автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Защита энергетического оборудования геотермальных систем от карбонатных отложений

На правах рукописи

АХМЕДОВ ГАНАПИ ЯНГИЕВИЧ

ЗАЩИТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

05.14.01 — Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

З ОК Г 2013

Новочеркасск 2013

005534184

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» и в ФГБУН «Институт проблем геотермии» Дагестанского научного центра Российской академии наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Исмаилов Тагир Абдурашидович

Официальные оппоненты:

Шищенко Валерий Витальевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией экологии и водоподготовки ОАО «ВНИПИэнергопром»

Зайченко Виктор Михайлович, доктор технических наук, заведующий лабораторией проблем энергосбережения ФГБУН «Объединенный институт высоких температур РАН»

Веселовская Елена Вадимовна, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры тепловых электрических станций и теплотехники ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» ■

Защита состоится «25» октября 2013 г. в 10 часов 00 мин. в 149 Главного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.304.08 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт»

Автореферат разослан «19» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скубиенко Сергей Витальевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из сложных технических проблем, препятствующих широкому использованию геотермальных вод для выработки электрической и тепловой энергии, является проблема с твердыми отложениями в теплоэнергетическом оборудовании. Твердые отложения являются серьезной помехой не только при эксплуатации энергетических систем наземного расположения, но также представляют опасность для скважин обратной закачки. На большей части территории России, стран СНГ и ряда зарубежных стран отложения представлены, главным образом, твердой фазой карбоната кальция, образующейся в результате нарушения карбонатно-кальциевого равновесия в растворе геотермальной воды при выходе на поверхность Земли.

Актуальность рассматриваемой проблемы вызвана необходимостью введения в эксплуатацию новых, а также многих простаивающих гидротермальных месторождений из-за агрессивности раствора их воды, необходимостью увеличения дебита эксплуатируемых скважин, а также необходимостью подготовки отработанных геотермальных вод перед закачкой обратно в пласт для обеспечения эффективной работы подземных циркуляционных систем. В рамках Энергетической стратегии России на период до 2030 года это позволит внести ощутимый вклад при решении вопросов энерго- и ресурсосбережения, а также экологии в процессе вовлечения в энергетику страны возобновляемых источников энергии. К примеру, введение в эксплуатацию таких месторождений как Тарумовское (Дагестан) и Каясулинское (Ставропольский край) позволит получить до 300 МВт электрической и более 2000 МВт тепловой мощности.

Целью данной работы является оценка и разработка новых энергетических устройств и методологических подходов к эксплуатации оборудования геотермальных энергетических систем для решения вопросов энергосбережения и ресурсосбережения путем предотвращения карбонатных отложений.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- выявить особенности выделения твердой фазы карбоната кальция в растворе геотермальной воды, поступающей в оборудование энергетических систем для получения электрической и тепловой энергии;

- установить закономерности формирования твердых отложений карбоната кальция в геотермальном оборудовании для производства тепловой и электрической энергии, а также транспортировки теплоты в энергетических системах;

- разработать рациональные конструкции и методику расчета энергетических устройств, обеспечивающих защиту геотермальных систем и комплексов от карбонатных отложений методом затравок кристаллизации;

- на основе проведенных исследований разработать новые технические и технологические решения, позволяющие эксплуатировать энергетическое оборудование геотермальных систем в режиме без карбонатных отложений;

- исследовать и разработать новые методы и схемы очистки энергетического оборудования геотермальных систем от образовавшихся отложений, позволяющие не прерывать процесс выработки тепла и электроэнергии;

- изучить и разработать рациональные конструкции устройств и новые методы по очистке отработанных в энергетических системах вод от твердых примесей перед закачкой в пласт для предупреждения его механической кольматации ;

- разработать схемы энергетических устройств и систем, а также способы, позволяющие повысить эффективность использования геотермальных вод для выработки тепловой и электрической энергии.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Впервые установлены особенности выделения твердой фазы карбоната кальция из растворов геотермальных вод в условиях эксплуатации энергетических систем. Выявлено, что основная масса твердой фазы находится во взвешенном состоянии в виде частиц размером менее 3 мкм, использование которых в качестве затравочных не приводит к стабилизации воды в течение 15-48 минут.

2. Представлены данные по кинетике кристаллизации карбоната кальция из растворов геотермальных вод, использующихся для выработки электрической и тепловой энергии, на частицах затравки дисперсностью от 0,05 до 0,4 мм с концентрацией их в воде от 1 до 24 г/л. Установлено, что кинетика процесса подчиняется параболическому закону относительно общего пересыщения.

3. Получена эмпирическая формула, позволяющая, в отличие от известных, прогнозировать формирование отложений карбоната кальция в энергетических системах как за счет частиц взвеси, так и молекул (ионов) карбоната кальция;

4. Предложены научно обоснованные технические решения и методы защиты геотермальных энергетических систем от карбонатных отложений с помощью затравок кристаллизации, позволяющие стабилизировать геотермальную воду в течение 3-4 минут и эксплуатировать оборудование без солеотложения.

5. В результате экспериментальных и теоретических исследований получены новые научно обоснованные технические решения и методы эксплуатации энергетического оборудования геотермальных систем в режиме без карбонатных отложений, основанные на учете равновесных параметров давления и температуры воды, а также температуры стенок теплообмена.

6. Представлены новые технические разработки и методы расчета толщины и плотности солевых отложений в энергетических системах путем неразрушаю-щего контроля. Основанные на электро- и теплопроводности воды, материала оборудования и отложений, новые устройства и способы позволяют, в отличие от известных, повысить точность измерения, расширить области возможного применения и поднять оперативность технического исполнения.

7. Впервые экспериментально подтверждена целесообразность очистки энергетического оборудования геотермальных систем от отложений СаС03 в самой же геотермальной воде без остановки их работы. Предложена методика и технические решения, основанные на увеличении за счет СОг кислотности раствора отработанной воды, пропускаемой через очищаемое оборудование.

8. Предложены, включенные в состав энергетических систем, новые устройства в виде гидроциклона и фильтра, а также технологические решения по очистке отработанных вод от попутного песка и частиц взвеси перед закачкой обратно в пласт для его защиты от механической кольматации;

9. Разработаны схемы энергетических систем, позволяющие, в отличие от известных, поднять энергоэффективность оборудования за счет полного предотвращения отложений карбоната кальция и снятия угрозы забивания скважин, а также исключить загрязнение окружающей среды.

Практическая ценность работы состоит в том, что проведенный комплекс исследований и разработанные способы и устройства позволяют:

- прогнозировать отложение карбоната кальция в геотермальных энергетических системах и проводить оценку их плотности;

- применять методы контактной стабилизации геотермальных вод в новых разработанных энергетических устройствах при подготовке к использованию;

- эксплуатировать энергетическое оборудование геотермальных систем в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии;

- проводить неразрушающий контроль поверхности оборудования энергетических систем на предмет толщины и плотности солевых отложений;

- проводить очистку поверхностей энергетических систем от твердых отложений карбоната кальция путем растворения их в самой же геотермальной воде;

- проводить очистку отработанных в энергетических системах геотермальных вод от твердых включений перед закачкой их обратно в водоносный горизонт;

- составлять схемы энергетических устройств и систем, работающие в режиме без солеотложения, и обеспечивающие защиту нагнетательных скважин от кольматации.

Реализация работы. Результаты выполненных исследований внедрены на скважинах месторождений Тернаир (Махачкала) скв. 27Т, 38Т, 28Т, Кизляр-ский электромеханический завод (Кизляр скв.4Т, 19Т), Кизлярские тепловые

сети (Кизляр скв. 1Т, ЗТ, 5Т, 17Т).

Достоверность результатов исследований, теоретических и методологических обоснований, выводов и рекомендаций по защите геотермальных энергетических систем от карбонатных отложений подтверждается совпадением результатов расчетов, основанных на исследованиях, с результатами испытаний опытных и промышленных установок на скважинах, а также положительными результатами применения на практике предложенных автором номограмм и методов расчета эксплуатации энергетического оборудования в режиме без солеотложения и очистки его от ранее образовавшихся отложений.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены на II Всесоюзной конференции «Возобновляемые источники энергии» (Ереван,

1985), на XXVI и XXVIII научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ЭНИНа им. Г.М.Кржижановского (Москва, 1986, 1988), на Ежегодном семинаре экспериментаторов (ГЕОХИ АН СССР, Москва, 1986), на Общесоюзном семинаре «Новые возобновляемые источники энергии» (Москва,

1986), на XII республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Дагестана (Махачкала, 1988), на VIII областной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной химии» (Куйбышев, 1989), на третьем международном симпозиуме по гидротермальным реакциям «ISHR-89» (Киргизия, Фрунзе, 1989), на научно-технической конференции «Геоэкологические проблемы освоения и охраны ресурсов подземных

вод Восточного Предкавказья» (Махачкала, 2003), на I и II международных конференциях «Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы» (Махачкала, 2005, 2010), на региональной, I и II Всероссийских научно-технических конференциях «Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты» (Махачкала, 2005, 2008, 2010), в Школе молодых ученых «Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов» (Махачкала, 2006, 2011, 2012), на VIII, XII и XIII международных научно-практических конференциях «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2007, 2011, 2012), на международной научной конференции «Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных исследований» (Пенза, 2009), на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсы подземных вод Юга России и меры по их рациональному использованию» (Махачкала, 2009), на Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг и прогнозирование природных катастроф» (Махачкала, 2010), на Втором Всемирном Конгрессе «Альтернативная энергетика и экология» WCAEE-2010 (Санкт-Петербург, 2010), на Всероссийской научно-практической конференции «Геология и полезные ископаемые Кавказа» (Махачкала, 2011), на 12-ой и 13-ой международных научно-технических конференциях «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2011, 2012), на XXI международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (Пенза, 2011), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее» (Тамбов, 2012), на Всероссийской научно-практической конференции «Региональная геология и нефтегазоносность Кавказа» (Махачкала, 2012).

Новые разработки и устройства, выполненные в работе и представленные с техническими характеристиками и областью применения, помещены в информационных листках, изданных в Дагестанском центре НТИ (2006).

По теме диссертации опубликовано 82 работы, в том числе 1 монография,

21 статья в журналах из перечня ВАК, получены 10 авторских свидетельств и

22 патента РФ на изобретения и полезные модели.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, в разработке и изготовлении экспериментальных установок, в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в обобщении полученного материала, во внедрении результатов работы в промышленность.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- особенности выделения твердой фазы карбоната кальция в геотермальной воде, использующейся в энергетических системах для получения электрической и тепловой энергии, при нарушении в ней карбонатно-кальциевого равновесия и влияние кристаллической затравки на ее стабилизацию;

- особенности формирования твердых отложений карбоната кальция на поверхности геотермального оборудования, предназначенного для производства тепловой и электрической энергии, а также транспортировки теплоты в энергетических системах и комплексах;

- научно обоснованные технические решения по защите энергетического оборудования геотермальных систем от карбонатных отложений методом затравок кристаллизации, а также методы расчета и рекомендации, позволяющие обеспечить экономию капитальных вложений и эксплуатационных затрат;

- новые технические решения и методологический подход к эксплуатации геотермального энергетического оборудования в режиме без солеотложения, учитывающие равновесные параметры давления и температуры воды и температуры стенок теплообмена, а также особенности формирования отложений;

- методы расчета толщины и плотности солевых отложений в энергетических системах с использованием новых технических решений по неразрушающему контролю солеотложения, основанных на электро- и теплопроводности геотермальной воды, материала оборудования и отложений;

- новые технические и технологические решения по очистке геотермальных энергетических устройств и систем от карбонатных отложений, а также очистке отработанных в энергетических системах геотермальных вод от механической примеси в виде попутного песка и твердой фазы карбоната кальция в виде

взвешенных в воде частиц.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы 385 страниц с 25 таблицами и 130 рисунками. Список литературы содержит 350 наименований.

Работа выполнена в Институте проблем геотермии ДНЦ РАН и Дагестанском государственном техническом университете. Вопросы, рассмотренные в диссертации, связаны с планом НИР ДГТУ и ИПГ ДНЦ РАН по темам: «Физико-технологические аспекты эксплуатации оборудования геотермальных систем; вопросы коррозии и солеотложения», «Физико-химические аспекты освоения'низкопотенциальных термальных вод в технологических системах с тепловыми насосами», «Разработка комбинированных энергетических систем малой мощности на основе различных ВИЭ», а также при финансовой поддержке РФФИ (гранты 04-02-16183, 06-08-07500к).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность, научная и практическая значимость темы диссертации, вопросы энерго- и ресурсосбережения, связанные с проблемой защиты энергетического оборудования геотермальных систем от солеотложения, цель работы и ее аннотация.

В первой главе «Анализ современного состояния проблемы защиты геотермальных энергетических систем от солеотложения и задачи исследования» рассмотрены вопросы кристаллизации солей из пересыщенных растворов, оценка стабильности геотермальных вод, способы эксплуатации энергетического оборудования, а также методы обработки геотермальных вод и защиты энергетического оборудования геотермальных систем от солеотложения.

Геотермальные воды, как правило, характеризуются повышенным солесо-держанием и весьма разнообразным химическим составом. Геотермальные воды Кавказа можно отнести к метановым, которые широко распространены также и в крупнейших нефтегазоносных артезианских бассейнах Русской и Сибир-

ской платформы, Западно-Сибирской низменности, Сахалина и ряда других районов России. Они характеризуются минерализацией от единиц до 500 г/л и по составу подразделяются на гидрокарбонатно - натриевые, гидрокарбонатно - хлоридные и хлоридно - натриевые. При эксплуатации таких вод наблюдаются отложения, в основном, карбоната кальция СаС03. В присутствии углекислого газа СаСОз растворяется в воде в виде бикарбоната кальция

СаСОз + С02 + Н20 = Са (НС03)2 (1)

При выходе на поверхность Земли в растворе геотермальной воды нарушается карбонатно-кальциевое равновесие, реакция (1) смещается влево с выделением твердой фазы СаС03. При эксплуатации геотермальных систем избежать этот процесс удается не всегда. Для увеличения дебита скважины приходится снижать устьевое давление, что нередко влечет за собой нарушение карбонат-но-кальциевого равновесия. Образование пара в расширителях геотермальных электростанций сопровождается выделением твердой фазы СаСОз в растворе воды и быстрым зарастанием стенок расширителя. При температуре геотермальной воды более 100 °С равновесное значение давления увеличивается. На площади Каясула (Ставропольский край) для воды скв.ЗТ при 15ГС и давлении ниже 2,8 МПа нарушается углекислотное равновесие. В начале 80-х годов на Тарумовской площади (Дагестан) получены мощные притоки минеральных вод с температурой до 200 "С. В 1985 году на скважине № 6 проводились выпуски термальной воды. Вскрытие трубопроводов, по которым проходила вода при температуре 171 °С в течение 10 дней, показало, что при давлении менее 10 МПа в них образовались отложения СаС03 различной толщины.

Существующие технологии не позволяют решать проблему защиты геотермальных энергетических устройств и систем от карбонатных отложений. Использование химических реагентов сталкивается с проблемами экономическими, экологическими, а также с отсутствием, в ряде случаев, положительных эффектов. Не изучен еще вопрос влияния ингибированной воды на массообмен при закачке ее обратно в пласт. Воздействие магнитного поля и ультразвука на воду в большей степени связывают с образованием центров кристаллизации, адсорбирующих на своей поверхности молекулы СаС03. Однако многочисленные эксперименты показывают, что количество центров недостаточно для стабилизации воды. Ввод извне кристаллов затравки с развитой поверхностью интенсифицирует процесс стабилизации. Характерные особенности, свойственные геотермальным водам, специфические приёмы их использования требуют конкретных исследований по разработке новых устройств и способов, а также новых методологических подходов к эксплуатации оборудования геотермальных энергетических систем в режиме без солеотложения с целью решения вопросов энерго- и ресурсосбережения, а также экологии.

Во второй главе «Изучение выделения твердой фазы карбоната кальция из растворов геотермальных вод в условиях использования их в энергетических системах» приводятся: описание экспериментального стенда, методика и результаты исследования выделения твердой фазы СаС03 в растворе геотермальной воды в условиях работы геотермальных энергетических устройств при выработке тепла и электрической энергии.

Опыты проводились на стенде (рис.1,а), представляющем собой разомкнутый контур, питающийся от магистрального трубопровода 1 геотермальной скважины. Основным элементом стенда является ячейка 4, в которой изучался „ К 8 з 11 4 5

а 5 ■

13

®

Ь 2 7 л

Л 2 7*

3 6¿ 13 12 6 ¿

Рис. 1. Экспериментальный стенд для изучения кинетики кристаллизации СаС03 из растворов геотермальных вод

процесс выделения твердой фазы СаСОэ. В ячейку 4 исследуемая вода подаётся через вентиль 2 и теплообменник 3. Для стабилизации температуры исследуемой воды в ячейке 4 предусмотрена подача в ее термостат горячей и холодной воды через вентили 2 и 6. Линии 7, 8 и 11 предназначены для сброса воды, а линия 9 для отбора пробы исследуемой воды, после охлаждения в теплообменнике 10. Необходимое давление перед ячейкой 4 и расход исследуемой воды устанавливались с помощью вентилей 2 и 12. Ячейка представляет собой цилиндрический сосуд 1, помещенный в термостат 6 (рис. 1,6). Подача и отвод исследуемой воды осуществляется через трубки 3 и 4, а в термостате 6 через трубки 8 и 9. Температура воды в сосуде 1 измеряется термометром 5. Мешалка 10 приводится во вращение электродвигателем 11. Ввод затравки в ячейку 4 осуществляется через окошко 12. Методика исследований основана на поддержании в ячейке необходимых условий (Р, t, время контакта и др.).

Изучено образование взвеси в воде скв. ЗТ, 4Т, 5Т, 27Т (г. Кизляр и Махачкала) при нарушении в ней карбонатно-кальциевого равновесия. Исследования показали, что основная масса частиц сосредоточена в интервале их размеров менее 3 мкм (рис.2), а концентрация может достигать 20-25 мг/л. Анализ полученных данных показывает, что концентрация взвеси пропорциональна величине пересыщения раствора, а также скорости снижения давления:

--СаСО, ' л , > (2)

При плавном изменении давления количество взвеси не превышает 4н- 5 мг/л.

10 100 Size(M¡<rona)

Рис.2. Распределение частиц взвеси я впдр скй. 27Т ппи ТОП "С

y = F(ACCaCO¡,— )

На рис.3,а показано образование взвеси при 100 °С для различных перепадов давления (конечное давление 0,1 МПа). С другой стороны, при постоянном перепаде давления (0,3 МПа), концентрация взвеси снижается с уменьшением температуры, что свидетельствует о снижении пересыщенности раствора воды по СаСОз (рис. 3,6). Использование этих частиц в качестве затравочных

т/У, мг/л 12

а

р и и

Л__£

А У

к/Л

т/У, мг/л 12

д

/ /Ъ

О 0,1 0,2 0,3 0,4 лР,МПа О 50 60 70 80 °С Рис.3. Образование взвеси в геотермальной воде: 0,п,Д - вода скв. ЗТ, 4Т, 5Т

показало, что их недостаточно для снятия пересыщения воды по СаС03. На рис.4,а показана кинетика изменения концентрации ионов Са2+ в воде скв.4Т. Учитывая, что равновесная концентрация Са2+ в воде 80 мг/л, видно, что она нестабильна во всём временном диапазоне.

При вводе извне затравочных частиц (50-63, 63-100, 100-200, 200-400, 0 -400 мкм) процесс выделения твёрдой фазы СаСОэ из воды интенсифицируется (рис.4,б). При концентрации 24 г/л вода стабилизируется в течение 3 минут.

а

160 140 120 100 80

—

^2

3 '

[Са],мг/л

0 2 4 6 8 10 12 Время, мин

10 12 14 Время,мин

Рис. 4. Изменение концентрации Са2+ в воде скв. 4Т при 100 "С: а) 1, 2, 3 -концентрация взвеси в воде 5, 10, 25 мг/л; б) 1, 2, 3,4, 5 - концентрация затравки 1, 3, 6,12, 24 г/л (дисперсность 0^400 мкм)

На основе проведенных исследований составлены номограммы для выбора дисперсности, концентрации частиц в обрабатываемой воде, а также времени, необходимого для стабилизации исследованных геотермальных вод (рис.5).

25 20 15 10 5 0 10 20 30 40 50

Концентрация затравки, г/л Время стабилизации воды, мин

Рис. 5. Номограмма выбора параметров затравочных частиц для стабилизационной обработки воды скважин № ЗТ, 4Т, 5Т

Из теории известно, что кинетика кристаллизации веществ из пересыщенных растворов описывается уравнениями типа:

^- = -к5(с-с,у (3)

ат

где к - константа скорости кристаллизации; Б - площадь поверхности кристаллов в 1л воды; п - порядок реакции. Стремление п к 1 или 2 указывает на роль процессов массопереноса или образования кристаллов. Решение уравнения (3):

при п=\ имеет вид С-С3=(С0-С,) ехр (-к8т) ■ (4)

при п = 2 /(С„-С,) + /№ (5)

Обработка данных по кристаллизации СаСОэ на затравочных частицах, полученных в настоящей работе, показала, что кинетика процесса хорошо описывается параболическим законом относительно общего пересыщения

^ = (6) ат

Тогда изменение концентрации ионов Са2+ в растворе во времени имеет вид

С = С° + ЩС0-С,) + кБт ' ^ (7)

где Со и С, - исходное и равновесное содержание ионов Са2+ в растворе. Константы к были определены путём обработки экспериментальных данных по уравнению (7) методом наименьших квадратов. Уравнение (7) можно предста-

—------= /8л

вить в виде С-С С -С

u

I ¿г

0,005

Г /

\А ту /

7 х/ /// т /................... 0

10 20 Т,мин

Рис.6. Зависимость функции 1 1

г_ г——— от времени: о, А, а, х, • -

С — С5 С0 —

концентрация затравочных частиц (200400 мкм) в воде скв. 4Т 1. 3. 6.12. 24 г/л

Приведённые на рис.6 линейные зависимости при S = const подтверждают правомерность применения уравнения (6) для определения скорости изменения ионов Са2+ в растворе в присутствии затравки. В соответствии с уравнением (8) тангенс угла наклона каждой прямой равен kS и увеличивается с ростом S. В тоже время, имеется заметная разница в отклонении линий от прямой пропорциональности. Так для частиц затравки с

зависимость

1

1

8<0,1-Ю,2м /л

г _ „ ~ гг от т отклоняется от прямой линии в сторону уменьшения п ме-

Ї О 5

нее 2, а для частиц с 8>0,1 -Ю,2м2/л - в сторону роста и более 2. Объясняется это наличием в растворе неучтенной поверхности, связанной с образованием дополнительных центров кристаллизации. На рис. 7 дана зависимость к от 8. Здесь уменьшение к с увеличением Б свидетельствует о зарождения новых центров кристаллизации. Постоянное значение к при умеренных концентрациях затравки (8=0,1-Ю,5м2/л) свидетельствует об отсутствии зарождения новых центров кристаллизации. Дальнейшее увеличение 8 приводит к росту к, что свидетельствует о наличии процессов агломерации.

Рис. 7. Зависимость величины к от Б: •, о, х, - вода скв. ЗТ, 4Т, 5Т, соответственно

% м2/л

В третьей главе «Исследование закономерностей формирования твердых отложений карбоната кальция в геотермальных энергетических системах» представлены результаты исследования физико-химических характеристик образцов твердых отложений СаСОз в геотермальных энергетических системах, кинетики формирования их при различных гидродинамических условиях и температурах, и их обсуждение.

Исследования образцов отложений в энергетическом оборудовании геотермальных систем на разных скважинах, выполненные при помощи термического и рентгеноструктурного анализов, подтверждают, что они представлены только кристаллами арагонита или кальцита. Было установлено, что кальцит формируется преимущественно при низких пересыщениях и высоких температурах, а арагонит - при высоких пересыщениях и низких температурах. Исследования показывают, что отложения, сформированные из монокристаллов арагонита, имеют меньшую плотность и легче очищаются от поверхности оборудования, чем отложения из монокристаллов кальцита. Наблюдения за образованием отложений СаСОз в оборудовании в традиционной теплоэнергетике также подтверждают, что у кристаллов арагонита ниже адгезия к поверхности осаждения (В.А. Присяжнюк, 2003 г.).

Проведенные исследования показывают, что наличие в геотермальной воде твердой фазы СаСОз в виде взвеси существенным образом влияет на процессы формирования отложений. Так, при концентрациях взвеси 7-9 мг/л и малых значениях числа Кс (< 2000) отложения имеют рыхлую структуру, плотность отложений составляет 1,6 + 1,8 г/см3 (рис.8,а). При высоких значениях числа Яе (> 105) плотность отложений достигает 2,5 4- 2,7 г/см (рис.8,в).

Установлено, что рост отложений осуществляется как за счет осаждения молекул СаСОз (Д„), так и за счет адгезии частиц взвеси (RH)

R=RM + R4 (9)

Для изучения влияния гидродинамики потока, концентрации и дисперсности взвешенных частиц, а также пересыщения раствора геотермальных вод на рост отложений СаСОз был собран экспериментальный стенд (рис.9).

К магистральному трубопроводу 1 через вентиль 2 и теплообменник 3, подключен испытуемый образец трубы 4. Давление и, соответственно, скорость течения геотермальной воды в трубе 4 устанавливается с помощью вентилей 2 и 5. Линии 6, 7, 8 и 9 предназначены для подачи холодной воды, отбора пробы исследуемой воды, охлаждения пробы воды и сброса исследуемой воды. Отбор пробы исследуемой воды осуществляется после охлаждения ее до 70-75 °С. В качестве испытуемых использовались трубы длиной 30 см из нержавеющей стали. Режим исследований на стенде, соответствовал режиму эксплуатации

Рис.8. Отложения СаСОз на стенках энергооборудования при различных значениях числа Re; m/V =7+9мг/л, t = 97°C. Re: а - 1500, б-4-103, в-10

теплообменников на скв. г. Кизляра и Махачкалы (103<Яе<105).

Результаты исследований сведены в табл. 1. Для наглядности на рис. 10,а дается форма зависимости Я от числа Яе при давлении 0,1 МПа (линия 1). Как видно из этих данных, с увеличением числа Яе (>105) значение Я приближается к 0,05-0,06 кг/(м2 ч), а плотность отложений сравнима с плотностью арагонита. Аналогичный результат наблюдается и на скв. 4Т, что свидетельствует о формировании отложений преимущественно за счет /?„. В случае Яе < 2000

Рис.9. Вид и схема экспериментального стенда по изучению формирования отложений карбоната кальция в оборудовании геотермальных энергетических систем

Таблица 1. Скорость образования, толщина и плотность отложений при разных числах Яе (т/У= 7+9 мг/л; Г = 97"С, Р=0,1 МПа на скв. 27Т

№ ud Re =- V 1 Am кг Ah, м (время 76 часов) кг Р'"7

1. 1500 0,180 0,008 1700

2. 2000 0,175 0,0075 1750

3. 3000 0,158 0,0065 1850

4. 4000 0,125 0,005 1900

5. 10000 0,102 0,0038 2000

6. 20000 0,090 0,0034 2000

7. 50000 0,081 0,0028 2200

8. 70000 0,065 0,002 2500

9. 100000 0,060 0,0017 2650

10 200000 0,060 0,0017 2650

основную роль при формировании отложений играет составляющая /?,„ что подтверждается также сравнением фотографий отложений при разных Яе (рис.8). Исходя из того, что точки, расположенные на графике при Де>105, принадлежат, в основном, составляющей Ям, с помощью критериальных уравнений массообмена восстановлена ее зависимость от числа Яе. На рис. 10,а (кривая 2) видно, что Ям резко возрастает при турбулентном движении воды при одновременном уменьшении составляющей /?,, (линия 3). Правомерность описания составляющей Ям подтверждается экспериментальными данными, полученными на скв. 27Т при температуре 100 °С и давлении 0,22 МПа (рис. 10,6, линия 4).

1 dm

SdT м2ч

¿о5 'Ле6 810

Рис.10. Скорость роста отложений СаС03 в зависимости от числа Яе

Поиск эмпирического уравнения зависимости скорости отложения СаСОэ от числа Яе выполнен исходя из минимизации среднеквадратичного отклонения аппроксимирующей линии от экспериментальных точек. Были исследованы 12 функций вида 11=И ¡(Ее) + Р2(Яе) с линейными, показательными и экспоненциальными зависимостями. Для полученных точек наилучшим образом согласуется уравнение линии типа (доверительный интервал ±4%)

которое наиболее верно отражает изменение Я как за счет Ям (первая часть уравнения), так и за счет Яч (вторая часть уравнения). При этом для скв.27Т (см. табл 1) получено уравнение с характерными коэффициентами регрессии

08 . , 0,101

и,8 . /■ Л

R = 0,0154 • 0,0112 Re + 6,4

exp(0,3445Re )

(П)

Использование уравнения (10) для описания скорости роста отложений СаСОз на скв. 4Т дает удовлетворительные результаты. При этом коэффициенты а и Ъ изменены пропорционально изменению пересыщения (C-Cs) раствора воды по СаСОз и концентрации взвеси в воде (m/V).

В четвёртой главе «Исследование и разработка энергетических устройств, способов и методологии по защите геотермальных систем от отложений карбоната кальция» представлены, разработанные на основе проведенных исследований, новые технические решения, способы защиты технологического оборудования геотермальных энергетических систем от твердых отложений СаСОз, результаты их испытаний и методология их эксплуатации.

Энергоустановки со стабилизацией геотермальной воды кристаллической затравкой. Возможность защиты энергоустановок (дегазаторов, расширителей, отстойников, теплообменников) от отложений карбоната кальция при стабилизации геотермальной воды кристаллической затравкой была проверена на нескольких вариантах установки. Первоначально на скв. 4Т была испытана

установка с гидроциклоном и отстойником с наклонными полками для уменьшения времени отстоя частиц. В дальнейшем, с учётом недостатков установки с гидроциклоном, опыта советских (В.В. Шищенко, Д.Г. Цхвирашвили и др.) и зарубежных (J.L.Featherstone, D.R. Powell, O.J.Vetter и др.) исследователей, а также на основе испытаний различных вариантов установок была разработана опытная установка, схема которой представлена на рис.11. Конструкция этой установки легла в основу разработанных семи энергетических устройств, защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ. Установка собрана из нержавеющей стали толщиной 3 мм: высота - 2,20 м; диаметр 1 м. Обработка воды велась при использовании рециркулирующих в установке частиц затравки дисперсностью 50-63, 63-100, 100-200, 200-400, 0-400 мкм и концентрации их в воде 3, 6, 12, 25 г/л.

1,2,7 - линия подачи, патрубки подвода и отвода обрабатываемой воды; 3,4 -внутренний и внешний цнлнндры установки;

з,6 - коническая часть внутреннего цилиндра и желобок сбора обработанной воды; 8,15,16 - вентили регулирования кристаллических частиц затравки при их рециркуляции в установке; 9,10 - насос и линия рециркуляции частиц затравки; 11,12- точки отбора пробы воды; 13 - сброс отработанного чталш; 14- бак с затравочной пульпой для первоначального ввода частиц затравки; 17 - отвод газа

Рис. 11.Энергоустановка с кристаллизатором (A.c. СССР № 1327918)

На рис.12 показано изменение концентрации ионов Са2+ в воде при движении её с частицами затравки (50-63 мкм) по тракту установки. Чем больше

Концентрация затравочных

t= 98 С Q = 1,6 л/с

Рис.12. Изменение концентрации Са2+ в воде по тракту энергоустановки (скв. 4Т)

концентрация затравки, тем выше скорость изменения Са2+ на начальном участке и ниже на выходе. Ревизия установки, проработавшей в течение 10 суток на скв. 4Т, показала удовлетворительное состояние её поверхности. На рис. 11. пунктирными линиями показано распределение толщины отложений в установке. Отложения толщиной в 6-8 мм наблюдались во внутреннем цилиндре, а в межцилиндровом пространстве - 1-2 мм. Отложения, легко удаляемые со стенок, имели плотность 2x103 кг/м3. В качестве затравки был исследован и песок, поступающий из скважины вместе с водой. После резких перепадов давления в устье скважины концентрация его составляет в среднем от 20 до 200 мг/л. Со временем она уменьшается до КЗ мг/л и менее. Изучен дисперсный состав песка (от 0,05 до 0,4 мм) и проведены исследования по стабилизации воды на модельной и опытной установке на скв. 4Т, 27Т. Исследования показали: при концентрации песка в воде 24 г/л время стабилизации 2-КЗ мин. На основе проведённых исследований составлена номограмма выбора параметров и режима работы энергоустановок со стабилизацией геотермальных вод методом затравок кристаллизации (рис.13).

25 20 15 10 5

Концентрация затравки в воде, г/л

0^:11:11=1:1,2:1,4:0,7 -диаметр внутреннего цилиндра; диаметр наружного цилиндра; Н - высота наружного цилиндра; Ь- высота наружного конуса.

Н,м

Рис. 13. Номограмма выбора параметров и режима работы энергоустановки со стабилизационной обработкой геотермальных вод

С учетом проведенных исследований и опыта эксплуатации геотермального оборудования предлагается схемное решение эффективного использования энергии геотермальных вод, аналогичных месторождениям Кизляр и Махачкала (рис.14). Вода из скважины 1 поступает в устройство 2 для комплексной об-

работки: дегазация, очистка от песка, а также умягчение в случае нарушения углекислотного равновесия. Одновременно, циркулирующая в устройстве 2 затравка (дробленые отложения, мел, песок) активизирует и процесс дегазации. Что касается воды с горизонтов апшерон или караган, то обработка ее в устройстве 6 позволяет очистить ее от песка, газа и гумусовых веществ, а также стабилизирует при нарушении углекислотного равновесия (пат. РФ № 2337886). Предлагаемая схема позволяет повысить энергоэффективность геотермальной системы по сравнению с известными.

Шр,С01,К2,СН4

Рис.14. Схема энергетической системы по использованию тепловой энергии геотермальных вод: 1, 5- скважины; 2 -устройство для обработки воды с горизонта чокрак; 3, 4, 22 - теплообменники; 6 -устройство для обработки воды с горизонта апшерон, караган; 7, 10 - линии отвода газа; 8, 9 - запорная арматура для горячего водоснабжения и отопления; 15, 20 - сброс отработанного шлама; 16 - линия отвода газовой среды на синтез; 17 - бойлер для утилизации тепла отходящей газовой среды; 18 -конденсат; 19 - арматура подключения бойлера; 21 - линия подачи газовой фазы в устройство 6; 22-линиярециркуляции песка

Энергоустановки с более глубоким умягчением геотермальной воды.

Известно, что для более глубокого умягчения воды необходимо снижение в ней концентрации С02. Возможность более глубокого умягчения воды в присутствии кристаллической затравки было исследовано непосредственно на скв. ЗТ (Кизляр) на установке, схема и вид которой представлены на рис.15. На практике при проведении дегазации перепад давления АР от исходного Р0 до конечного Р, складывается из двух составляющих:

АР = АР, + АРг, (12)

где АР,=Р0Р^ - перепад давления от исходного Рп до равновесного Р5 значения, при котором еще не выделяется твердая фаза СаС03; АР2=РХР, - перепад давления от равновесного до конечного Р, значений. При замещении части С02 другим газом значение Р5 смещается в сторону исходного давления Р0 и перепад давления АР=АР1'+АР2'. Как видно из выражения (6), чем больше величина

С-С5, тем выше скорость кристаллизации, а С-С прямо пропорциональна второй составляющей АР2 (или А/У) (рис.16). Исследования показали, что концентрация Са2+ в воде с заменой С02 снижается на 14%.

Рис. 15. Энергоустановка с умягчением геотермальной воды: 1 - корпус; 2 -подача воды на обработку; 3 - цилиндрическая перегородка; 4 - линия подачи пара или азота в раствор геотермальной воды; 5 - отвод обработанной воды; 6, 7 -линия и насос для рециркуляции кристаллической затравки; 8 -линия вывода парогазовой смеси; 9 - сброс шлама

Р, МПа

и др. ra t

осадок

Рис.16. Схема стабилизации геотермальной воды в энергоустановке (а): 1 - скважина; 2 - конвертор; 3 - кристаллизатор - отстойник; 4 - линия сброса осадка; 5 - линия рециркуляции кристаллической затравки; 6 - линия вывода парогазовой смеси; 7 - выход отработанной воды. Равновесные параметры Put для воды скважины ЗТ г. Кизляра (б): 1 - без замещения С02; 2 - после замещения С02 (nam. РФ № 2345958)

На основе проведенных исследований разработаны новые способы и энергетические устройства, в которых одновременно осуществляется умягчение геотермальной воды. В способе подготовки геотермальной жидкости в геотермальной энергоустановке [а.с. 1224278] удаление С02 осуществляется продувкой воды конвертированными газами, не содержащими С02. В способе умягчения воды [пат. РФ 2345958] подщелачивание обрабатываемой воды проводят в

первой емкости при парциальном давлении С02 выше равновесного, а осаждение солей кальция и магния на кристаллической присадке осуществляют во второй емкости при резком понижении давления. Устройства по [а.с. 1542907, 1669489] позволяют произвести более глубокое умягчение геотермальной воды продувкой очищенными от С02 газами, а в устройстве [пат. РФ 94561] умягчение воды производится путем локального понижения давления в ней.

Защита геотермального энергетического оборудования от отложения карбоната кальция путем подбора режима эксплуатации. Первоначально

выполнено экспериментальное определение равновесных параметров давления и температуры (Р и I) воды для разных скважин, при которых она стабильна, т.е. отсутствует выделение твердой фазы СаСОз и, в то же время, коррозия оборудования будет минимальной. Как видно из рис. 17, с ростом температуры растет и давление, при котором вода будет стабильной. Так, наблюдения на скважине 4Т, 27Т показали, что эксплуатация оборудования при Р и * на нижней пунктирной линии, будет сопровождаться отложениями интенсивностью 0,2-0,3 мм/сут. На рис. 18,а представлен теплообменник, эксплуатация которого проходила в режиме ниже равновесной линии (2005-2006 г.), а на рис. 18,6 - фрагмент латунных трубок с отложениями СаС03. С другой стороны, в точках, расположенных выше равновесной линии (рис. 19,а), Р и / имеют значения, при которых

« б ч б

Р, МПа 0,4

0,3

0,2

0,1

60 70 80 90 1, оС

Рис.17. Равновесные значения Р и I для воды скв. 4Т

Рис.18. Отложения в теплообменнике. Рис 19. Коррозия латунных трубок

отложения СаСОз отсутствуют, однако идет коррозия. Здесь имеет место растворение ранее образовавшихся отложений (2008-2009 г.).

Для оценки эффективности использования кожухотрубных теплообменников при возможных процессах солеотложения и коррозии собрана установка типа «труба в трубе», имитирующая также и внутрискважинный теплообменник (ВСТ). Исходя из экспериментальных и расчетных данных по теплообмену для данной модели, исследована зависимость коэффициента теплопередачи к от гидродинамики теплоносителей и толщины отложений и определены условия эксплуатации его в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии. Как видно из рис. 20, при толщине отложений в 1мм коэффициент к уменьша-

ется вдвое, а при 4 мм - 5^6 раз. В масштабах теплообменника потери тепла составляют для скв. 27Т более 2 МВт тепловой мощности, к

1500

1000

500

Re: 1 - (б - 7)х104 II (4-5)х103,; 2-(3-4)х104 и (2-3)х103;

3 - (2-2,5)х104 и (1,5 -2,5)х10? соответственно, для первого н второго контура теплообменника

<Г. мм

Рис. 20. Зависимость коэффициента теплопередачи от толщины отложений

Учитывая, что гидравлическое сопротивление кожух отрубного теплообменника линейно зависит от длины его секций, на графике равновесных параметров Put теплообменник можно представить в виде прямой трубки с фиксированной длиной, растянутой на графике согласно падению давления и температуры в нем (см. рис.21). В этом случае каждая точка теплообменника по его длине будет расположена в определенном месте относительно равновесных Р и t, что обеспечивает графическую наглядность режима работы теплообменника.

На рис. 21 показана работа теплооб-

Р, МПа 0,4

— У.

р. - — 2...;; ......

\ 1

0,3

о а од,

60 70 80 90 Рис. 21. Эксплуатация теплообменника в различных режимах

t,°C

менника (скв. 27Т) в 3-х режимах: 1 -теплообменник работает при наличии агрессивной углекислоты; 2 - минимальная скорость коррозии и отсутствие отложений; 3 - отложения будут в начале теплообмена. Предлагаемый графический метод и номограмма оценки параметров воды могут быть использованы и для расчета режима работы ВСТ. Отбирая тепло внутри скважины с помощью ВСТ, можно установить Р и / в наземном энергетиче-

ском оборудовании близкими к равновесным. Целесообразность использования разработанных номограмм подтверждается результатами эксплуатации теплообменников на ряде скважин Махачкалы и Кизляра (2009-2012 г.г.).

Энергетические устройства с защитой поверхности теплообмена от отложений карбоната кальция путем ее охлаждения. Для исследования отложений твердой фазы СаС03 на охлаждаемой поверхности был собран экспериментальный стенд, представляющий собой медный цилиндрический сосуд объемом в 1 л, помещенный в рубашку охлаждения. В ходе эксперимента проводились измерения температуры стенки сосуда с помощью термопары, установленной на стенке. Исследования показали, что при 104<йв<2105 отложения СаСОз из пересыщенных растворов отсутствуют при температуре воды у стенки на 8-12 °С ниже равновесного значения. С учетом результатов исследований,

равновесных Put воды и путем решения системы уравнений теплового баланса, удельных тепловых потоков в работе представлена методика расчета температуры стенки теплообмена, позволяющая предотвратить отложение СаС03. На основе этих исследований разработаны новые энергетические устройства, в которых отсутствуют отложения СаСОз и, в то же время, отсутствуют потери, связанные с охлаждением стенки. Необходимость таких устройств вызвана наличием на всех средне- и высокопотенциальных геотермальных источниках расширителей, дегазаторов, отстойников, в которых, в большинстве случаев, происходит нарушение карбонатно-кальциевого равновесия. Так, на рис.22 представлено энергетическое устройство для стабилизационной обработки геотермальной воды.

1 п 3 - подача в емкость 2 и отвод ні нее геотермальной воды; 4 и 5 - подача в рубашку охлаждения 6 и отвод из нее водопроводной воды; 7 - линия рециркуляции кристаллической затравки; 8 - линия вывода шлама; 9 -вывод газовой фазы

А.с. СССР № 1583135

Рис. 22. Энергоустановка с защитой поверхности теплообмена от карбонатных отложений

Используя уравнения тепловых потоков и уравнение теплового баланса, для установки данной конструкции расчет температуры стенок в начале и конце теплообмена произведен по формулам:

=

* /" и

axS

ос,

+ /

1 + ^-

ах8 Я

t1 -. I /—ГЛ

a.S а

—— + —

Я а

+ /

2 У

1 +

а,

- +

ах5

or,

l2 л л

Коэффициенты теплоотдачи а, и а2 получены из уравнений типа

V

Nu = A Re"1 Pr" Grkl

Pr

Pr.

(13)

(14)

с у

где Nu- число Нуссельта; Re - число Рейнольдса; Gr - число Грасгофа; Ргж, Ргс - число Прандтля при температуре жидкости вдали от стенки и у стенки; А - постоянный коэффициент; т ,п ,к ,1 - показатели при соответствующих числах. При этом температуры жидкости на выходе из обоих контуров

теплообменника ¡ш и Iжк найдены из выражении

2се;4, -УЖНГ + 2к1птРл- к{Сх / о2 кР+2сС1+к(С1/С2)Р - *4/ ^ + 2^ + к(С2 / С, ^

1ЖК

1 жк ~

(16)

где и вг - расход теплоносителей в контурах теплообменника; F- площадь теплообмена; с - удельная теплоемкость воды. Расчет произведен на примере воды скв. ЗТ, 4Т, 5Т. Как видно из таблицы 2, температуры стенок емкости соответствуют условиям эксплуатации геотермальных энергетических систем в режиме без солеотложения, если учесть, что для этих вод (в закрытой системе) температура равновесия при давлении в 0,1 МПа составляет 70-75°С.

Таблица 2. Режим работы энергоустановки в условиях без солеотложения (Гж„ =100 °С; Гжа = 20 "С, Х = 40 Вт/м К; И = 4 мм)

ІІЦ, м йв, м м2 «ь м/с «2, м/с м3/сут С2, м3/сут т, с ^жк» °С Iі 1ЖК і °С 'с// > °С ! ^СК і °С

2 1,96 14,3 0,012 0,28 3000 3000 200 93 27 65 66

2,54 2,50 23,6 0,012 0,37 5000 5000 254 92 28 62 63

1,63 1,60 10,0 0,011 0,30 2000 2000 173 92 28 63 65

На рис.23 дается зависимость температуры теплообменной стенки от соотношения коэффициентов теплоотдачи й| и а2 в емкости и рубашке охлаждения. Оптимальными условиями эксплуатации устройства являются условия а\/а2 <1, при которых обеспечивается безнакипный режим его работы.

Рис.23. Зависимость температуры теплообменной стенки энергоустановки от соотношения коэффициентов теплоотдачи при я, равном: 1- 500, 2 -1000, 3 - 2000, 4 - 4000, 5 - 8000 Вт/м2К; а - для меди, б - для стали

Опасность отложений возрастает при а2—»0, то есть при снижении расхода холодной воды. На основе проведенных исследований разработаны схемы энергетических систем, в которых отсутствуют отложения СаСОз, где использо-

ванная вода закачивается обратно в водоносный горизонт с очисткой ее от взвеси путем растворения С02 (рис.24).

Рис.24. Схемы энергетических систем по эксплуатации геотермального оборудования в режиме без солеотложения (пат. М° 91384; № 2406944)

По уравнениям, аналогичным (13)-(16), с учетом противоточного движения теплоносителей, можно рассчитать и температуру стенки теплообменников. Так, на рис.25,а и б представлена зависимость температуры стенки трубок ко-жухотрубного теплообменника от соотношения расхода теплоносителей. Для расчета взята одна секция теплообменника длиной 4м (диаметр трубок 16/14 мм в количестве 151 штук). При этом начальная температура геотермальной воды 100 °С, холодной 20°С.

Рис. 25. Зависимость температуры стенки трубки кожухотрубного теплообменника от расхода теплоносителей: а и б-в начале и в конце теплообменника; 1,2,3,4,5-расход С, = 300, 500,1000,2000, 3000м3/сут

Как видно из зависимости, при соотношении расходов О^г > 0,75 в начале теплообмена на стенке трубок будут отложения. В конце теплообмена условия для безнакипного режима работы устройства более благоприятные, что подтверждается и на практике.

Геотермальные устройства и системы по очистке энергетического оборудования от образовавшихся отложений. Очистку оборудования от образовавшихся отложений СаСОз производят на практике, как правило, либо ме-

ханически, либо кислотной обработкой. Автором разработаны устройства по механической очистке геотермальных систем от отложений рыхлой структуры плотностью менее 1500-1900 кг/м3 [пат. РФ № 86505, 95278, 2369452, 85619]. Удаление плотных твердых отложений в труднодоступных местах требует больших затрат и в процессе очистки возможны повреждения стенок очищаемого оборудования. Кислотная обработка также требует больших затрат, загрязняет окружающую среду и связана с простоем оборудования. Исследования, проведенные на скважинах, показали, что растворить ранее образовавшиеся отложения СаСОз в оборудовании можно регулированием в нем давления и температуры воды. Для этого в очищаемом оборудовании парциальное давление С02 поддерживается выше равновесного значения, создающего в растворе воды агрессивную углекислоту. Исследование процессов растворения ранее образовавшихся отложений СаСОз было проведено на экспериментальном стенде и по методике аналогичной изучению кинетики образования отложений (рис.9). Из таблицы 3 видно, что увеличение давления приводит к росту скорости растворения. Принимая, что растворение отложений происходит согласно формуле (4), а также, исходя из данных в таблице 3, был вычислен коэффициент массоотдачи кр для разных чисел Яе. Одновременно, кр был вычислен и по критериальным уравнениям. Расчеты показывают, что кр, полученный экспериментально и рассчитанный по критериальным уравнениям для отложений плотностью в 2500 + 2700 кг/м3, совпадают с погрешностью 20+40%. Значения кр, полученные экспериментально для плотностей 1500 н- 1700 кг/м3, превышают значения кр, полученные по уравнениям, в 20+80 раз. Это свидетельствует о том, что рыхлые отложения переходят в раствор, в основном, отдельными кристалликами, что подтверждается анализом проб воды на стенде. По данным таблицы 3 можно рассчитать примерное время растворения отложений.

Таблица 3. Скорость растворения отложений СаСОз в энергоустановке на скв. 27Т (1 = 99 °С) ___

Л Не Р, МПа МПа с, мг/л С„ мг/л С-С мг/л Р, кг/м3 V, мм/сут

1 200000 0,75 0,4 100 140 40 2700 0,4

2 50000 0,75 0,4 100 140 40 2200 0,4

3 1500 0,75 0,4 100 140 40 1700 0,5

4 200000 0,5 0,15 100 123 23 2700 0,22

5 50000 0,5 0,15 100 123 23 2200 0,25

6 200000 0,4 0,05 100 110 10 2700 0,05

На рис. 26 дается схема очистки геотермального оборудования от отложений СаСОз. Подача геотермальной воды через чистый 2 и очищаемый 4 теплообменники осуществляется по линиям 1, 3 и 5. Одновременно, по линиям 6, 7 и 8 холодная вода подается во второй контур обоих теплообменников. При этом давление Р], Р2 и Р3 выше равновесного значения. Подача С02 и охлажденной геотермальной воды в очищаемый теплообменник 4 усиливает эффект его очистки. В летний период при использовании теплообменника для нужд горячего

I,3,5 линия подачи геотермальной воды в первом контуре; 2,4-чистый и очищаемый теплообменники; 6,7,8-подача и отвод холодной воды во втором контуре; 9,10 линия и насос подачи С02 в очищаемый теплообменник;

II,12-байпасная линия и запорная арматура отвода геотермальной воды от очищаемого теплообменника

і

ис. 26. Система очистки теплообменника от СаСОз (заявка № 2013109835)

водоснабжения имеется возможность эксплуатировать скважину при малых дебитах, что позволяет поддерживать в теплообменнике высокое значение давления, увеличивающее скорость растворения СаС03.

На основе проведенных исследований разработаны устройства очистки оборудования углекислым газом [а.с. СССР № 1500629, 1699503], механически скребками в теплообменнике, не прерывая его работу [а.с. СССР № 1686296, 1765674], а

также теплообменник типа «труба в трубе» с интенсификацией теплоотдачи, в котором облегчена работа очистки труб [пат. РФ 2359192].

Пятая глава «Контроль отложения твердой фазы карбоната кальция в энергетическом оборудовании геотермальных систем» посвящена разработке и исследованию новых способов неразрушающего контроля солеотложения на поверхности энергетического оборудования геотермальных систем. На основе патентного поиска, а также проведенных автором экспериментальных работ разработаны и исследованы способы и устройства, основанные на определении электрического сопротивления раствора геотермальной воды и отложений СаСОз, а также способы, основанные на измерении градиента температуры на поверхности оборудования. Одно из устройств (рис. 27,а) представляет собой закрепленный в исследуемой стенке 4 металлический корпус 1, в котором заключен металлический стержень 2 с помощью втулки 3 из фторопласта. Исследования проводились на скв. 27Т и 4Т. С помощью измерительного блока 6 измеряют сопротивление R р цепи: электрод 2 - раствор воды - корпус 1 в начале процесса солеотложения. В присутствии отложений 5 общее сопротивление цепи R состоит из сопротивления слоя отложения Romj„ сопротивления раствора жидкости Rp, соединенных последовательно, а также, включенного с ними параллельно, сопротивления прослойки Rcj, раствора жидкости в отложениях на изоляции. Получена формула для расчета толщины отложений до 2 - 2,5 мм 2л1,

h-rx{e

(R-RP)

-1)

(17)

Величина удельного сопротивления р отложений на стержне длиной / и радиусом г/ создается раствором воды, находящимся между кристаллами отложений.

З Ь, мм

Рис. 27. Устройство для контроля солеотложения: а - схема подключения; б, в - фотография устройства с чистым без отложений стержнем и с отложениями на стержне и изоляции; г - увеличенный фрагмент отложений на стержне; д - зависимость сопротивления устройства от толщины отложений (пат. РФ № 2387950)

Зависимость электрического сопротивления устройства от толщины отложений при различных плотностях (1-2400; 2-2100; 3-1800; 4-1600 кг/м3) дается на рис.27,д. Расчет толщины отложений более 3 мм по формуле (17) дает большие погрешности. Здесь расчет необходимо вести с учетом сопротивления Кс,

я =

, где

я.

р

1п (г2/Ч) 2л Н

г2 - радиус изоляции, м.

Данные устройства установлены на трубопроводах подачи воды к теплообменникам на скв.27Т (Тернаир, Махачкала), в Кизляре на скв. 5Т, 17Т, 1Т и ЗТ, (Городские тепловые сети) и на скв. 19Т (КЭМЗ).

Другой способ определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопроводов заключается в измерении градиента температуры на поверхности трубопровода (рис.28). Для этого предварительно на трубе 1 устанавливают источник тепла 2 в виде кольца. После установления стационарного

С

■сш

о

А|МІТ1Г21' М'41'5 ^

ФЩшщшшшшшш

і

-щгтошіштї,

ШШ7І

2 О 2 5 ІщСЯІ

Рис. 28. Способ определения солеотложения (пат. РФ № 2344338)

поля температур на исследуемом объекте снимают градиент температуры в

направлении от источника тепла вдоль трубопровода на его поверхности и судят о размерах отложений внутри трубопровода. На рис.28,а представлено распределение температуры на поверхности трубопровода диаметром 21 мм и толщиной стенки 2,5 мм. Плотность отложений 2200 кг/м3. Вода перемещается в трубе при температуре 60 °С в режиме с числом Ке ~ 104. На рисунке заметна разница в градиентах температуры при отсутствии и наличии отложений. Учитывая тепловые потоки от источника тепла вдоль стенки трубы и в направлении к жидкости (рис.28,б) и их гидродинамику, получена формула, согласно которой ведется расчет толщины отложений внутри трубопровода

о _ 2

^отл опт

ЯП

л-1

In

Т, -т Ж

т -Т эк:

Л"2

ОС

(18)

где Я и Хотл - теплопроводность стенки трубы и отложений; Т,, Т, Тж - температура поверхности трубопровода вблизи источника тепла, на расстоянии х от него и температура жидкости в трубопроводе, соответственно; Р = 2лг, D, = kR2 - лг2 - длина внутренней окружности и площадь поперечного сечения стенки трубопровода, соответственно. Сопоставление расчетных и измеренных значений толщин отложений в образцах труб дает погрешность, в среднем, от 10 до 20 %. Аналогичные измерения и расчеты можно выполнить также и для любой поверхности при одностороннем доступе к ней. Разработаны также способы, основанные на изменении температуры нагретого тела, прикладываемого к исследуемой поверхности и на измерении температуры исследуемой стенки, отложений и жидкости (пат. РФ № 2449208, 2449207).

Для экономии энергии в традиционной теплоэнергетике широко используют автоматизированные системы управления (АСУ). Основываясь на этом, а также на основе разработанных устройств определения солеотложения и номограмм по определению равновесных Р и t в данной работе предложена проектная схема АСУ с защитой геотермальных систем от солеотложения (рис.29).

Рис. 29. Схема энергетической системы с контролем и автоматизацией работы теплообменников: 1 - скважина; 2, 4 - задвижки; 3 - дегазатор; Д1+Д4 - электродвигатели к задвижкам 5+8; 9,10,11 - точки расположения устройств по контролю солеотложения, температуры и давления

Расчеты показывают, что внедрение такой системы на одной скважине (дебит 1000 м3/сут и /=100 °С) позволяет сэкономить около 300000 рублей в год.

В шестой главе «Исследование и разработка устройств, способов и методики по очистке от твердых примесей отработанных геотермальных вод при закачке их обратно в водоносный горизонт» рассмотрен вопрос очистки геотермальных вод от попутного песка, а также от твердой фазы СаС03 в виде частиц, образованных при нарушении карбонатно-кальциевого равновесия. Необходимость решения такой задачи вызвана предотвращением кольматации пласта при закачке отработанных вод в водоносный горизонт с целью обеспечения эффективной работы подземных циркуляционных систем. В качестве очистных устройств можно использовать как радиальные отстойники, так и напорные гидроциклоны. Расчет радиальных отстойников выполнен исходя из гидравлической крупности исследованных в данной работе частиц песка. К примеру, для частиц размером 60 мкм диаметр отстойника составляет около 2 м. В то же время, использование напорных гидроциклонов уменьшает габаритные размеры очистных устройств. В результа-а. с.Л» 1754217 хе изучения режима эксплуатации скважин г.

Рис. 30. Гидроциклон Кизляра (ЗТ, 4Т, 5Т), условий эксплуатации

термораспределительных станций на них, а также патентного поиска разработана конструкция гидроциклона для очистки жидкости от твердых включений и растворенного в ней газа (рис.30). Отличительная особенность данного гидроциклона от аналогов в том, что спирально снижающаяся кромка вставки 9 способствует вытеснению частиц песка в слой воды вблизи внутренней поверхности корпуса 1. Гидроциклон подобной конструкции, изготовленный на Кизлярском электромеханическом заводе (КЭМЗ) в 1990 году, был установлен на скв. 4Т г. Кизляра на ТРС, питающей горячей водой производственные помещения и тепличное хозяйство КЭМЗ. При дебите скв. 4Т в 3000 м3/сут потеря давления в гидроциклоне составила 0,04 МПа. Концентрация песка в воде на выходе из гидроциклона снизилась на 80-90 %.

Что касается частиц кристаллической взвеси СаСОэ размером до 0,01 мм, то расчеты показывают, что в этом случае более эффективным оказался фильтр разработанной конструкции (рис.31). Очищаемая вода через патрубок 14 и задвижку 3 поступает в корпус 1. Пройдя гильзу 13 и перфорированную трубу 2, очищенная вода выводится к потребителю по патрубку 6 через задвижку 5. При этом задвижки 4 и 10 закрыты. При засорении фильтра давление в корпусе 1 увеличивается, датчик давления 12 срабатывает и сигнал от него передается на управляемые задвижки 3, 4, 5 и 10 так, что задвижка 3 закрывается, а 4 и 10 открываются. При этом вода проходит к потребителю через байпасную линию 7, а часть воды через задвижку 5 , трубу 2 и гильзу 13 выходит из корпуса 1 через

,-----------------1-------

1- корпус; 2 - перфорированная труба;

3, 4, 5,10 -задвижки с электроприводам;

12. ] X »9

6 - патрубок съемный; 7 - байпасная линия; 8,9- фланцы; И -заглушка; 12 датчик давления; 13-гильза с

—' трехслойной стеклотканью и сетками

5 вибрации; 14 - патрубок подачи

тг

очищаемой воды

пат. РФ № 2448757

Рис. 31. Фильтр для очистки жидкости от взвешенных веществ

задвижку 10, увлекая за собой осадок, накопившийся на поверхности гильзы. Полная очистка корпуса 1 осуществляется при открытой задвижке 3 и 10 и закрытой 4 и 5. В фильтре можно очистить воду от частиц размером до 3-5 мкм.

После очистки геотермальной воды от грубодисперсной твердой фазы в закачиваемой воде остается взвесь частиц меньшего диаметра в количестве 5 -30 мг/л. Растворение взвеси из твердой фазы СаС03 можно осуществить путем увеличения парциального давления С02 в закачиваемой воде. С учетом условий достаточности растворения полидисперсной взвеси при растворении частиц с максимальным размером г„ и путем решения дифференциальных уравнений кинетики растворения получена формула для расчета времени растворения частиц в процессе закачивания отработанной воды в водоносный горизонт

__6лг^рч рс!ЛЮ1_

Тпр ~ (2+0,569(5Ыг)0'25+0,347(Ке^)0'62)-^7,-(С,-С) , (19) где С5 - растворимость СаС03; С - текущая растворимость; Аг и 8с - число Архимеда (диффузионное число Грасгофа) и число Шмидта (диффузионное число Прандтля); рч - плотность частиц; кв - постоянная Больцмана; (1М0Л - диаметр гидратированных ионов Са2+ и С032". Расчет, выполненный по (19) для частиц диаметром в 6 - 7 мкм в воде скв. 27Т, показывает, что время растворения составляет от 2000 до 3000 с, которое сравнимо с временем нагнетании воды со скоростью 1м/с на глубину до 2500-3000 м.

На рис.32 и 33 представлены, разработанные на основе исследований и патентного поиска, схемы энергетических установок для комплексного использования ресурсов геотермальных вод с закачиванием их обратно в водоносный горизонт. Особенность установок заключается в том, что содержащийся в продуктах сгорания С02 при смешивании с термальной водой способствует ее стабилизации и растворению взвешенных частиц СаС03. Эффективность работы энергоустановок повышается за счет увеличения энергетического потенциала термальной воды, предотвращения карбонатных отложений, снятия угрозы забивания скважины обратной закачки, а также полного исключения загрязнения окружающей среды.

Рис.32. Геотермальная энергетическая установка (пат. РФ М 2343368): 1, 21- добычная и нагнетательная скважины; 3 -газоотделитель; 4 - камера сгорания; 5 - компрессор; 6, 7 - газовая турбина; 8 - парогенератор; 9, 10 -теплообменники; 11 - паровая турбина; 15 - деаэратор; 17 - регенеративный подогреватель; 19, 20 - теплообменники-утилизаторы

2 6 \

МО

Рис.33. Энергоустановка с утилизацией энергии геотермальных вод (пат. РФ № 2372564): 1- скважина; 2 и 6-теплообменники; 3, 5, 12 — детандер, компрессор и насос; 4, 7- сепараторы; 8 - газгольдер; 9 - газ к потребителю; 10 - водопровод

Заключение

1. Установлено, что при нарушении карбонатно-кальциевого равновесия в растворе геотермальной воды, поступающей в энергетические системы, образуются частицы твердой фазы СаСОэ размером менее 3 мкм. Использование их в качестве центров кристаллизации недостаточно для стабилизации воды. Ввод извне кристаллической затравки существенно интенсифицирует процесс стабилизации. При этом скорость снижения концентрации кальция в воде подчиняется параболическому закону относительно общего пересыщения. Разработаны номограммы по оптимизации технологических режимов стабилизации.

2. Установлено, что отложения СаС03, образующиеся в геотермальных энергетических системах, представлены в виде арагонита или кальцита. При этом кальцит формируется, преимущественно, при низких пересыщениях и высоких температурах, а арагонит - при высоких пересыщениях и низких температурах.

3. Показано, что формирование отложений СаС03 в энергетическом оборудовании геотермальных систем существенным образом зависит от концентрации,

дисперсности частиц взвеси, а также от гидродинамики. Получено эмпирическое уравнение, описывающее формирование отложений СаС03 как за счет частиц взвеси, так и молекул (ионов) СаС03.

4. Разработаны новые энергоустановки, номограммы и методы расчета режимов их эксплуатации в составе геотермальных систем без карбонатных отложений с использованием кристаллической затравки. Показано, что новые энергоустановки, в отличие от известных, одновременно позволяют обрабатывать воду перед подачей к энергопотребляющим устройствам в течение 3-5 минут. Предложена схема энергетической системы по эффективному использованию тепловой энергии геотермальных вод.

5. Представлены, в качестве элементов энергетических систем и комплексов, новые технические решения по умягчению геотермальной воды в процессе дегазации. При этом установлено: чем больше составляющая перепада давления от равновесного до конечного значения, тем эффективнее процесс умягчения.

6. Предложены номограммы и методика эксплуатации энергоустановок в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии, учитывающие равновесные параметры давления и температуры геотермальной воды. Номограммы можно использовать и при установке внутрискважинных теплообменников, позволяющих защитить наземное оборудование от карбонатных отложений.

7. Составлена методика расчета температуры стенок теплообмена энергетических устройств, на основе которого предложены новые технические решения по охлаждению поверхности теплообмена или обогащения пристенного слоя воды углекислым газом, обеспечивающих режим их работы без солеотложения. Разработаны новые схемы энергетических систем.

8. Согласно экспериментальным исследованиям по растворению отложений СаСОз установлено, что очистку энергетического оборудования целесообразно проводить геотермальной водой с повышенной концентрацией С02. Разработана схема энергетической системы и методика очистки.

9. Разработаны, основанные на электро- и теплопроводности воды, материала оборудования и отложений, новые устройства и способы неразрушающего контроля солеотложения в энергетических системах. Получены на них характеристики и составлены методы расчета толщины и плотности солевых отложений. Использование разработанных номограмм и новых способов определения солеотложения позволяет внедрить автоматизированные системы управления тепловыми процессами в геотермальной энергетике. Внедрение такой системы на одной скважине при дебите 1000 м3/сут и температуре воды 100°С позволяет сэкономить около 300000 руб. в год.

10. Установлено, что очистку отработанной в энергетических системах геотермальной воды перед закачкой обратно в водоносный горизонт технологически целесообразно проводить: от грубодисперсной твердой фазы в радиальных отстойниках, гидроциклонах и фильтрах разработанной конструкции, включенных в качестве элементов энергетических систем; от взвешенных в воде частиц карбоната кальция растворением их при увеличении кислотности закачиваемой воды под действием С02. Получено уравнение по расчету времени растворения

частиц при нагнетании воды в водоносный горизонт, входящего в энергетическую систему циркуляции геотермального теплоносителя. 11. Разработаны новые схемы энергетических систем с подземной циркуляцией теплоносителя, позволяющие, в отличие от известных, поднять энергоэффективность оборудования за счет предотвращения отложения карбоната кальция и снятия угрозы забивания скважин обратной закачки, а также полностью исключить загрязнение окружающей среды.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии:

1. Ахмедов Г.Я. Защита геотермальных систем от карбонатных отложений. М.: Научный мир, 2012.- 330 с.

Рецензируемые научные издания, рекомендованные ВАК РФ:

2. Ахмедов Р.Б., Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я. Стабилизационная обработка геотермальной воды путем ввода затравочных частиц //Промышленная энергетика,- 1985,-№10,- С. 61-64.

3. Ахмедов Р.Б., Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я. Исследование метода предотвращения отложений солей в геотермальных системах путем рециркуляции'затравочных частиц// Промышленная энергетика,- 1986,- №11,- С. 41-43.

4. Ахмедов Г.Я. Проблемы солеотложения при использовании геотермальных вод для горячего тепловодоснабжения//Промыщленная энергетика,- 2009.- № 9,- С. 50-54.

5. Ахмедов Г.Я. Кинетика роста отложений карбоната кальция в геотермальных системах/Теплоэнергетика,- 2009.- № 11,-С. 13-17.

6. Ахмедов Г.Я. Повышение эффективности использования геотермальной воды для горячего водоснабжения//Водоснабжение и санитарная техника.- 2010.-№2,-С. 18-23.

7. Ахмедов Г.Я. К вопросу образования и растворения карбонатных отложений в геотермальных системах //Альтернативная энергетика и экология,- 2010.

-№ 2.- С. 109-112.

8. Ахмедов Г. Я. Работа геотермальных систем теплоснабжения в режиме без солеотложения / /Промышленная энергетика.- 2010.- №4,- С.54-59.

9. Ахмедов Г.Я. Стабилизационная обработка геотермальных вод //Водоснабжение и санитарная техника.- 2010,- № 6,- С. 33-38.

10. Ахмедов Г. Я. О некоторых методах контроля солеотложения в геотермальной энергетике//Промышленная энергетика.- 2010,- № 6,- С. 58-62.

11. Ахмедов Г.Я. К вопросу образования и растворения карбонатных отложений в геотермальных системах //Альтернативная энергетика и экология,- 2010.-№7,- С. 128-133.

12. Ахмедов Г.Я. Обеспечение долговечности работы подземных циркуляционных систем в геотермальной энергетике//Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки.- 2010,- Т. 18,- № 3,- С. 4552.

13. Ахмедов Г.Я. Твердые отложения карбоната кальция в геотермальных сис-темах//Альтернативная энергетика и экология,- 2010,- № 11,- С. 81- 86.

14. Ахмедов Г.Я. Защита геотермальных систем водоподготовки от карбонатных отложений //Энергосбережение и водоподготовка.- 2010,- № 6,- С. 18-21.

15. Ахмедов Г.Я. К вопросу об использовании внутрискважинных теплообменников в геотермальной энергетике//Промышленная энергетика,- 2011.- № 9.-

С. 13-17.

16. Ахмедов Г.Я. Измерение толщины солеотложения в геотермальных системах //Ползуновский вестник.- 2011.- № 3/1.- С. 175 - 178.

17. Ахмедов Г.Я. К вопросу о закачке отработанных геотермальных вод обратно в водоносный горизонт //Вестник Дагестанского государственного технического университета.- 2011.- Т. 22.- № 3.- С. 84 - 89.

18. Ахмедов Г.Я. К вопросу о влиянии теплопередачи на отложение твердой фазы карбоната кальция на теплообменной поверхности //Энергосбережение и водоподготовка.- 2011.- № 6.- С. 6 - 8.

19. Ахмедов Г.Я. Очистка геотермальных систем отопления и горячего водоснабжения от карбонатных отложений//Водоснабжение и санитарная техника,-2012,-№ 1.- С. 59-63.

20. Ахмедов Г.Я. Контроль и автоматизация работы систем отопления и горячего водоснабжения в геотермальной энергетике //Ползуновский вестник,- 2012,-№2/1,-С. 138-141.

21.Ахмедов Г.Я. Прогнозирование отложений карбоната кальция в геотермальных системах//Альтернативная энергетика и экология.- 2012,- №6,- С. 128-133.

22. Ахмедов Г.Я., Магомадова P.A. Об отложении карбоната кальция на охлаждаемой поверхности геотермального оборудования //Альтернативная энергетика и экология.- 2013,-№01/2.-С. 98-102.

Авторские свидетельства и патенты:

23. A.c. 1224278, МКИ С 02 F 5/00, 1/20. Способ подготовки геотермальной жидкости, содержащей легкие углеводороды, для геотермальной энергоустановки /Ахмедов Р.Б., Ромм Ф.А., Ахмедов Г.Я. 0публ.15.04.86, Бюл. №14,- 5 с.

24. A.c. 1327918, МКИ В Ol Д 21/24, 3/02. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Р.Б., Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я., Ромм Ф.А. Опубл. 1987. Бюл.№ 29.

25. A.c. 1500629, МКИ С 02 F 5/00. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я., Ромм.Ф.А., Кадыров А.Г. 0публ.15.08.89. Бюл. № 30,- 6 с.

26. A.c. 1542907, МКИ С 02 F 1/20. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я., Ромм Ф.А,'Кадыров А.Г., Новиков Б.Е. Опубл. 15.02.90. Бюл. № 6,- 6 с.

27. A.c. 1583135, МКИ В 01 Д 21/24, С 02 F 5/00. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я. Опубл. 07.08.90. Бюл. № 29.- 5 с.

28. A.c. 1669489, МКИ В 01 Д 21/02, 21/24. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я. Опубл. 15.08.91. Бюл. № 30,- 6 с.

29. A.c. 1686296, МКИ F 28 Д 11/02. Теплообменник/Ахмедов Г.Я. Опубл.

23.10.91. Бюл. №39,-4 с.

30. A.c. 1699503, МКИ В 01 Д 21/02, С 02 F 5/00. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я. Опубл. 23.12.91. Бюл. № 47,- 7 с.

31. A.c. 1754217, МКИ В 04 С 5/103. Гидроциклон/Ахмедов Г.Я. Опубл.

15.08.92. Бюл. №30,-6 с.

32. А.с. 1765674, МКИ F 28 Д 11/08. Теплообменник /Ахмедов Г.Я. Опубл. 30.09.92. Бюл. № 36,- 6 с.

33. Пат. 2335726 РФ, МПК F 28 G 7/00. Устройство для борьбы с отложениями в теплообменной аппаратуре/Ахмедов Г.Я. Опубл.Ю.Ю. 2008,- Бюл. № 28.- 4 с.

34. Пат. 2337886 РФ, МПК С 02 F 5/02, 1/02. Устройство для умягчения воды /Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.11.2008. Бюл. № 31.- 5 с.

35. Пат. 2343368 РФ, МПК F 24 J 3/08. Геотермальная энергетическая установка /Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.01.2009. Бюл. №1.-4 с.

36. Пат. 2344338 РФ, МПК Р17Д 1/16, G01B 17/02. Способ определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопроводов /Ахмедов Г.Я. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2,- 5 с.

37. Пат. 2345958 РФ, МПК C02F 5/02. Способ умягчения воды /Ахмедов Г.Я.Опубл. 10.02.2009. Бюл. № 4,- 3 с.

38. Пат. 2349855 РФ, МПК F28G 7/00. Устройство для предупреждения образования накипи /Ахмедов Г.Я. Опубл. 20.03.2009. Бюл. №8.-3 с.

39. Пат. 2350879 РФ, МПК F28G 7/00. Устройство для предупреждения солевых отложений в теплообменной аппаратуре /Ахмедов Г.Я. Опубл. 27.03. 2009,-Бюл. № 9,- 6 с.

40. Пат. 2357930 РФ, МПК C02F 5/02, 1/20, 103/02. Способ стабилизационной обработки воды /Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.06.2009. Бюл. № 16,- 5 с.

41. Пат. 2359192 РФ, МПК F28fl 7/10. Теплообменник типа «труба в тру-бе»/Ахмедов Г.Я. Опубл. 20.06.2009. Бюл. № 17,- 5 с.

42. Пат. 85619 РФ, МПК F 28 G 7/00, В08В 7/00. Устройство для очистки трубок теплообменных аппаратов от накипи электрическими импульсными разрядами/Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.08.2009,- Бюл. № 22,- 2с.

43. Пат. 86505 РФ, МПК В08В 9/049. Устройство для очистки внутренней поверхности труб/Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.09.2009,- Бюл. № 25,- 2с.

44. Пат. 2369452 РФ, МПК В08В 9/045, 9/047. Устройство для очистки внутренней поверхности труб/Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.10.2009. Бюл. № 28.- 5 с.

45. Пат.2372564 РФ, МПК F24J 3/08. Способ предотвращения солеотложения при утилизации энергии геотермальных вод /Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.11.2009. Бюл. № 31.- 5 с.

46. Пат. 91384 РФ, МПК F03G 7/00. Геотермальная установка /Ахмедов Г.Я. Опубл. 10.02.2010. Бюл. № 4,- 2 с.

47. Пат. 2387950 РФ, МПК G01B 7/06. Способ и устройство для определения толщины солеотложения /Ахмедов Г.Я. 0публ.27.04.2010. Бюл. № 12,- 7 с.

48. Пат. 94561 РФ, МПК C02F 1/00. Устройство для очистки жидкости /Ахмедов Г.Я. Опубл. 27.05.2010. Бюл. № 15,- 2 с.

49. Пат. 95278 РФ, МПК В08В 9/045. Устройство для очистки внутренней поверхности труб/Ахмедов Г.Я. Опубл.27.06.2010. Бюл. № 18,- 1 с.

50. Пат. 2406944 РФ, МПК F24J 3/08. Геотермальное устройство /Ахмедов Г.Я. Опубл. 20.12.2010. Бюл. № 35,- 4 с.

51. Пат. № 2448757 РФ. МПК В 01 D 27/00, 29/11. Фильтр для очистки воды от мелких взвешенных веществ / Г.Я.Ахмедов, А.Г.Кадыров. Опубл. 27. 04. 2012. Бюл. № 12,-5 с.

52. Пат. № 2448911 РФ. МПК C02F 1/48 01. Устройство для предотвращения солеотложения в теплообменной аппаратуре/Г.Я. Ахмедов. Опубл. 27. 04. 2012. Бюл. № 12.- 5 с.

53. Пат. 2449207, РФ, МПК F17 D 1/16, G01B 17/02. Способ определения толщины отложений на внутренней поверхности трубопроводов / Г.Я. Ахмедов. Опубл.27.04.2012. Бюл. № 12,- 5 с.

54. Пат. 2449208, РФ, МПК F17 D 1/16, G01B 17/02, G01B 21/00. Способ определения толщины и плотности отложений в теплообменном оборудовании / Г.Я. Ахмедов. Опубл. 27.04.2012. Бюл. № 12,- 3 с.

Другие научные издания:

55. Ахмедов Г.Я. Особенности применения затравок кристаллизации для предотвращения солеотложения в геотермальных системах/ Деп. в ЦНТИ Информ-энерго 17.06.86, № 2001-эн., опубл. в Библ. указ. (ВИНИТИ) «Депонированные научные работы», 1986.- № 4.- С.173.

56. Новиков Б.Е., Ахмедов Г.Я. К вопросу о применении термальных вод г. Кизляра в целях тепловодоснабжения //Научно-технические проблемы комплексного использования возобновляемых источников энергии: сб. науч. тр,-М.: ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, 1986,- С. 87- 93.

57. Ахмедов Г.Я. Метод затравочных кристаллов в геотермальной энергетике /Деп. в ЦНТИ Информэнерго 18.12.86, № 2183-эн., опубл. в Библ. указ. (ВИНИТИ) «Депонированные научные работы», 1986,- №10.- С. 167.

58. Новиков Б.Е. Ахмедов Г.Я. Использование метода затравочных частиц в геотермальной энергетике //Научно-технические проблемы геотермальной энергетики: сб. науч. тр.- М.: ЭНИН им. Г.М.Кржижановского, 1987.- С. 52-58.

59. Ахмедов Г.Я. Предотвращение карбонатных отложений в емкостях для обработки геотермальных вод //Деп. в ЦНТИ Информэнерго 12.06.89, № 2967-эн 88, опубл. в Библ. указ. (ВИНИТИ) «Депонированные научные работы», 1989.-№3,- С.158.

60. Ахмедов Г.Я. К вопросу о повышении эффективности использования термальных вод г. Кизляра /Геоэкологические проблемы освоения и охраны ресурсов подземных вод Восточного Кавказа: труды Института геологии ДНЦ РАН,- Вып. № 49. Махачкала, 2003.- С. 134-138.

61. Ахмедов Г.Я. Исследование процессов кристаллизации карбоната кальция при использовании геотермальных вод /Геоэкологические проблемы освоения и охраны ресурсов подземных вод Восточного Кавказа: труды Института геологии ДНЦ РАН,- Вып. № 49. Махачкала, 2003,- С. 162-166.

62. Akhmedov G.Ya. Kinetics of growth of calcium carbonate deposits in geother-mal systems//Thermal Engineering. - 2009. T. 56.-№ 11.- C. 909-913.

63. Ахмедов Г.Я. К вопросу о повышении эффективности использования геотермальных вод /Ресурсы подземных вод Юга России и меры по их рациональному использованию, охране и воспроизводству: труды Института геологии ДНЦ РАН,- Вып. № 55. Махачкала, 2009,- С. 148 - 152.

64. Ахмедов Г.Я. Методы диагностики твердых отложений в оборудовании геотермальных систем//Ресурсы подземных вод Юга России и меры по их ра-

ционалыгому использованию, охране и воспроизводству: труды Института геологии ДНЦ РАН. Вып. № 55. Махачкала, 2009,- С. 152 - 155.

65. Ахмедов Г.Я. К вопросу обеспечения долговечности работы подземных циркуляционных систем//Мониторинг и прогнозирование природных катастроф: труды Института геологии ДНЦ РАН,- Вып. № 56. Махачкала, 2010.- С. 131-135.

66. Ахмедов Г.Я. К вопросу обратной закачки геотермальных вод /Теология и полезные ископаемые Кавказа: труды Института геологии ДНЦ РАН. - Вып. 57. Махачкала, 2011. С. 198 - 202.

67. Ахмедов Г.Я., Курбанисмаилова А.С. К вопросу о проблемах использования ресурсов геотермальных вод для выработки электрической и тепловой энергии/ Региональная геология и нефтегазоносность Кавказа: труды Института геологии ДНЦ РАН. - Вып. 58,- Махачкала, 2012,- С. 161 - 163.

68. Ахмедов Г.Я. Образование взвеси и отложение твердой фазы карбоната кальция в геотермальных системах /Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы: матер. Междунар. конф,- Махачкала: Институт проблем геотермии ДНЦ РАН, 2005,- С. 242-246.

69. Ахмедов Г.Я., Каймаразов А.Г., Камалутдинова И.А., Курбанов Ш.И. Теплообмен и отложение твердой фазы карбоната кальция в геотермальных системах «труба в трубе» /Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы: матер. Междунар.конф.- Махачкала: Институт проблем геотермии ДНЦ РАН, 2005,- С. 247-251.

70. Ахмедов Г.Я. Предотвращение солеотложения при использовании геотермальных вод в целях горячего тепловодоснабжения. /Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сб. статей VIII Междунар. науч.-практ. конф. (Пенза, 27 апр. 2007 г.). - Пенза: ПГУАС, 2007.- С. 117-119.

71. Ахмедов Г.Я. К вопросу о подготовке геотермальной воды к использованию в целях горячего тепловодоснабжения /Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных исследований: сб. науч. тр. Междунар. науч. конф. -Пенза: ПГУАС, 2009,- С. 12-16.

72. Ахмедов Г.Я., Абдуллаев М.Ш., Баркуева JI.C. Твердые отложения карбоната кальция в геотермальных системах /Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных исследований: сб. науч. тр. Междунар.науч. конф. -Пенза: ПГУАС, 2009,- С. 12-16.

73. Ахмедов Г.Я. Стабилизационная обработка геотермальных вод/ Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: труды Всероссийской науч.-техн. конф. (Махачкала, 23 - 25 дек. 2008 г.).- Махачкала: ДГТУ, 2009,- С. 134-138.

74. Ахмедов Г.Я. Эксплуатация теплообменников в геотермальной энергетике в режиме без солеотложения / Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: труды Всероссийской науч.-техн. конф. (Махачкала, 23-25 дек. 2008 г.).- Махачкала: ДГТУ, 2009.- С. 178-182.

75. Ахмедов Г.Я. Отложения карбоната кальция на стенках геотермального оборудования/Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы: матер. II Междунар. конф,- Махачкала: ИПГ ДНЦ РАН, 2010,- С. 330-336.

76. Ахмедов Г.Я. Модель роста отложения СаСОэ в геотермальных системах/ Системы обеспечения тепловых режимов преобразователей энергии и системы транспортировки теплоты: труды II Всероссийской науч.-техн. конф. (Махачкала, 8- 10 дек. 2010 г.).- Махачкала: ДГТУ, 2011,- С. 240-243.

77. Ахмедов Г.Я. К вопросу о проблемах использования источников геотермальных вод /Экология и жизнь: сборник статей XXI Междун. научн.-прак. конференции.- Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011.- С. 5 - 7.

78. Ахмедов Г.Я. Очистка геотермальных систем отопления и горячего водоснабжения от карбонатных отложений /Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сб. трудов XII Междун. научн.-прак. конф,- Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011,- С. 146-149.

79. Ахмедов Г.Я. Контроль и измерение толщины солеотложения в геотермальной энергетике /Измерение, контроль, информатизация: материалы 12 Междунар. научн.-техн. конф. /Под ред. Л.И.Сучковой - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011.-293 с./С. 77-82.

80. Ахмедов Г.Я. Управление системой отопления и горячего водоснабжения в геотермальной энергетике /Измерение, контроль, информатизация: материалы 13 междунар. научн.-техн. конф./Под ред. Л.И.Сучковой - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012.-222 с ./С. 118-123.

81. Ахмедов Г.Я. Вопросы энергосбережения при использовании геотермальных вод в отоплении и горячем водоснабжении/Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сб. трудов XIII междунар. научн.-прак. конф,- Пенза: Приволжский дом знаний, 2012,-С.20-21.

82. Ахмедов Г.Я. К вопросу об эффективном использовании геотермальных вод/Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее: сб. научн. трудов по материалам Междунар. научн.-прак. конференции 29 марта 2012 г.: в 7 частях. Часть 3; Тамбов: Изд-во «Бизнес-Наука-Общество», 2012,-С.9-10.

Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л.2,3 Подписано в печать 16.09.2013г. Тираж 150 экз. Заказ № 116

Отпечатано в С ЦП Novoch.Print ИП Сергиенко НА 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, пр. Баклановский, д. 184

ФГБОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет» ФГБУН «Институт проблем геотермии Дагестанский научный центр

Российская академия наук»

На правах рукописи

05201351828

Ахмедов Ганапи Янгиевич

ЗАЩИТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТ КАРБОНАТНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: д.т.н., профессор Исмаилов Т.А.

Махачкала 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ЗАЩИТЫ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОТ СОЛЕОТЛОЖЕНИЯ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...............17

1.1. Геотермальные воды, их использование и отложение солей в практике эксплуатации геотермальных энергетических систем..... 17

1.2. Оценка стабильности геотермальных вод ......................28

1.3. Кинетика кристаллизации солей из пересыщенных растворов .... 38

1.4. Обзор существующих методов защиты энергетического оборудования геотермальных систем от солеотложения.............49

1.5. Выводы к главе 1 и задачи исследования.......................66

ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ ИЗ РАСТВОРОВ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ВОД

В УСЛОВИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИХ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ....................................................69

2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения исследований.................................................. 69

2.2. Результаты исследования образования твёрдой фазы карбоната кальция в объёме геотермальной воды при нарушении в ней карбонатно-кальциевого равновесия...............................84

2.3. Результаты исследования кинетики кристаллизации карбоната

кальция из растворов геотермальных вод на затравочных частицах .. 96 2.4. Описание кинетической закономерности выделения твердой фазы карбоната кальция в присутствии кристаллической затравки .. 101

Выводы к главе 2...............................................110

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТЛОЖЕНИЙ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ..........112

3.1. Физико-химические характеристики образцов твердых отложений карбоната кальция в геотермальных системах и механизм их образования....................................................112

3.2. Исследование кинетики формирования твердых отложений карбоната кальция на поверхности геотермального энергетического оборудования...................................................131

3.3. Исследование формирования отложений карбоната кальция из

растворов геотермальных вод на охлаждаемой поверхности........143

Выводы к главе 3..............................................154

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, СПОСОБОВ И МЕТОДОЛОГИИ ПО ЗАЩИТЕ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ОТ ОТЛОЖЕНИЙ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ.....................................................156

4.1. Энергоустановки со стабилизацией геотермальной воды кристаллической затравкой......................................156

4.1.1. Экспериментальная установка и методика исследований...... 156

4.1.2. Результаты исследования стабилизационной обработки геотермальной воды в энергоустановке с кристаллизатором........ 165

4.1.3. Повышение эффективности использования энергии геотермальной воды путем использования песка, идущего попутно из скважин......178

4.2. Защита геотермального энергетического оборудования от отложения карбоната кальция путем подбора режима эксплуатации .. 189

4.2.1. Исследование эксплуатации теплообменного оборудования в режиме при равновесных параметрах давления и температуры геотермальной воды.............................................189

4.2.2. Исследование режимов эксплуатации внутрискважинныж теплообменников в геотермальной энергетике.....................207

4.2.3. Энергоустановки с глубоким умягчением геотермальной воды .. 215

4.3. Энергетические устройства с защитой поверхности теплообмена

от отложений карбоната кальция путем ее охлаждения.............221

4.4. Геотермальные устройства и системы по очистке энергетического

оборудования от образовавшихся отложений..................... 235

Выводы к главе 4............................................. 249

ГЛАВА 5. КОНТРОЛЬ ОТЛОЖЕНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ КАРБОНАТА КАЛЬЦИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ.................................. 251

5.1. Способы контроля отложения солей в теплоэнергетике и их сравнительная оценка...........................................251

5.2. Исследование и разработка способов и устройств неразрушающего контроля солеотложения в геотермальной энергетике.............261

5.3. Использование разработанных способов и устройств неразрушающего контроля солеотложения для автоматизации

процессов потребления геотермального тепла.....................278

Выводы к главе 5............................................. 284

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ, СПОСОБОВ И МЕТОДИКИ ПО ОЧИСТКЕ ОТ ТВЕРДЫХ ПРИМЕСЕЙ ОТРАБОТАННЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ПРИ

ЗАКАЧКЕ ИХ ОБРАТНО В ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ.........285

Выводы к главе 6 ............................................302

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................303

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................306

ПРИЛОЖЕНИЕ .............................................339

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие энергетики в мировой промышленности создает все возрастающий спрос на топливно-энергетическое сырье. Однако, существующие в настоящее время сложные энергетические проблемы, связанные, главным образом, с загрязнением окружающей среды, требуют изыскания новых видов энергии. Несмотря на положительные (более благоприятные) условия по сравнению со многими развитыми странами в России также имеются сложные энергетические проблемы: размещение основных топливных баз в восточных районах России, в то время как основные производительные силы расположены в европейской части; запасы нефти и газа в перспективе ограничены; непрерывное ухудшение качества добываемых углей и, главное, непрерывный рост загрязнения окружающей среды.

Наряду с работой по смягчению вышеуказанных проблем в нашей стране ведется работа по освоению альтернативных источников энергии - источников непрерывно возобновляемых в биосфере Земли видов энергии: гидроэнергия рек, солнечная, ветровая, океаническая, геотермальная, энергия биомассы и другие, потенциальные ресурсы которых огромны и использование которых не приводит к заметному загрязнению окружающей среды. В странах Европы использование возобновляемых источников энергии интенсивно расширяется и к 2020 году планируется до 20% энергии получать на их основе, а к 2040 - уже до 40% [1].

В Энергетической стратегии России на период до 2030 года указано, что в качестве одного из главных стратегических ориентиров долгосрочной государственной энергетической политики наряду с энергетической безопасностью, энергетической и бюджетной эффективностью является экологическая безопасность энергетики. Такая стратегия характерна для нетрадиционных возобновляемых источников энергии. В соответствии с Основными направлениями государственной

политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии целевым ориентиром на период до 2020 года является увеличение относительного объема производства электрической энергии за счет возобновляемых источников энергии, примерно, с 0,5 до 4,5 процента. Для достижения намеченных объемов производства электроэнергии на базе возобновляемых источников энергии необходимо уже в указанный период обеспечить ввод генерирующих объектов (малых гидроэлектростанций установленной мощностью до 25 Мвт, ветроэлектрических станций, приливных электростанций, геотермальных электростанций, тепловых электростанций, использующих биомассу в качестве одного из топлив, прочих видов электроустановок) с суммарной установленной мощностью до 25 ГВт [2].

Одним из перспективных видов возобновляемой энергии является геотермальная энергия, где накоплен значительный опыт ее практического использования. Из известных в мире типов месторождений глубинного тепла Земли (паро-гидротермы, гидротермы, месторождения с повышенным температурным градиентом - термоаномальные зоны и петрогеотермальные зоны) в настоящее время только парогидротермы и гидротермы являются единственным источником получения как электрической энергии (более 150 °С), так и тепловой энергии (30 - 150 °С). За последние 30 лет ежегодный прирост мощностей геотермальных энергетических установок в мире, в среднем, составил 7%. При этом установленная мощность всех геотермальных электростанции мира к 2005 году составила около 8910,7 МВт, а суммарная установленная тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения составила 28000 МВт [1]. Наиболее широко термальные воды используют в США, Исландии, Филиппинах, Италии, Новой Зеландии, Мексике и в других странах. В США и Филиппинах основное внимание при использовании геотермальных ресурсов уделяют получению электрической энергии. Они являются лидерами в этой области. По данным американской ассоциации GEA (US Geothermal Energy Association) установленная мощность ГеоЭС в США к началу 2010 года составила 3086 МВт, а на Филиппинах - 1904 МВт. В Исландии население страны, которое насчитывает более 300 тыс. человек, получает

энергию только из возобновляемых источников. ГеоТЭС общей установленной мощностью 575 МВт производят 25% электроэнергии в стране. На долю геотермальных систем теплоснабжения и горячего водоснабжения в Исландии приходится 90% тепловой энергии, вырабатываемой в стране [3].

Доля геотермальной энергии в топливно-энергетическом балансе России незначительна. Установленная мощность ГеоЭС, действующих на Камчатке и Курилах составляет около 80 МВТ, а мощность энергоустановок прямого использования тепла на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе — 307 МВт. Скромные масштабы современной геотермальной энергетики в России явно не соответствуют ее богатой ресурсной базе [4].

По данным на 2006 г. В России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м3/сут. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунекое (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкессия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Распределение геотермальных ресурсов по территории России весьма неравномерно. Все производство природного пара сосредоточено в Камчатской области, обладающей исключительными запасами тепла Земли. Запасы геотермального пара и воды на Камчатке позволят получить до 2000 МВт электрической и 5000 МВт тепловой энергии, удовлетворить все потребности этого края в электроэнергии и теплоснабжении [4]. Кроме Сахалина, Камчатки и Курильских островов на территории России месторождения парогидротерм размещены в Ставропольском крае и в Дагестане, где во времена бывшего СССР планировалось строительство ГеоТЭС. В начале 80-х годов прошлого века на площади Каясула в Ставропольском крае (150 °С) и на Тарумовской площади в Дагестане (180 °С) получены мощные притоки минеральных вод. В настоящее время скважины на этих площадях законсервированы в связи с высокой минерализацией воды.

Надо отметить, что в настоящее время ресурсы геотермальных вод в мире более широко используются в целях горячего тепловодоснабжения. По данным Всемирного геотермального конгресса 2010 г. (о. Бали, Индонезия), суммарная

установленная мощность геотермальных систем тепловодоснабжения составила 50583 МВт с ежегодной выработкой тепловой энергии 121696 ГВт-ч [5]. В России геотермальные системы теплоснабжения в основном работают на Камчатке, Курилах, в Дагестане, Ставропольском и Краснодарском краях. На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180 °С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел. используют reo-

л

термальное водоснабжение. В Дагестане в год добывается более 6 млн. м геотермальной воды. В Краснодарском крае эксплуатируется 12 месторождений с 79 скважинами, температура воды на устье которых составляет 75-120 °С. Суммарная прогнозная мощность этих скважин составляет 238 МВт с возможной выработкой тепловой энергии 834 МВт-ч. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области.

В литературе имеются данные по прогнозным ресурсам геотермальной энергии в России [6-9]. Еще в 1983 году во ВСЕГИНГЕО был разработан атлас геотермальных ресурсов СССР [10, 11] с 47 месторождениями с запасами геотермальной воды 240-103 м3/сут и парогидротермами с запасами более 105-103 м3/сут. В основном представлены среднепотенциальные термальные воды с температурой менее 100 °С, пригодные для целей горячего водоснабжения и отопления жилых и общественных зданий. По своему составу указанные воды относятся преимущественно к гидрокарбонатно-хлоридному типу с солесодержанием до 20-30 г/л. Их использование сопряжено с рядом проблем, связанных в основном с коррозией и отложениями солей в оборудовании геотермальных систем.

Образование твердых отложений при использовании геотермальных ресурсов представляет одну из самых сложных технических проблем. По этой проблеме в 1988 году в Исландии проводился семинар, на котором были выделены основные направления исследований [12]. Как показала практика, в состав твердых отложений в скважинах и теплооборудовании геотермальных систем чаще всего

входят минералы: карбонат кальция, аморфный кремнезем, оксиды и сульфиды металлов. На большей части территории России, стран СНГ и ряда зарубежных стран отложения из растворов геотермальных вод представлены, главным образом, твердой фазой карбоната кальция. Так, в Вайотапу (Новая Зеландия) зарастание скважин карбонатом кальция помешало использовать это месторождение. Такие же месторождения известны и в США (Калифорния), Турции (Кизилдыре), Мексике (Сьерро-Приетто), Коста-Рика (Миравеллас), Венгрии, на Камчатке (Больше-Банные источники), в Ставропольском крае (Каясула 3), в Дагестане (Та-румовка), Грузии (Охурей) и т.д. [13-19]. Если коррозию оборудования геотермальных систем можно снизить подбором материала, то отложение солей идет практически на любой поверхности (после прохождения инкубационного периода [20]).

Методы предотвращения отложения солей в практике использования геотермальных вод, заимствованные в традиционной теплоэнергетике, не всегда эффективны. Это связано с тем, что геотермальные воды многообразны по своей природе и сильно отличаются от пресных вод. Скорости солеотложения в геотермальных системах могут быть в десятки и сотни раз больше, чем при применении пресных вод. Поэтому поиск эффективных и экономичных методов защиты геотермальных систем от солеотложения является одной из важнейших проблем в геотермальной энергетике.

Образование твердой фазы карбоната кальция в геотермальных системах обусловлено нарушением карбонатно-кальциевого равновесия в растворе геотермальной воды при выходе его на поверхность Земли. В наземном оборудовании не всегда удается поддерживать давление, при котором отсутствует выделение твердой фазы карбоната кальция. С другой стороны, поддержание высокого давления в оборудовании геотермальных систем снижает дебит скважины и усиливает коррозионные явления вследствие увеличения кислотности раствора воды.

Актуальмость рассматриваемой проблемы вызвана необходимостью введения в эксплуатацию новых, а также многих простаивающих гидротермальных месторождений из-за агрессивности раствора их воды, необходимостью увеличения

дебита эксплуатируемых скважин, а также необходимостью подготовки отработанных геотермальных вод перед закачкой обратно в пласт для обеспечения эффективной работы подземных циркуляционных систем. В рамках Энергетической стратегии России на период до 2030 года это позволит внести ощутимый вклад при решении вопросов энерго- и ресурсосбережения, а также экологии в процессе вовлечения в энергетику страны возобновляемых источников энергии. К примеру, введение в эксплуатацию таких месторождений как Тарумовское (Дагестан) и Каясулинское (Ставропольский край) позволит получить до 300 МВт электрической и более 2000 МВт тепловой мощности.

Целью данной работы является оценка и разработка новых энергетических устройств и методологических подходов к эксплуатации оборудования геотермальных энергетических систем для решения вопросов энергосбережения и ресурсосбережения путем предотвращения карбонатных отложений.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

- выявить особенности выделения твердой фазы карбоната кальция в растворе геотермальной воды, поступающей в энергетические системы для получения электрической и тепловой энергии;

- установить закономерности формирования тверд�