Лекция по «Нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии»

В связи с этим возникают  научно-технические и технологические  проблемы геотермальной энергетики, основными из которых являются:

• освоение технологий строительства высокодебитных скважин с горизонтальными стволами в продуктивном горизонте;
• перевод значительного количества бездействующих скважин на выработанных нефтяных и газовых месторождениях на добычу геотермального флюида;
• широкое освоение технологии геотермальных циркуляционных систем;
• разработка эффективных методов борьбы с коррозией и солеотложением;
• разработка двухконтурных систем геотермального энергоснабжения на основе дешёвыхкоррозионно-стойких теплообменников и серийный выпуск модульного оборудования для строительства одноконтурных и бинарных ГеоЭС;
• разработка эффективных комплексных технологий утилизации геотермальной и сопутствующих видов энергий и гидроминеральных ресурсов;
• разработка эффективных технологий утилизации низкопотенциального геотермального тепла.

Реализация на практике перечисленных проблем позволит резко повысить отдачу существующего  геотермального производства и решить значительные энергетические проблемы, связанные с замещением традиционных органических топлив и обеспечением промышленности минерально-сырьевыми ресурсами.

Области применения и  эффективность использования геотермальных вод зависят от их энергетического потенциала, общего запаса и дебита скважин, химического состава, минерализации, агрессивности вод, наличия потребителя и его удалённости и некоторых других факторов. Наиболее эффективной областью применения геотермальных вод является отопление, горячее и техническое водоснабжение объектов различного назначения. Максимальный энергетический эффект достигается созданием специальных систем отопления с повышенным перепадом температур. Наиболее простыми и экономичными являются системы с непосредственной подачей воды в систему теплоснабжения. Для таких систем нужен геотермальный теплоноситель высокого качества, при использовании которого процессы солеотложения и коррозии практически отсутствуют. Однако ресурсы таких вод незначительны,следовательно, на практике чаще всего используются системы с применением промежуточных теплообменников или с предварительной водоподготовкой. В условиях реформирования жилищно-коммунального хозяйства наиболее эффективными являются локальные системы теплоснабжения на основе передовых технологий. Практически во всех регионах России имеются значительные запасы низкопотенциальных термальных вод, которые успешно можно использовать в системах теплоснабжения с тепловыми насосами.

Из накопленного в  последние десятилетия опыта  освоения тепловой энергии земных недр следует, что гидрогеотермальные ресурсы успешно используются во многих странах мира для производства электроэнергии и тепла, удовлетворяя при этом самые разные потребности хозяйственной деятельности человека.

1.2.2. Принципиальные схемы геотермального теплоснабжения

Основными специфическими особенностями геотермальных вод являются одноразовое их использование в системах теплоснабжения и неизменная температура. В традиционных системах теплоснабжения отработанная вода возвращается в котельную или ТЭЦ, и для восстановления первоначальной температуры требуется меньше топлива. В системах геотермального теплоснабжения не использованный потребителем тепловой потенциал воды при ее сбросе (или закачке обратно в пласт) теряется безвозвратно. При постоянном дебите геотермальной скважины, в зависимости от конечной температуры сбрасываемой воды, можно обеспечить теплом различное количество потребителей.

Максимальный энергетический эффект достигается созданием специальных  систем отопления с повышенным перепадом  температур, использованием пикового догрева и тепловых насосов, разработкой комплексных схем геотермального теплоснабжения с набором последовательных потребителей.

При разработке геотермальных  систем теплоснабжения необходимо обеспечивать максимальное значение коэффициента эффективности использования термоводозабора η_геот. Величина η_геот.представляет собой отношение фактически используемого в течение года теплового потенциала скважины Q_{фак.год} к максимальному количеству тепла Q_mахгод, которое можно получить при круглогодичной эксплуатации скважины на дебите соответствующем эксплуатационным запасам и срабатывании температуры отработанной (сбрасываемой) воды до условной температуры. В качестве условной температуры может быть принята температура водопроводной воды в зимний период (5 °С), которая учитывается при определении расхода тепла на горячее водоснабжение:

где Gф — фактический дебит скважины, кг/с; G_Э— максимальный дебит скважины соответствующий эксплуатационным запасам, кг/с; с — теплоёмкость термальной воды, Дж/кг* °С;t_TB— температуратермальной воды,°С; t_сб — температура сбрасываемой воды; τ — время эксплуатации скважины, сут.

В расчётах систем теплоснабжения были определены следующие значения коэффициента η_геот. отопления η=0,05-0,34; вентиляции η= 0,15÷0,45; горячее водоснабжение η=0,70—0,92. Из этого следует, что наиболее эффективно использование термальных вод для горячего водоснабжения. При непосредственном использовании термальной воды для горячего водоснабжения и на технологические нужды, помимо замещения традиционного топлива достигается дополнительный эффект за счёт экономии водопроводной или технической воды.

В зависимости от гидрогеотермических  характеристик скважины и качества геотермального теплоносителя существуют большое количество различных схем теплоснабжения. При выборе схемы теплоснабжения выявляют количество потребителей термальной воды в расчётном режиме, которых классифицируют по предъявляемым ими требованиям к потенциалу теплоносителя, намечают последовательность подачи воды с учётоммаксимальною использования ее температуры. Кроме того, производят технико-экономическое обоснование нескольких вариантов систем теплоснабжения.

Простейшая  схема теплоснабжения показана на рис. 1.4. Геотермальная вода из скважины поступает в теплоизолированный бакаккумулятор, откуда насосом направляется непосредственно в отопительные системы и системы горячего водоснабжения. Рис. 1.4. Схема теплоснабжения параллельной подачи термальной воды на отопление и горячее водоснабжение:

1 — термоводозабор; 2 — теплоизолированный бак-аккумулятор; 3 — сетевой насос; 4 — система отопления; 5 — система горячего водоснабжения

После отопительных систем вода сбрасывается. Такая схема возможна при высоком качестве геотермальной воды, т.е. при низкой минерализации воды, отсутствии в ней вредных для здоровья людей компонентов и проблем с коррозией и отложением солей в коммуникациях и оборудовании.

Геотермальная скважина эксплуатируется с постоянным дебитом  и этот дебит равен суммарному расходу на отопление и горячее водоснабжение (среднечасовому). Неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение в течение суток регулируется баком-аккумулятором. В часы максимального водопотребления дополнительное количество воды забирается из бака-аккумулятора и, наоборот, в часы минимального потребления вода из скважины накапливается в баке.

На рис. 1.5 приведена  принципиальная схема теплоснабжения с пиковым догревом воды.

Системы теплоснабжения с пиковым догревом используются в районах, где теплоэнергетический потенциал геотермальных ресурсов недостаточен для покрытия тепловых нагрузок потребителей.

Рис. 1.5. Схема теплоснабжения параллельной подачи термальной воды на отопление и горячее водоснабжение  и пиковым догревом:

1 — термоводозабор; 2 — теплоизолированный бак-аккумулятор; 3 — сетевой насос; 4 — система отопления; 5 — система горячего водоснабжения; 6 — пиковая котельная

В периоды максимального  теплопотребления включается пиковая  котельная и термальная вода, проходя через неё, догревается до нужной температуры. С повышением температуры наружного воздуха и снижением теплопотребления пиковая котельная отключается, и термальная вода направляется в систему отопления. Дополнительное пиковое догревание геотермальных вод осуществляется в периодически действующих паровых котлах с пароводяными теплообменниками, в водогрейных котлах, электрокотлах.

Если температура термальной воды низкая (до 55 °С), то такую воду можно использовать в системах теплоснабжения с тепловыми насосами. Термальная вода из скважины поступает в испаритель теплового насоса, где, передавая теплоту испаряющемуся рабочему агенту, охлаждается. Образовавшийся пар сжимается компрессором с повышением его температуры и поступает в конденсатор. В конденсаторе тепло паровой фазы передаётся воде, циркулирующей в контуре отопительной системы.

Отработанная термальная вода при высоком качестве воды может  быть использована на нужды хозяйственно-питьевого или технического водоснабжения. При неудовлетворительном химическом составе вода с разрешения экологической службы сбрасывается на поверхность или закачивается обратно в материнский пласт, а также может быть направлена на блок химводоочистки для доведения ее до кондиций питьевого или технического водоснабжения. При необходимости система может быть дооборудована пиковой котельной. На рис. 1.6 приведена схема такой системы.

Рис. 1.6. Схема геотермального теплоснабжения с тепловым насосом:

1 — термоводозабор; 2 — тепловой насос; 3 — циркуляционный насос; 4 — отопительная система; 5 — пиковая котельная

Большая часть геотермальных  вод относится к высокоминерализованным водам. Непосредственное использование их в системах геотермального теплоснабжения затруднено из-за их коррозионной активности и склонности к интенсивному солеотложению. Тепловой потенциал таких вод может быть использован в системах геотермального теплоснабжения с помощью промежуточных теплообменников.

Системы с промежуточными теплообменниками являются двух- контурными системами, где тепловой потенциал  высокоминерализованной воды первичного контура через теплообменник передаётся пресной воде, циркулирующей во вторичном контуре системы теплоснабжения (отопления, горячего водоснабжения). Недостатком систем с теплообменниками является сокращение срабатываемого потенциала термальной воды на величину конечной разности температур в теплообменнике.

На рис. 1.7 приведена  схема закрытой однотрубной системы  геотермального теплоснабжения. Геотермальная вода из бака-аккумулятора насосом подаётся в теплообменник, куда также из водопровода поступает холодная вода. В теплообменнике происходит нагрев водопроводной воды, после чего она направляется в систему горячего водоснабжения.

Рис. 1.7. Схема однотрубной  закрытой системы горячего водоснабжения:

1 — термоводозабор; 2 — теплоизолированный бак-аккумулятор; 3 — насос первичного контура; 4 — теплообменник; 5 — насос вторичного контура; 6 — водоразборные устройства

Отработанная минерализованная вода из теплообменника направляется на сброс или закачивается в пласт через нагнетательную скважину. Недостатком такой системы является отсутствие циркуляции теплоносителя, что при отсутствии водоразбора (в ночное время) приводит к остыванию воды в магистральных и разводящих трубах. Такую схему используют при близком расположении термоводозабора к потребителям горячей воды.

При сравнительно большом  удалении термоводозабора от потребителя целесообразна схема с двухтрубной распределительной сетью, по которой происходит циркуляция теплоносителя.

Рис. 1.8. Принципиальная схема системы геотермального теплоснабжения жилого микрорайона г. Каспийска:

1 — термоводозабор; 2 — теплообменник системы отопления; 3 — пиковая котельная; 4 — система отопления; 5,6 — теплообменники 1-й и 2-й ступеней горячего водоснабжения

На рис. 1.8 приведена принципиальная схема использования высокоминерализованных (до 40 г/л) геотермальных вод для теплоснабжения жилого микрорайона г. Каспийска в Дагестане с использованием промежуточных теплообменников.

Геотермальная вода от двух скважин направляется параллельно в теплообменники отопления и 2-й ступени горячего водоснабжения. После теплообменника отопления геотермальная вода поступает в теплообменник 1-й ступени горячего водоснабжения, и при температуре 21—22°Ссбрасывается.

Сброс изтеплообменника 2-й ступени происходит при температуре воды 40 °С, поскольку потребителей термальной воды с такой температурой нет.

При расчётных параметрах 95—40°С в системе отопления с пиковой котельной образуется замкнутый контур, по которому циркулирует пресная вода. В летнем режиме работают только теплообменники отопления на геотермальной воде и обеспечивают горячим водоснабжением два микрорайона.

Геотермальные воды успешно  используют для теплоснабжения теплиц и обогрева грунта. В схеме геотермального теплоснабжения тепличного хозяйства в г. Черкесске (рис. 1.9) термальная водя, пройдяпиковый электродогрев,поступает в теплицы площадью 6000 м²круглый год, а затем перед сбросом подогревает поливочную воду в теплообменнике. При снижении температуры наружного воздухавключается сезонный обогреваемый грунт площадью 15 000 м².

Применение той или  иной схемы геотермального теплоснабжения определяется многими факторами, среди  которых особое место занимает химический состав геотермальной воды. Различные аспекты теплотехнического использования геотермальных вод рассмотрены в работе Б.А. Локшина и ведомственных строительных нормах, разработанных ЦНИИЭП инженерного оборудования [28, 45]. Принципиальные схемы геотермальных систем теплоснабжения следует выбирать с учётом температуры и химического состава геотермального теплоносителя, характера возможного потребления геотермальной теплоты, условий сброса отработанной геотермальной воды, наличия источника питьевой воды, взаимного расположения термоводозабора, потребителя, места сброса и источника воды питьевого качества, а также расстояний между ними. Тепловую энергию нельзя экономично транспортировать на большие расстояния. Освоение геотермальных ресурсов возможно лишь гам, где уже имеются соответствующие потребители тепла или экономически целесообразно построить объекты геотермального энергоснабжения.