Оптимизация с-х энергетических установок - Геотермальная энергия

Глава 7 ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
Обозначения:
а — температуропроводность;
Ь — характерная мощность геотермального пласта;
В, С, D — константы эмпирические;
с — удельная теплоемкость;
f — поперечное сечение скважины;
F — поверхность частиц породы в единице объема;
g — ускорение свободного падения;
G — расход теплоносителя;
h — удельная энтальпия; характеристика глубины скважины;
k — показатель адиабаты; проницаемость пласта;
К — абсолютная шероховатость труб; эмпирический коэффициент;
I — длина; работа;
L — расстояние между источником и стоком;
М — массовый расход;
г — радиус;
R — газовая постоянная;
s — комплексная переменная;
S — шаг между трубами грунтового теплообменника;
t, Т — температура;
ν, и, w — составляющие скорости;
Q — расход источника;
иг — скорость продвижения температурного фронта;
х, у, ζ — компоненты декартовых координат;
а — коэффициент теплоотдачи;
«т — коэффициент нестационарной теплоотдачи;
β — коэффициент изменения параметра;
ξ, ζ, χ — переменные уравнения движения;
ζ — коэффициент местных сопротивлений; θ — безразмерная температура;
λ — теплопроводность;
λτρ — коэффициент гидравлических потерь на трение;
р — плотность;
τ — время;
φ — безразмерная эмпирическая величина.
Индексы·.
ж — жидкости;
м — массива;
н — начальная;
пл — пласта;
разраб — разработки;
скв — скважины;
скелета породы;
тр — трения; трубы;
у.т — удельного теплосъема;
Ф — фильтрации;
температурного фронта;
ч — частицы; частное;
эф — эффективный;
эксп — эксплуатационный.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Среди возобновляемых источников энергии перспективны для практического использования источники геотермальной энергии. В нашей стране запасы этой энергии велики. Лишь запасы геотермальных вод и паровыделительных смесей оценивались на территории бывшего Союза в 25 млн. ма/сутки (геотермальные воды) и 500 тыс. ма/сутки (пар). На территории России они сосредоточены в Западной Сибири, Восточной Сибири, на Дальнем Востоке и Северном Кавказе.
В настоящее время на территории России и Украины используются 50 источников термальных вод, эксплуатируются более 50 скважин. При этом баланс использования (потребления) геотермальной энергии, %, в различных отраслях народного хозяйства характеризуется такими данными:
Теплично-парниковое хозяйство          41
Жилищно-коммунальный сектор         2 5
Промышленность        19
Бальнеология                 8
Электроэнергетика        7
Всю природную теплоту, которая размещается в твердой, жидкой или газообразной составляющих земной коры, можно рассматривать как геотермальные ресурсы двух видов: гидротермальные (пар, вода, газ); петротермальные (нагретые породы Земли).
Эта энергия добывается при помощи геотермальных систем, которые включают: природные теплообменники рабочего горизонта в Земле; скважины, при помощи которых соединяют рабочий горизонт с поверхностью Земли; движущийся теплоноситель; специальное оборудование и технический комплекс геотермальной энергии.
Геотермальная система теплоснабжения характеризуется следующими особенностями:
большими запасами во многих районах даровой тепловой энергии;
полной автоматизацией, безопасностью добычи геотермальной энергии — геотехнологический способ разработки с использованием глубоких скважин и тепломассопереноса водой не требует ведения опасных традиционных подземных или открытых горных работ, обеспечивает управляемость процессов, возможность компьютерного контроля и отсутствие горнодобывающих рабочих;
экономической конкурентоспособностью — добыча и использование теплоты недр, по данным действующих зарубежных и отечественных предприятий, проектов, технико-экономических обоснований и прогнозных расчетов, экономически целесообразны и не требуют государственных дотаций;
выигрышностью маломощных систем геотермального теплоснабжения (СГТ) — технико-экономические показатели СГТ с теплопроизводительностью 5... 10 ГДж/ч сопоставимы с альтернативными топливными котельными, что позволяет обеспечить центральным отоплением и горячим водоснабжением сельские районы страны;
экологической чистотой — циркуляционная технология добычи теплоты недр обеспечивает замкнутый цикл оборота геотермального теплоносителя и не допускает никаких сбросов или выбросов в окружающую среду.
Существенные преимущества геотермального источника энергии, несомненно, создадут условия широкого его освоения. Однако общий вклад геотермальной сырьевой базы в мировой топливно-энергетический баланс пока не превышает 1 %. Перспективы широкого освоения тепловой энергии недр в России опираются на высокий уровень ее ресурсообеспеченности. При прогнозируемой годовой потребности городского 608 млн. и сельского 101 млн. т у.т. теплоснабжения (прогнозирована по регионам с учетом данных ВНИПИ Энергопрома) ресурсная база геотермального источника энергии превышает 40 трлн т у.т. для нужд горячего водоснабжения и 15 трлн т у.т. — для теплоснабжения.
В мире эксплуатируется более 40 геотермальных электростанций суммарной мощностью свыше 8-10β кВт. Основные технические данные по ряду ГеоТЭС приведены в табл. 7.1.
Сведения об основных действующих системах и установках геотермального теплоснабжения приведены в табл. 7.2, более конкретные данные по России — в табл. 7.3.
В 1965 г. С.С. Кутателадзе и А.М. Розенфельд получили патент на получение электроэнергии из горячей (геотермальной) воды, а в 1967 г. на Камчатке была сооружена первая в мире геоэлектростанция с бинарным циклом — Паратунская ГеоТЭС мощностью 600 кВт [45].
В настоящее время наряду с пуском в эксплуатацию Верхне- Мутновской ГеоТЭС электрической мощностью 12 МВт ведется строительство первой очереди Мутновской ГеоТЭС электрической мощностью 50 МВт. Кроме того, предполагается строительство второй очереди Мутновской ГеоТЭС мощностью 50...60 МВт [46].
Для получения теплоты используются подземные циркуляционные системы. Они состоят из нагнетательных скважин, теплообменника-породы (коллектора) и эксплуатационной, или подъёмной, скважины (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Схема геотермальной системы с плоскорадиальным течением теплоносителя:
1 — нагнетательная скважина; 2 — подъемная скважина; 3 — подземный коллектор

Таблица 7.1. Геотермальные электростанции мира

Окончание табл. 7.1

Таблица 7.2. Использование геотермальной энергии

Реальные подземные проницаемые слои являются сложными, неупорядоченными и неоднородными структурами. Для возможности анализа и составления расчетных методов рассматривают две модели структуры подземной части геотермальной системы [1-5].
В качестве модели гранулярного подземного коллектора принимают слой мощности 2/г с регулярной укладкой сферических частиц одного размера dr (рис. 7.2, а), расположенный между полубесконечными непроницаемыми массивами.
В качестве модели трещинного коллектора принимают слой постоянной мощности 2/г, состоящий из твёрдых прослоек толщиной 21 и параллельных вертикальных щелевых каналов раскрытием 2S. Сверху и снизу к слою примыкают непроницаемые массивы горных пород (рис. 7.2, б).