Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 11
1.1 Характеристика запасов петротермальной энергии 11
1.2 Анализ способов теплопередачи в горных породах 13
1.3 Анализ теплового режима земной коры и факторов влияющих на него 17
1.4 Влияние термических свойств горных пород на температурное поле
грунтов 21
1.5 Исследования тепловых полей в земной коре 25
1.6 Основные выводы 28
ГЛАВА 2. Анализ методов математического моделирования процессов теплообмена в скважинах 31
2.1 К вопросу о решении дифференциальных уравнений описывающих процессы теплопроводности в массиве грунта 31
2.2 Математическое моделирование температурных полей в скважинах различного назначения 35
2.3 Математическое моделирование тепловых потоков в скважинах различного назначения 44
2.4 Основные выводы 48
ГЛАВА 3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов теплообмена в петротермальной скважине и в массиве грунта вокруг скважины 52
3.1 Исследование граничных условий при решении уравнения Фурье для петротермальных скважин 52
3.2 Выводы балансовых уравнений для петротермальной скважине 55
3.3 Разработка математической модели процессов теплообмена в массиве грунта и в скважине з
3.4 Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментального исследования 65
3.5 Разработка программы для расчета температурного потенциала петротермальных скважин 72
3.6 Обработка экспериментальных данных и исследование адекватности прогнозируемых и экспериментальных температурных полей в петротермальной скважине 75
3.7 Практическое применение результатов исследования 81
3.8 Основные выводы 97
ГЛАВА 4. Комплексное использование петротермальной энергии с помощью тепловых насосов и оценка их технической эффективности 100
4.1 Общая характеристика тепловых насосов 100
4.2 Сравнение энергетической эффективности ПТН и АБТН для работы в различных условиях 1 4.3 Оценка экономической и экологической эффективности тепловых насосов 103
4.4 Разработка способов использования петротермальной энергии для комплексного энергоснабжения 106
4.5 Технико-экономический расчет ТНУ 109
4.5.1 Технико-экономическое обоснование проекта на строительство газовой котельной 110
4.5.2 Технико-экономическое обоснование проекта на строительство теплонасосной установки с новой петротермальной скважиной 114
4.5.3 Технико-экономическое обоснование проекта на строительство теплонасосной установки с существующей петротермальной скважиной 119
4.6 Основные выводы 121
Заключение 124
Основные условные обозначения и сокращения 126
Литература
- Анализ теплового режима земной коры и факторов влияющих на него
- Математическое моделирование температурных полей в скважинах различного назначения
- Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментального исследования
- Разработка способов использования петротермальной энергии для комплексного энергоснабжения
Введение к работе
Актуальность темы. На конференции «Энергетика и энергоэффективность в условиях геостратегического развития и освоения Арктического региона» в докладе эксперта Совета Федерации РФ по энергетике Михаила Хуторского, речь шла о том что, прирост разведанных запасов органического топлива отстает от темпов его потребления. В то же самое время независимые эксперты прогнозируют снижение добычи органического топлива во всем мире. Если в конце прошлого десятилетия ежесуточный объем добычи нефти достигал 81 млн. баррелей, то к 2030 году он по прогнозам уменьшится примерно до 30 млн. баррелей. Интенсивно истощаются эксплуатируемые газовые месторождения России. И если не ввести в строй крупные разведанные месторождения на Баренцевом и Карском шельфе, то нефтегазовый потенциал страны будет истощен уже через 20 лет. При этом освоение шельфовых месторождений несет большие экологические риски.
Существующие альтернативные виды энергетики, такие как
ветроэнергетика, гелиоэнергетика, гидроэнергетика, достаточно стабильны и надежны в своей работе, однако они не способны еще восполнить все возрастающие потребности в энергии. Термоядерная энергетика остаётся предметом острых споров.
Перспективным направлением развития энергетики является использование глубинного тепла Земли: гидротермальная энергия (энергия разогретых подземных вод) и петротермальная энергия (тепло, заключенное в «сухих» горных породах).
Использование гидротермальных источников связано трудностями, а именно то, что воды гидротермальных источников высоко минерализованы и могут содержать в своем составе соли различных токсичных металлов, поэтому неизбежен интенсивный износ оборудования и загрязнение окружающей среды.
Использование петротермальной энергии, в качестве локального
теплоисточника, позволит исключить данные проблемы. Этот вид энергии экологически безопасен. Огромным плюсом данного вида энергии является его огромные запасы, общий ресурс тепловой энергии Земли, залегающей на глубинах до 10км, эквивалентен потенциалу сжигания 34,1.109 млрд. т у.т.
Также к плюсам петротермальной энергии относится неподверженность условиям окружающей среды и временам года.
На основе тепла заключенного в «сухих» горных породах может быть
основана петротермальная энергетика, вырабатывающая тепловую и
электрическую энергию.
Петротермальная энергетика как энергосберегающая технология позволит снизить затраты энергии на обеспечение жизнедеятельности зданий и сооружений, и нагрузку на экологию. Технологические схемы на основе петротермальной энергетики смогут обладать высокой степенью автономности.
Петротермальные проекты развиваются в таких крупных странах как США, Австралия, Япония, Россия. В России проект поддержан более чем 40 субъектами Федерации. Промышленное освоение петротермальной технологии по замыслу ученых должно начаться после 2015 года.
Активную поддержку в освоении геотермальной энергии оказывает такие организации как ООН и ЮНЕСКО.
Подобные проекты могут стать постоянным и надежным источником обеспечения дешевой и доступной электроэнергией и теплом.
Петротермальная энергетика является по сути своей фундаментом энергетической безопасности и независимости России, её дальнейшего интенсивного экономического развития.
Степень разработанности темы
Истощение мировых запасов органического топлива, а также экологические риски и вред, наносимый окружающей среде при их добычи, способствуют развитию альтернативных видов энергетики.
Однако, существующие альтернативные виды энергетики, в частности петротермальная энергетика, которая обладает большими преимуществами по сравнению с другими альтернативными источниками энергии, на данном этапе развития, не в состоянии удовлетворить даже существующий спрос на энергию.
Данные о температурном потенциале петротермальных скважин, о процессах теплообмена в них, носят разрозненный характер и учитывают лишь отдельные факторы.
Отсюда возникает необходимость и актуальность исследования.
Изучению петротермальной энергетики посвящены работы авторов: С.С. Смирнов, Г.А. Череменский, Н.А. Гнатусь, Ю.А. Попов, С.Л. Певзнер, В.П. Пименов, М.Д. Хуторской, Э.И. Богуславский, А.А. Чермошенцева, А.Н. Шулюпин, А.И. Филиппов, П.Н. Михайлов, О.В. Ахметова, Н.И. Стоянов, и других.
Цель и задачи исследований.
Цель работы - исследование температурного потенциала петротермальной скважины для повышения эффективности комплексного энергоснабжения объектов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ теплового состояния земной коры.
Анализ существующих математических моделей связанных с петротермальной энергетикой.
Разработка новой математической модели, описывающей процессы теплообмена в петротермальной скважине и в массиве грунта окружающего скважину.
Разработка программы для ПЭВМ на основе разработанной математической модели.
Экспериментальное подтверждение разработанной математической модели.
Анализ технологических способов комплексного использования петротермальной энергии с помощью тепловых насосов.
Оценка технической эффективности различных типов тепловых насосов.
Оценка экономической эффективности технологических способов
комплексного использования петротермальной энергии с помощью тепловых
насосов.
Научная новизна работы
Разработана новая математическая модель, отличающаяся от известных тем, что дает математическое описание двухмерного нестационарного температурного поля в массиве грунта вокруг петротермальной скважины, определяющего тепловые потоки в массиве грунта направленные к скважине, и внутри самой скважины. Разработанная математическая модель способна учитывать неоднородность температурного поля в петротермальных скважинах со сложным геологическим строением в неограниченном массиве горных пород и с циркуляцией теплоносителя внутри скважины.
Экспериментально подтверждена адекватность математической модели.
Разработана методика расчета и программа для ПЭВМ, отличающаяся от известных тем, что позволяет проводить расчеты температурного поля и теплоотдачи скважины с учетом длительной эксплуатации петротермальных скважин.
Впервые получены данные о потенциальных возможностях петротермальных скважин, которые в отличие от известных, ориентированы на долгосрочную эксплуатацию.
Теоретическая и практическая значимость работы
Получены уравнения описывающие процесс теплообмена в скважине и в массиве грунта вокруг скважины, необходимые для расчета температурного потенциала, основных параметров характеризующих работу скважин и различных режимов работы скважины. Выявлены основные зависимости позволяющие регулировать тепловую мощность скважины.
На основе разработанной математической модели и методике расчета составлена специальная программа для ПЭВМ, рекомендованная для научных и инженерных работников. Разработанная программа передана для регистрации в отдел регистрации программ для ЭВМ, БД и ТИМС ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» (ФГБУ ФИПС) исходящее письмо ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет» от 24.02.2015 года № 1433/34.
Результаты исследования внедрены на предприятии ООО «Сфинс-9» г. Ставрополь (Акт внедрения, приложение А).
Разработанная программа внедрена в учебный процесс для студентов направления подготовки 08.03.01 - Строительство, профиль: Теплогазоснабжение и вентиляция, направления подготовки 08.04.01 - Строительство, магистерская программа: Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий, по дисциплине «Использование вторичных и возобновляемых источников энергии» ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет». Полученные в данной работе результаты исследований используются для дальнейших исследований по
данной тематике на кафедре теплогазоснабжения и экспертизы недвижимости ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет».
Методология и методы исследования
Методология исследования в диссертационной работе основана на совокупности методов: теория тепломассообмена, методы математического анализа, методы анализа научно-технической документации. Экспериментальные исследования производились на установке по общепринятым методикам, а оценка результатов известными методами статического анализа.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты
Новая математическая модель, описывающая процессы теплообмена в петротермальной скважине и в массиве грунта окружающего скважину.
Методика расчета для разработанной математической модели.
Экспериментальное подтверждение адекватности разработанной математической модели.
Данные о потенциальных возможностях петротермальных скважин.
Технологические решения по комплексному использованию петротермальной энергии.
Экономическая эффективность петротермальной энергетики.
Достоверность и апробация работы. Основные научные положения и полученные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГАОУ ВПО «Северо - Кавказский федеральный университет». Экспериментально доказана разработанная математическая модель. Результаты исследований использованы для расчетов и оптимизации технологических схем установок теплоснабжения и установок по выработке электрической энергии на основе тепловых насосов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 тезиса и монография.
Структура и объем работы: введение, 4 главы, заключение, список литературы из 130 наименования и приложений. Общий объем диссертационной работы 150 с, включая 11 таблиц и 63 рисунка.
Анализ теплового режима земной коры и факторов влияющих на него
Теплопередача в горных породах может осуществляться с помощью излучения, конвекции и теплопроводности.
В горных породах, доля тепла, которое переносится излучением, крайне мало и не превышает несколько процентов от величины суммарного теплового потока. И соответственно этим видом теплопередачи в горных породах можно пренебречь.
Конвективная теплопередача это такой перенос теплоты, который осуществляется подвижным теплоносителем, таким как водяной пар, газ или жидкость, в трещинах, порах или других пустотных пространствах горных пород.
При конвективной теплопередаче происходит перенос емкостных запасов тепла теплоносителя, можно также говорить и о процессах переноса скрытой теплоты фазовых превращений. Это возникает, когда подвижный компонент при перемещении в пустотном пространстве горных пород переходит из области с температурными условиями, соответствующими устойчивости этого компонента, в область температурами ниже (выше) температуры его фазового перехода, где меняется его агрегатное состояние и происходит выделение или поглощение количества тепла.
В горных породах, доля тепла, которое переносится при помощи конвективной теплопередачи, невелико и только при интенсивной фильтрации воды, водяного пара или газа в сильнотрещиноватых скальных, грубообломочных, песчаных породах конвективная теплопередача играет существенную роль.
Из вышесказанного следует что, данный механизм теплопередачи является существенным и основным, только в определенных ситуациях, и учет его, если и следует ввести, то, как дополнительную, вспомогательную функцию или в случае наличия тех факторов, которые приведут к тому, что конвективная составляющая будет играть определяющую роль.
Основным механизмом переноса теплоты в горных породах следует считать теплопроводность. Математически процесс стационарной теплопроводности описывается законом Фурье: qкд=- grad t, (1.1) где qкд - плотность теплового потока; - коэффициент теплопроводности горных пород, численно равный количеству тепловой энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади при единичном градиенте температуры grad t. Так как теплопроводность, в чистом виде, в природе реализуется только в монолитных горных породах, а излучением как способом теплопередачи пренебрегаем, то учет теплопроводности и конвективной составляющей теплового потока можно осуществлять при помощи эффективного коэффициента теплопроводности, эф= к+кв - коэффициент эффективной теплопроводности,
где к, кв - коэффициенты соответственно теплопроводности, конвективной теплопроводности. Данный коэффициент обуславливает суммарный теплоперенос за счет конвекции и теплопроводности [3 – 5].
После выявления основных механизмов теплопередачи в горных породах, следует достаточно точно дать понимание изучаемого пространства и основного параметра характеризующего данное пространство [6].
Для того чтобы объект исследования охарактеризовать, необходимо при изучении пространственного положения поля учитывать границы этого поля, потому как сочетание свойств, явлений, форм, процессов в пределах этой границы, обеспечивает единство происхождения и пространственного положения этого объекта [7].
Тогда под изучаемым пространством следует понимать температурное поле, образованное естественным путем и измененяемое искусственным образом в процессе работы петротермальной скважины. Задача состоит в том, чтобы исследовать температурное поле грунта вокруг петротермальной скважины, его пространственное положение. Очевидным становится то, что температурное поле будет неоднородным и нестационарным.
При постоянных по площади теплофизических свойствах и при однородных температурных условиях на плоской земной поверхности, в приповерхностных слоях горных пород формируется одномерное температурное поле, тепловые потоки направлены вертикально, температура горных пород на любой заданной глубине в горизонтально направлении постоянна, и не меняется во времени.
К одномерным температурным полям можно также отнести осесимметричные поля, например близким примером этого является температурные поля вокруг трубопроводов или сферических объектов находящихся под землей. Изотермические поверхности имеют вид цилиндрических поверхностей, а для сферических объектов – сфер с центром, совпадающим с центром сферического объекта.
Трехмерные температурные поля возникают, когда неоднородны по площади температурные условия на земной поверхности, теплофизические свойства грунтов, и при выраженном рельефе [3 – 8]. То есть к поставленной выше задаче следует добавить важное замечание, следует изучить не просто температурное поле грунта вокруг петротермальной скважины, а двумерное температурное поле (х,у, ) в цилиндрической системе координат. Признаком нестационарности температурного слоя, неодномерности, неоднородности геологического разреза является отклонение от линейного закона распределения температур в горных породах на глубинах, превышающих глубину проникновения сезонных изменений температур, а также наличие конвективной теплопередачи или внутренних тепловыделений [3 - 8].
Математическое моделирование температурных полей в скважинах различного назначения
Недостатком модели [61 – 68] является отсутствие экспериментального подтверждения. А также, то, что не ведется учет вертикальной составляющей. Даже если и предположить, что влияние вертикальной составляющей незначительно, то сначала необходимо привести четко доказанное обоснование этого. При помощи данной модели расчеты теплопроизводительности петротермальной скважины проведены на короткий промежуток времени, всего лишь до 12 месяцев.
В разделе 1.7, говорилось о том, что одна из моих задач состоит в том, чтобы составить и решить дифференциальное уравнение теплопроводности, двумерное нестационарное. С учетом материала, приведенного в разделе 2.1, следует, что в данное уравнение должны быть введены цилиндрические координаты, так как петротермальная скважина представляет собой цилиндр, должно быть учтено вертикальное и горизонтальное направление. Также данное уравнение должно быть дополнено начальными и граничными условиями.
Помимо этого, при рассмотрении теплообмена массива грунта со скважиной должно быть учтено что, петротермальная скважина окружена практически неограниченным массивом горных пород, с потоком движущегося внутри теплоносителя. Должно быть дано математическое описание двухмерного нестационарного температурного поля в массиве грунта вокруг петротермальной скважины, а также тепловые потоки в массиве грунта направленные к скважине, и внутри самой скважины. Иными словами необходимо составить соответствующие дифференциальные уравнения в частных производных. Дифференциальное уравнение в частных производных вместе с начальными и граничными условиями даст полную математическую формулировку краевой задаче теплопроводности от массива горных пород к петротермальной скважине. А решаться это может аналитическим или численным методом. Использование численных методов при исследовании позволит отказаться от упрощенной трактовки математической модели процесса.
Следует отказаться от применения асимптотических методов, так как данные методы обладают серьезным недостатком. Недостаток асимптотический методов заключается в том, что не всегда первое приближение обеспечивает нужную точность, построение же последующих приближений часто представляет очень трудоемкую задачу. Оценить точность асимптотических приближений и пределов применяемости также весьма непростая проблема. Также к недостаткам асимптотических методов относится трудность реализации их на ЭВМ, что очень важно для практического применения.
Благодаря универсальности и наличию хорошо проработанной теории на сегодняшний момент наиболее часто применяются разностные методы приближенного решения уравнения теплопроводности.
Расчетное соотношение приводится к такому виду, где будущая температура в рассматриваемой узловой точке является функцией времени настоящей температуры в рассматриваемых и в соседних точках. Такие уравнения составляются для всех узловых точек рассматриваемой области, включая граничные. В результате получается замкнутая система алгебраических уравнений.
Однотипность вычислений при решении такой системы позволяет использовать современную вычислительную технику. В качестве способа решения дифференциальных уравнения, был принят метод конечных разностей. Метод конечных разностей основывается на дискретизации, которая представляет собой замену непрерывной области совокупностью изолированных точек (сеткой), причем решение уравнений ищется лишь в этих точках (узлах сетки).
При использовании метода конечных разностей следует выбрать наиболее подходящую схему, правильно ее аппроксимировать и оптимизировать. При оптимизации схемы, необходимо учитывать такие факторы как: точность, удобство программной реализации на ЭВМ и прочее.
Решение системы дифференциальных уравнений с частными производными можно значительно упростить применением хорошо построенной расчетной сетки. Но если подобрать не подходящую для изучаемого случая расчетную схему, то можно получить неудовлетворительный расчет.
Главной проблемой при численном решении уравнений с частными производными является построение или выбор расчетной сетки.
Так как способом решения дифференциальных уравнений я выбрал метод конечных разностей, то необходимо составить, или выбрать наиболее подходящей расчетной сетки. Перед составлением разностной схемы, следует начать выбор шаблона (конфигурации узлов), участвующих в расчетах.
Рассмотренный материал в разделах 2.2 и 2.3 показал, что основным недостатком данных моделей является отсутствие экспериментального подтверждения. А также ограниченность применения разработанных моделей, применение трудоемких методов решения дифференциальных уравнений, не учет нестационарности процессов, применение грубых допущений. Во многих разработанных моделях отсутствует универсальность. Разрабатывая математическую модель необходимо учесть как недостатки, так и достоинства рассмотренных моделей. Перед расчетами необходимо сформулировать основные допущения. После разработки математической модели, с учетом выводов раздела 1.7 и данного раздела, необходимо провести экспериментальное подтверждение данной модели. Разработанную модель следует перенести на ПЭВМ, то есть создать компьютерную программу позволяющую проводить виртуальные опыты и исследования. Данная компьютерная программа должна обладать рядом свойств, а именно: точностью расчетов; высокой производительностью; простым и удобным для пользователя интерфейсом; универсальностью. И будет являться, по сути, инструментом исследований.
Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментального исследования
Температурное поле в ходе 5-го эксперимента Для статистической обработки данных были использованы следующие параметры [97 – 99]: относительная погрешность гр,тн ,%, коэффициент детерминации Rг2р ,Rт2н , среднеквадратическое отклонение гр , тн,0С , дисперсия случайной величины 2г р , 2т н,0С2 . А для оценки среднеквадратического отклонения, было, использовано правило «трех сигм». С индексами «гр» и «тн» значатся параметры, относящиеся к грунту и теплоносителю соответственно. Относительная погрешность рассчитывается по формуле: где ti гр.расч – температура грунта, полученная в ходе расчетов, в i-ой контрольной точке расположения термопары; ti тн.эксп – температура грунта, полученная в ходе экспериментов, в i-ой контрольной точке расположения термопары. Всего i-ых контрольных точек расположения термопар при проведении экспериментов было 12, располагались они в 4 уровнях по 3 термопары на каждом уровне, их расположение отображено на рисунке 3.8, под i 79 ой контрольной точкой следует понимать конкретное фиксированное положение термопары в грунте.
Коэффициент детерминации рассчитывается по формуле [97 – 99]: где k – конечное число временных отрезков, выбранных в качестве контрольных точек во времени. Согласно правилу «трех сигм», практически все значения нормально распределённой случайной величины должны находиться в интервале: ( р.эксп +3гр; р.эксп -3гр);(4.эксп + 3тн; тн.эксп "3тн); (3.56) Статистическая значимость модели оценивалась при помощи критерия Фишера: R2 п — т — 1 F = , (3.57) 1-і? т где п - число наблюдений; т - число параметров при факторе х. Критическое табличное значение критерия Фишера равно .Ррасч(5;2) = 19,3, а расчетное значение критерия Фишера составило 98,01, при уровне значимости 5 % и уровне надежности 95 %, что больше табличного значения, это позволяет говорить о статистической значимости модели.
Результаты обработки экспериментальных данных отображены в таблице 3.4. Относительная погрешность в конкретных контрольных точках расположения термопар, варьировалась от 0,01 до 5,9 %. Коэффициент детерминации к достигает максимума из возможных значений, когда RSS принимает наименьшее из достижимых значений. То есть показывает степень корреляции между объясняемой переменной и ее предсказанным значением. Проверка правилом «трех сигм» показала, что практически все значения нормально распределённой случайной величины лежат в данном интервале, а именно 99,7 % значений. Более строго - приблизительно с 99,73 % вероятностью значения нормально распределённой случайной величины лежат в указанном интервале. Из таблицы видно высокие значения к и низкие значения , это свидетельствует о высоком качестве математической модели в виде реализации в программном виде и о высоком качестве описания ею экспериментальных данных. Таблица 3.4 – Результаты статистической обработки данных эксперимента
Исходные данные для расчета петротермальных скважин с различными параметрами: Внутренняя подъемная труба [100]: стальная бесшовная труба, Ду = 219мм, толщина стенки 7,6мм; Наружная опускная труба [100]: стальная бесшовная труба, Ду = 273мм, толщина стенки 12,6мм. Изоляция из каменной ваты на основе базальтового волокна толщина 20мм, теплопроводность 0,039 Вт/(м-K). Теплофизические свойства грунтов: Теплопроводность грунтов: 1; 1,5; 2,5 Вт/(м-K); плотность 2500 кг/м ; теплоемкость 800 Дж/(кг-K). Температура на поверхности 10 С. Температура обратного (закачиваемого теплоносителя) 8 С. Температурные градиенты: 0,04; 0,07; 0,1 С/км. Расходы теплоносителя: 3; 5; 10 кг/с. Шаг по времени 3600 сек; по радиальному направлению 1м; по глубине скважины 20м. Глубина скважины 3000м.
Параметры для расчета различных вариантов петротермальных скважин аналогичны указанным выше, за исключением начального распределения температур в массиве грунта, которое в отличие от расчета экспериментальной установки задается при помощи градиента температуры. Допущения, принятые при расчете петротермальных скважин: 1. Распределение температур принимается осесимметричным. 2. Теплофизические параметры грунта принимаются постоянными и не зависящими от температуры, давления, влажности и прочих параметров. 3. Температура воды, для расчета за исключением экспериментальной установки, принимается постоянной. 4. Грунт принимается однородным, то есть с одинаковыми теплофизическими свойствами грунтов по всей высоте скважины. 5. Не учитывается колебания температуры в горных породах вызванные колебанием температуры земной поверхности. 6. Температура земной поверхности принимается постоянной. 7. В пределах рассматриваемого слоя, температура принимается постоянной. Результаты расчетов условных петротермальных скважине с различными вариациями теплофизических параметров, режимами работы, представлены на рисунках 3.14 – 3.43. При: grad t = 0,04 оС/км, теплопроводность грунта 2,5 Вт/(м.оС), расход теплоносителя 10 кг/с:
Разработка способов использования петротермальной энергии для комплексного энергоснабжения
Были рассмотрены и проанализированы различные виды тепловых насосов, которые можно применять для использования петротермальной энергии, а также их энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Для того чтобы сравнить эффективность различных типов ТН необходим общий показатель, в качестве показателя эффективности ТН можно выбрать удельный расход топлива на выработку теплоты или коэффициент его использования. Для России это наиболее правомерный подход, потому что в России, основные базовые электростанции работают на органическом топлив.
Для развития проектов связанных с ТНУ в России имеются все предпосылки, однако широкому внедрению и применению энергосберегающих технологий, а ТНУ такими являются, препятствуют административные препятствия. Поэтому государство должно помогать законодательными и нормативными актами, которые будут нормировать и стимулировать развитие данной отрасли. Энергосбережение на основе ТНУ должно преследовать самую главную цель, это уменьшить затраты первичного топлива для производства теплоты, что приведет также к улучшению экологической обстановки в стране.
В нашей стране ТНУ в настоящее время практически не используются или мало используются энергосберегающие технологии. Это можно объяснить ситуацией цен на ТЭР и значительных капитальных и эксплуатационных затрат по сравнению с традиционными источниками.
Петротермальная скважина как источник тепла должна поддерживать стабильно высокую температуру в течение рассматриваемого сезона, быть производительной, не быть загрязняющей окружающую среду, иметь благоприятные теплофизические характеристики и низкие эксплуатационные расходы.
Так как экономичность работы ТНУ в значительной степени зависит от правильного выбора источников теплоты «низкого» потенциала, то именно для этого была разработана соответствующая математическая модель и реализована в виде программы для ЭВМ, потому как она позволяет рассчитывать петротермальные скважины с различными параметрами в течение любого отрезка времени. Применение теплового насоса позволяет увеличить теплопроизводительность скважины за счет понижения температуры обратной воды, закачиваемой в скважину, в свою очередь применение именно АБТН позволит осуществлять использование теплоты за счет тепла скважины, то есть без затрат электроэнергии, в отличие от ПТН.
Мною, был сделан выбор в пользу АБТН и на основе этого была разработан способ по комплексному использованию петротермальной энергии.
После проведенных мною исследований, следующей задачей по развитию в данной области, должно стать проектирование систем использующих петротермальную энергию, на основе данных получаемых от разработанной мною математической модели и параметров, указанных в этой главе. То есть при проектировании необходимо принимать такие схемные решения, чтобы они способствовали энергетической и экономической эффективности ТН, учитывая что наиболее экономичны комбинированные системы (одновременная выработка тепла, холода, электроэнергии).
При проектировании схем на основе ТНУ следует пользоваться не только СНиПами и ГОСТами, но и такими факторами как: - относительное расположение источников теплоты и потребителей; - соотношение между возможным потреблением теплоты и возможностями петротермальной скважины; - Разбивка нагрузки между ТНУ; - климатические условия региона; - соотношение региональных тарифов на электроэнергию и топливо. Составление предварительного технико-экономического анализа и последующего подробного бизнес-плана по внедрению петротермальной энергетики в те или иные сферы нашей страны должно стать теперь первоочередной задачей
При этом надо будет рассматривать варианты, когда ТНУ заменят не только традиционные действующие источники энергии, но и те которые будут только построены, а также альтернативные источники энергии, построенные и намеченные на строительство. Помимо этого необходимо также будет учитывать такие факторы как надежность оборудования и экологическая чистота.
Очевидным становится то, что инвестиционные решения будут приниматься на основе срока окупаемости, для России реальные требования инвесторов к эффективности капиталовложений от 2 до 5 лет.
Из приведенных технико-экономических расчетов ТНУ можно сделать вывод о конкурентоспособности петротермальной энергии по сравнению с традиционными источниками энергии. Срок окупаемости ТНУ установки на основе газовой или нефтяной скважины позволяет говорить об экономической эффективности петротермальной энергии, так как он не превышает 5 лет.