимизации всей технологической схемы с учетом совместного функционирования промысла и энергоустановки.

Разработанные математические модели геотермальных месторождений и энергоустановок явились основой для разработки информационной системы "Геотермальные ресурсы Украины". Первая версия этой системы реализована на базе сети персональных компьютеров.

Информационная система состоит из трех подсистем, банка данных, базы знаний, экспертной системы, Архитектура этой системы приведена на рис. 20.

Информационная система "Геотермальные ресурсы Украины"

Р=п

Рис. 20.

10. Реализация результатов исследований термогидродинамическик процессов в геотермальных системах и энергоустановках

Результаты проведенных исследований позволили решить следую- ~ щие практические задачи: I/ разработать, создать, испытать и сдать УМ типовой-геотермальный тепловой цункг / акт и протокол приемки МВК дан в приложении /; 2/ разработать "Технические условия на геотермальные циркуляционные системы- на естественных коллекторах" и "Требования к подготовке термальной воды для обратной закачки в продуктивный пласт";-3/ выполнить анализ экономической эффективности использования геотермальной энергии на основе фактических показателей действующих установок; 4/ выполнить оценку перспектив использования, геотермальной энергии в различных отраслях хозяйства; 5/ разработать программу развития геотермальной энергетики Украины; б/ разработать, создать и сдать в. эксплуатацию системы геотермального'теплоснабжения суммарной мощностью 19,5 МВт, что обеспечивает ежегодную экономию топлива в количестве 1С000 т.у.т.

В качестве типового оборудования для широкомасштабного внедрения разработок блочно-модульный геотермальный тепловой пункт, предназначенный для использования термальных вод с температурой от оС°С до 95°С. На этот тепловой пункт разработана проектно-

конструкторская документация и согласовано серийное изготовление на заводах Украины.

В таблице 4 приведены для сравнения экономические показатели геотермального теплового пункта и топливных котельных / на мазуте и угле /:

Таблица 4.

Технико-экономические показатели систем теплоснабжения

Р 1 Показатели • !Геотер- 1Газомаэут- !Твердотоплив-

п/п мальный ная ко- ная котельная

тепловой тельная пункт

1. Годовое количество отпущен' ной теплоты, МВт ч/год 19200

2. Себестоимость отштценной 0,44-

41

3. Удельные капиталовложения, 22000 млн.крб/МВт /тыс.долл.США/ /тлл/ МВт ' '

4. Удельные приведенное зат- 1,13 раты, млн.крб/МВт ч/ • /г> пт/ дслл.США/кВт ч/ /0'01/

Анализ данных табл. 4 показывает, что системы геотермального теплоснабжения требуют значительно больших капвложений по сравнению с котельными. Однако,'ежегодные затраты на эксплуатацию геотермальных источников значительно ниже, что существенно снижает себестоимость отпускаемой теплоты. Это обстоятельство предопределяет высокую рентабельность геотермальных источников по сравнению с установками на органическом топливе.

О коммерческой эффективности развития геотермальной энергетики в условиях рыночной экономики свидетельствуют, результаты анализа и оценок, выполненных по методике Международного центра промышленных исследований "ЮНОДО". '

Бизнес-планы геотермальных проектов показывают возможность получения прибыли выше заданного фактора дисконта.

Полученные научные и практические результаты, а также кризисное состояние энергетики Украины, позволяют выдвинуть концепцию ускоренного развития геотермальной энергетики,' как яльтернативнего энергоисточника.

19200 19200

1,84 1,72

/0,016/. /0,015/

401,5 244,

/3,4/ /2,1/

1,85 1,72

/МТ6/ /0,015/

. С учетом предложенной концепции разработана программа "Экологически чистая геотермальная энергетика Украины", которая включена в Национальную программу Украины "Энергоресурсы". Программой предусматривается введение в топливно-энергетический комплекс к 2010 г. дополнительных мощностей: систем геотермального теплоснабжения - 2000 МВт и геотермальных электростанций - 1000 ЫЗт. 3 результате выполнения программы годовой обьем экономии топлива в г-2005 г. составит 2 млн.т.у.т. и в 2010 г. достигнет б "млн.т.у.т.

Заключение

. В работе впервые выполнены исследования процессов движения, теплообмена и изменения термодинамических параметров состояния установившегося потока геотермального теплоносителя во всех элементах технологической схемы: подземном коллекторе/скважинах и теплоэнергетической установке. Установлено, что расчет и оптимизацию геотермальных энергоустановок следует проводить с учетом взаимодействия промысла и теплоиспользующей установки.

Совокупность проведенных исследований позволили создать научные основы интенсивной технологии извлечения и использования -глубинной теплоты .недр, разработать, методики для расчета и оптимизации геотермальных энергоустановок и систем разработки месторождений и апробировать их по результатам многолетних наблюдений в промышленных условия '.

Главным практическим результатом работы является промышленное освоение технологии ГЦС и ее внедрение.

■В работе получены следующие новые научные результаты: I. Составлена общая математическая модель термогидродинамических процессов при нагнетании в подземный коллектор холодного теплоносителя / ГЦС /, основанная на применении дифференциальной 'формы записи закона теплопереноса в непрерывной фазе / жидкости / и интегральной вегччины тепловыделений от частиц твердого скелета; при атом в гранулярных коллекторах гидродинамика потока и процесс Теплообмена рассматривается как внешняя -задача при обтекании частиц сферической форма; в коллекторах блочного типа / трещиноватых / процесс теплопереноса рассматривается как внутренняя задача при течении жидкости в узком щелевом канале. Получены приближенные

математические модели термогидродикамических процессов для частных случаев теплообмена и структурных характеристик коллекторов.

2. Для жесткого режима фильтраций получено фундаментальное аналитическое решение для нестационарных полей температур и давлений я коллекторах гранулярного и трещиноватого типа. На основе этого решения получены приближенные решения для частных случаев теплообмена: безградиентное охлаждение частиц твердого скелета; теплообмен при больгсих скоростях фильтрации; теплообмен в мелкозернистых коллекторах; теплообмен в коллекторах большой мощности.

3. Результаты экспериментальных исследований на моделях коллекторов подтвердили правильность физической концепции термогидродинамических процессов в подземных пластах, позволили получить замыкающие соотношения для математических моделей и оценить точность аналитических решений.

4. На основе.результатов экспериментальных исследований на лабораторной модели ГЦС установлены основные закономерности и получены количественные оценки влияния гидрогеотермических условий месторождений, схем систем разработки и режимов их эксплуатации на технологические и Технико-экономические показатели ГЦС. Установлено, что наблюдается 'три периода изменения температуры теплоносителя в подъемных скважинах: период постоянной температуры, равной начальной температуре коллектора; период падающей температуры и период квазиустановившейся температуры.

5. Эффективность извлечения теплоты недр в значительной степени зависит от гидродинамической схемы ГЦС. Критерием рациональности гидродинамических схем системы разработки может служить коэффициент использования объема / площади / коллектора. Экспериментальные исследования показали, что наибольшая величина этого коэффициента не превышает 0,6, Установлено, что наилучшие показатели обеспечивает четнрехточечная схема расположения скважин.

6. Составлены математические модели термогидродинамических процессов в паровых и паро-водяных скважинах с использованием замыкающих экспериментальных соотношений для гомогенной структуры потока. Получены аналитические решения для изоэнтропического и адиабатического течения. Составлены программы для расчета. Сопоставление результатов расчетов с данными натурных наблюдений на месторождениях показали их хорошую сходимость.

?, Впервые на основе эксергетического метода выполнен детальный анализ преобразования и использования геотермальной энергии. Введено понятие образцового / идеального / преобразователя для сравнительной оценки тепловых схем энергоустановок. Эксергетичес-кий КЦД такого преобразователя равен единице.

Эксергетический-КДЦ реальных преобразователей может достигать 0,3...0,7. Наиболее высокую термодинамическую эффективность обеспечивают схемы комплексного использования геотермальных теплоносителей для производства электроэнергии, холода и теплоты.

8. Установлено, что при использовании теплоносителей с различной те.тературой для получения-электроэнергии следует выбирать оптимальный тип преобразователя: при температуре 550 К - преобразователь с тремя ступенями адиабатного расширения; при температуре 430,..550 К т двухконтурный преобразователь с использованием Н-пентана; npvf температуре 350...420 К - преобразователь с Н-бутаном.

9. Для нескольких конкретных месторождений составлены замкнутые математические модели с использованием данных многолетних наблюдений на месторождениях и испытаний энергоустановок, разработаны алгоритмы и программы, обеспечивающие оптимизацию тепловых схем, термодинамических параметров и технико-экономических показателей, что позволит контролировать эффективность эксплуатации ' промысЛа-, обеспечить наилучшие технико-экономические показатели геотермальных энергоустановок.

10. Внедрение установок геотермального теплоснабжения в Крылу и их многолетняя эксплуатация позволили апробировать проектные, конструкторские и технологические решения, обеспечивающие

их высокую надежность и экономическую эффективность.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Аронова H.H., Шурчков A.B., Морозов С.П., Приходько A.M. Сравнение аналитических решений и экспериментальных данных по тэплопереносу в подземных коллекторах // Геотехнологические аспекты геотермальной энергетики. - Махачкала,1984.-С.II6-I22.

2. Забарный Т.Н., Шурчков A.B., Ярис.А.А., Горохов М.Й., Магдалена Перес-Лопес - "Оценка эффективности комплексного использования геотермальной скважины № I месторождения Сан-Хасинто /Никарагуа/.- Киев, 94 - 53 стр. Препринт.

3. Кремнев O.A., Куравленко В.Я., Шурчков A.B. К вопросу освоения тепле глубинных горных пород // Изучение и использование глубинного тепла Земли. - Ii. : Наука, 1973. - С. 25-34.

4. Кремнев O.A., Еурчков A.B.-Принципиальные тепловые схемы получения электроэнергии и их термодинамический анализ // Вопросы использования тепла Земли для производства электроэнергии. - М., 1976. С. 40-59.

5. Кремнев O.A., Шурчков A.B.', Аронова H.H. Процессы теплопе-реноса при движении жидкости через подземные коллекторы'//.Изучение и использование геотермальных ресурсов в вулканических областях. - М. : Наука, 1979.

6. Нремнев O.A., Шурчков A.B., Аронова H.H., Козлов Е.4. Нестационарный теплообмен при движении жидкости через подземный проницаемый слой ,// Тепломассообмен. - Минск. 1976. Т. 5. - С. 177-186,

7. Шурчков'A.B., Белодед В.Д. Интенсивные технологии изгле-" чения и использования геотермальной энергии // Материалы Международного научного форума "Энергетические проблемы XXI века:» сегодняшние подходы к решению проблем завтрашнего дня". - t.U, 1976.

8. Ыурчков A.B., Крупевич Т.Г. Автономная системе геотермального теплоснабжения жилого поселке // Геотермальный бюллетень. -1993. '-Вып. 7-8. - С. 39-41.

9. ШурчковА.В., Крупович Т.Г. Геотермальное теплоснабжение при рентиляции сельскохозяйственных обьектов // Современные-проблемы вентиляции и экологической безопасности промышленных и , сельскохозяйственных зданий. - Санкт-:1етербург, 1992. - С. 201-204,

10. Авторское свидетельство № I6Ö4395, кл. В 01 01 Д 19/00, от 0.07.90 г. \

11. Авторское свидетельство № 1657896, кл. 24 3/08, от '22.02.91 г. '

12. Авторское свидетельство № 1638489, кл. 24 3/08, от I.12.90 г.

13. Авторское свидетельство № I36I388, кл. 04 1/18, от 22.08,87 г. : , , '

14. Авторское свидетельство № 1244457, кл. ' 28 Д 15/00 от io.03.86r. . •

1С. Авторское свидетельство 1408069, кл. 01 К 2I/C4 от 8.03.88г. •

ANNOTATION

Shurchkov A./. Thermohydrodynamcal processes in the isothermal systems and power installations.

Dissertation for seeking: сt doctor science degree on 05.l4.cn Industrial heat enargeucs. institute of Ea^meerjna-Thetwphyb'ios of Hattonal Academy of Sciences of Ukraine, Kiev,, 1995. ; . . ' "

80 scientific works are submitted, which с contain the results of scientific and experimental researches. of heat transfer in .geotherval - straturos and wells. The creaticn of new ft^thenat tea} nodels of heat transfer in gecth&rmal stratums and veils. Thesa mathematical ¡nodels are used fcr creation of ntv calculation^methods for technological indexes of ceothemal plants.Conduct results of experimental researches and definition of empirical coefficients for brink up creation mathematical models. . • .

АННОТАЦИЯ

Шурчков А.В. - Теркогидродина1Д1ческие процессы в геотермальных систеиах и'энергоустановках.

Диссертация на соискание yu^iofi степени доктора технических наук по специальности 05.14.04 - промцзлзниая теплоэнергетика. Институт технической теплофизики НАН.Украина, Киев, 1S95.

Защищается научных работ, в' которых содержатся результаты научных и экспериментальных исследований теплообмена прк движении теплоносителя в геотермальном подземном клаете и гестер-. мзльнои скваужне. Построены новые математические модели процесса теплоперокосе в подеемяом коллектора к еквашне. С использованием этих моделей ра&работака методика расчётов технологических показателей гьотермаль1шк установок. Приведены резулгтаты экспериментальных -исследоватай до определению зшжркчееккх коэффициентов, необхог'мых для зашканкя разработанных махематкчееккк . „моделей.

Клачом с до ра: геотермальна установка, тдаеынкй колектор. гасгериальна свердловика, математична модель, ко9фщ1ент теп-лов1дцзч1: "