Лекция по «Нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии»

Рис. 1.9. Принципиальная схема  использования термальных вод для тепличного хозяйства в г. Черкесске:

1 — геотермальная скважина; 2 — пиковая котельная; 3 — теплицы; 4 — обогреваемый грунт; 5 — теплообменник

Оборудование геотермальных  систем теплоснабжения необходимо выбирать с учетом химического и газового составов геотермального теплоносителя, а также испытаний его на агрессивность и склонность к отложению солей.

Избыточное давление на устье скважины следует создавать  только для подачи геотермального теплоносителя  в сборную емкость (бак- аккумулятор). Подачу его потребителю осуществляют насосами. При непосредственной подаче геотермального теплоносителя из скважины к потребителю создаётся противодавление, что снижает динамический уровень самоизлива и приводит к снижению эксплуатационного дебита скважины.

Термины и определения, используемые в технической документации

Месторождение геотермальных вод — часть подземной водоносной системы, в пределах которой имеются благоприятные условия для отбора геотермальных вод в количестве, достаточном для их теплоэнергетического использования.

Термоводозабор — одна или несколько объединённых между собой трубопроводами геотермальных скважин, пробурённых на месторождении геотермальных вод, специально обустроенных и предназначенных для подачи геотермального теплоносителя на нужды теплоснабжения зданий и сооружений.

Открытая система геотермального теплоснабжения — система, в которой геотермальная вода непосредственно подаётся на водоразбор горячего водоснабжения.

Закрытая система геотермального теплоснабжения — система, в которой на водоразбор горячего водоснабжения подаётся не геотермальная вода, нагретая за счёт геотермальной теплоты.

Геотермальная система теплоснабжения с зависимым присоединением отопления — система, в которой геотермальная вода подаётся непосредственно в приборы отопительных установок.

Геотермальная система теплоснабжения с независимым присоединением отопления — система, в которой в отопительные приборы подаётся другой теплоноситель, нагретый в теплообменнике за счёт геотермальной теплоты.

Транзитные геотермальные тепловые сети — сети от термоводозаборов до устройств перехода на другой температурный график, а при едином температурном графике — до первого ответвления к потребителям.

Магистральные геотермальные тепловые сети — сети от границы транзитных сетей, а при их отсутствии или протяжённостименее 1 км — от термоводозаборов до ответвлений к жилым микрорайонам (кварталам) или промышленным предприятиям.

Распределительные геотермальные тепловые сети — трубопроводы от границ магистральных сетей до узлов присоединения зданий.

Геотермальная система — совокупность инженерных сооружений, технических средств и обусловленных ими физических и технологических процессов, которые обеспечивают добычу из недр, обработку и доставку потребителю кондиционного теплоносителя в природных условиях данного геотермального месторождения.

1.2.3. Комплексные геотермальные системы теплоснабжения

Более 85 % добываемого  геотермального тепла при прямом его использовании расходуется  на отопление. Однако при отоплении  различных объектов геотермальную энергию используют лишь часть года. На Северном Кавказе, одном из наиболее перспективных регионов для развития геотермальной теплоэнергетики, отопительный период имеет продолжительность немногим более 150 сут. Несовершенство систем отопления в большинстве случаев позволяет использовать лишь небольшую часть теплового потенциала геотермального теплоносителя (особенно в переходные периоды — в начале и конце отопительного периода). Коэффициенты использования геотермального тепла в таких системах отопления имеют низкие значения, что в конечном итоге приводит к их невысокой экономической эффективности.

Большая часть геотермального тепла  используется на отопление теплиц, являющихся крупными потребителями  тепла. Для энергообеспечения тепличных комбинатов требуется наличие термоводозаборов большой мощности с дебитом несколько тысяч кубических метров в сутки, создание которых отличается весьма большими капитальными вложениями. Опыт эксплуатации систем геотермального отопления теплиц также свидетельствует об их низкой экономической эффективности. В то же время тепличные комбинаты строят вблизи населённых пунктов, которые в свою очередь нуждаются в отоплении и горячем водоснабжении. Поэтому для улучшения экономических показателей и снижения срока окупаемости, вложенных средств, необходимо создавать комплексные системы теплоснабжения, где геотермальный теплоноситель сначала используется в системе отопления тепличного комбината, а затем в системе горячего водоснабжения зданий.

Рис. 1.10. Комплексная геотермальная  система теплоснабжения с пиковой  котельной:

1 — геотермальная скважина; 2 бак-аккумулятор термальной воды; 3 — насосная станция; 4 — тепличный комбинат; 5 насосная станция обратной закачки; 6 — нагнетательная скважина; 7 — сетевой теплообменник горячею водоснабжения; 8 — сетевые насосы; 9 — подпиточной насос; 10— водоразборный кран; 11 —бак-аккумулятор водопроводной воды; 12 — регулятор подпитки; 13 пиковая котельная; 14 — задвижка; 15 — регулирующая задвижка; 16 — регулятор

На рис. 1.10 и 1.11 представлены комплексные геотермальные системы  теплоснабжения с зависимым присоединением отоплениятеплиц и закрытыми  системами горячего водоснабжения зданий [41].

Наличие транзитного участка распределительных  двухтрубных сетей связано с  необходимостью расположения центрального геотермального теплового пункта на термоводозаборе, ввиду обратной закачки отработанного теплоносителя. Системы различаются лишь видом пикового источника теплоты.

На рис. 1.10 таким источником служит пиковая котельная, работающая на органическом топливе и расположенная в населённом пункте вблизи потребителя горячего водоснабжения. В схеме на рис. 1.11 эту функцию выполняет теплонасосная установка, расположенная на термоводозаборе.

Возможны и другие схемные решения  комплексных систем. Например, создание закрытой системы с однотрубной  сетью горячего водоснабжения при наличии вблизи термоводозабора источника питьевой воды.

При расчётной температуре  наружного воздуха  система с пиковой котельной работает следующим образом. Термальная вода температуройt_Tи расходомG'_T, равным расчётному дебиту термоводозабора, поступает через сборную ёмкость (предназначенную для гидравлической развязки между скважинами и системой теплоснабжения) непосредственно в систему отопления теплицы (расчётная тепловая мощность системы —Q').

Рис. 1.11. Комплексная геотермальная  система теплоснабжения с теплонасосной  установкой:

1 — геотермальная скважина; 2 — бак-аккумулятор термальной воды; 3 — насосная станция; 4 — тепличный комбинат; 5 — насосная станция обратной закачки; 6 — нагнетательная скважина; 7 — сетевой теплообменник горячего водоснабжения; 8 — сетевые насосы; 9 — подпиточной насос; 10 — водоразборный кран; 11 — бак-аккумулятор водопроводной воды; 12 — регулятор подпитки; 13 — теплонасосная установка; 14 — задвижка; 15 — регулирующая задвижка; 16 — регулятор

На выходе из системы  отоплениягеотермальный теплоноситель, охлаждённый до температуры t'₀, подаётся на сетевой водоподогреватель, где охлаждается дополнительно и с температурой поступает на сброс или обратнуюзакачку В сети горячего водоснабжения циркулирует теплоноситель, пригодный для питья. При температуре  t_води расходе G_Г.B, он нагревается в сетевом подогревателе до температуры и подаётся в здания на водоразбор. Подпитка по мере водоразбора осуществляется из водопровода.

Аналогичным образом  работает и система, изображённая на рис. 1.11, с той лишь разницей, что догрев геотермальной воды до необходимой температуры осуществляется в конденсаторах теплонасосной установки, утилизирующей тепло сбрасываемой геотермальной воды, проходящей через ее испарители.

Учитывая регулирование отопительной нагрузки тепличного комбината по температуре наружного воздуха, в годовом цикле работы комплексных систем можно выделить три режима эксплуатации в зависимости от коэффициента отпуска тепла на отопление теплиц φ:

• в летний период (φ=0) термоводозабор имеет постоянный дебит геотермальной воды, обеспечивающий тепловую нагрузку горячего водоснабжения;
• с наступлением отопительного периода до включения пикового догрева (φ<φ_в) дебит термоводозабора регулируется в зависимости от нагрузки отопления и полностью обеспечивает геотермальным теплом потребности отопления и горячего водоснабжения;
• при низких температурах наружного воздуха (φ_в<φ<1) дебит термоводозабора постоянен, равен расчётному и обеспечивает полностью потребность в отоплении теплиц, в то время как на нужды горячего водоснабжения тепла не хватает. Эта нехватка геотермального тепла компенсируется пиковым догревом. Регулирование производится изменением тепловой мощности пикового источника тепла.

Установленная тепловая мощность пикового источника тепла  _Попределяется по формуле

Гдес — удельнаятеплоёмкость геотермального теплоносителя, Дж/(кг·°С); G_Г.B— среднесуточный расход питьевой воды в системе

горячего водоснабжения, кг/с; — расчётная начальная температура водопроводной воды в системе горячего водоснабжения после пикового догрева с учётом остывания во время транспортировки допотребителя, °С; t_ргв= -δt' — расчётная температура водопроводной воды системы горячего водоснабжения после сетевого теплообменника,°С; — расчётная температура обратной воды системыотопления теплицы; δt'= 5÷10°С — разность температур теплоносителей на «горячем» конце противоточного теплообменника.

Значение коэффициента отпуска тепла φ_в, соответствующее включению (выключению) пикового догрева, следует вычислять по формуле

где ε — ориентировочный коэффициент эффективности теплообменного аппарата системы горячего водоснабжения в расчётном режиме;

t_вод — расчетная температура водопроводной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения; t_т — температура термальной воды.

Температура наружного  воздуха t_н.в, соответствующая φ_в, определяется

где t_B— температура внутреннего воздуха теплицы; — расчётнаядля отопления теплиц температура наружного воздуха.

График регулирования  тепловой мощности пикового источника  тепла следует строить, пользуясь  зависимостью

гдеQ_П— текущая тепловая мощность пикового источника теплоты,Вт; φ — текущий коэффициент отпуска тепла.

График общего расхода  геотермального теплоносителя в  режиме регулирования дебита термоводозабора  следует строить по неявной формуле

гдеG_T— текущий расход термальной воды, кг/с; К — коэффициенттеплопередачи в расчётном режиме, Вт/(м²·°С);F— площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата системы горячеговодоснабжения, м².

Подставляя в (1.44) значения текущего расхода G_T<G’_Tполучаем соответствующие значения φ<φ_в. Затем, отложив по оси абсцисс вычисленные значения φ, а по ординат — принятые значения G_T, получим искомый график. При этом расход теплоносителя в летнем режиме (при φ=0) определяется графически. ПроизведениеK·Fхарактеризует конструктивные особенности и размеры теплообменного аппарата. Его ориентировочное значение можно вычислить по формулам

 

или

График температуры  сбрасываемой геотермальной воды t_Сбр(φ), необходимый для определения количества теплоты, возвращаемой в водоносный пласт при обратной закачке, следует строить по следующим расчётным зависимостям:

для систем с пиковой котельной  в режиме расчётного дебита термоводозабора и работы пикового догрева (приφ_в<φ< 1)

для тех же систем в режиме регулирования дебита термоводозабора (при φ<(φ_в), а также для систем с теплонасосной установкой во всем диапазоне изменения φ(при 0 <φ< 1)

для любого пикового источника  тепла при выключенной системе  отопления теплиц (φ= 0)

Во всех случаях определения t_сбр текущий расход теплоносителя определяется по графику зависимости (1.44). По приведённым зависимостям и климатологическим данным могут быть построены годовые графики потребления тепла тепличным комбинатом, горячим водоснабжением и выработки тепла устройством пикового догрева. Это позволит определить, необходимое для технико-экономических расчётов, годовое количество высвобождаемого органического топлива и затраченной электроэнергии при использовании теплонасосной установки. Аналогичным образом подсчитывается количество теплоты, поступающей в водовмещающий пласт при эксплуатации термоводозабора с помощью обратной закачки.

Создание комплексных  систем за счёт интенсификации отбора геотермального тепла позволит существенно улучшить технико-экономические показатели термоводозаборов, получить дополнительный социальный эффект, сэкономить значительное количество органического топлива. Строительство комплексных систем геотермального теплоснабжения перспективно на большинстве месторождений термальных вод (Махачкала — Тернаирском, Кизлярском, Ханкальском,Мостовском). Например, в районе Тернаирекого месторождения эксплуатируется тепличный комбинат площадью 6 га, отапливаемый в настоящее время теплом от котельной на природном газе. В то же время скважины месторождения простаивают из-за отсутствия потребителя, а другие скважины эксплуатируются в прерывистом режиме для отопления пригородного микрорайона, что свидетельствует о низком уровне использования термальных вод. Строительство комплексной системы с отоплением тепличного комбината и тепло- и горячим водоснабжением жилого микрорайона позволит резко улучшить экономические показатели месторождения.