Технические науки/5.Энергетика

Азизов А.А., Джаватов Д.К.

Институт проблем геотермии ДНЦ РАН;

Махачкала, Россия; 367030, пр. И.Шамиля, 39а;e-mail: azizov_amir@mail.ru

Повышение эффективности использования геотермальной циркуляционной системы в зависимости от динамики изменения температуры закачиваемой воды.

Специфика развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны, обуславливающая стабильное удорожание традиционных топливных ресурсов, последние техногенные катастрофы остро ставят вопрос о необходимости совершенствования отраслевой структуры ТЭК. В сегодняшнем мире энергетика является одним из важнейших секторов экономики и от того, как решена задача энерговооруженности, зависит уровень развития страны.

Развитие энергетического комплекса, сохранение лидирующих позиций на рынках энергоносителей, рост энергоэффективности является одним из основных приоритетов нашей страны. Возобновляемая и альтернативная энергетика должна сыграть в этом свою роль.

Альтернативой сложившейся структуре используемых источников энергии могут служить возобновляемые источники энергии (ВИЭ). Сегодня главными аргументами для использования ВИЭ в развитых странах являются высокая цена традиционных источников энергии, энергетическая безопасность и, прежде всего, проблемы охраны окружающей среды.

Важность использования ВИЭ в Российской Федерации обусловлена не только необходимостью диверсификации доступных источников топлива, но и стоящими перед страной задачами в области охраны окружающей среды. Развитие производства электроэнергии и тепла на основе децентрализованных возобновляемых источников энергии уменьшит нагрузку на окружающую среду, создаваемую централизованным производством электроэнергии на базе ископаемого топлива.

Одна из значимых составляющих государственной политики в сфере использования возобновляемых источников энергии на период до 2030 года - обеспечение доступности информации о формировании и реализации мероприятий по развитию возобновляемой энергетики.

Современная энергетика в основном базируется на невозобновляемых, традиционных источниках энергии. В мировом энергетическом балансе около 80% занимают ископаемые топлива (уголь, нефть, природный газ) [1]. Такое производство и потребление энергии является одним из факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду.

Одним из ВИЭ является – геотермальная энергия. Перспективы использования и высокая эффективность термальных вод (ТВ) в качестве энергетических ресурсов не вызывают сомнения. Малые эксплуатационные затраты, высокая экономическая эффективность, преимущество комплексной эксплуатации и огромные запасы ТВ с одной стороны, и все возрастающие трудности добычи традиционных топливных ресурсов, обусловленные ростом глубин залегания продуктивных пластов и перемещением их производства в труднодоступные районы, с другой стороны, создали объективные условия для развития геотермального производства. Использование ТВ преимущественно ориентируется на такие отрасли народного хозяйства, как энергетика, коммунально-бытовые нужды и сельское хозяйство.

На территории России разведено 66 геотермальных месторождений, пробурено свыше 4000 скважин для использования геотермальных ресурсов. Наиболее значительные ресурсы высокого и среднего потенциала имеются в Северо-Кавказском, Западно-Сибирском и Дальневосточном регионах.

В практических вопросах использования геотермального тепла большое значение имеет температура добываемой термальной воды, т.к. от значения этого параметра геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) зависит как вид потребителя геотермального тепла, так и эффективность его использования. Поэтому при исследовании эксплуатации ГЦС в течении достаточно длительного периода времени, очень важно знать зависимость температуры добываемой ТВ от значения дебита ГЦС (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема ГЦС

За счет тепла, поступающего из пород окружающих нагнетательную скважину, при закачке отработанная ТВ будет постепенно нагреваться. Тогда динамику изменения температуры закачиваемой ТВ на глубине Н скважины от температуры закачиваемой ТВ на устье, при различных режимах работы геотермальной скважины можно описать уравнением, получаемым на основе уравнения теплопередачи [2]:

, (1)

где Т_З – температура закачиваемой ТВ на глубине (Н) скважины, a_П – коэффициент, учитывающий теплоотдачу пород, Т₀ – температура пород на глубине нейтрального слоя, H – глубина скважины, Г – геотермический градиент температуры, Т_ЗУ – температура закачиваемой ТВ на устье скважины, t – время, q – объемный дебит скважины.

Изменение температуры добываемой ТВ со временем дается формулой [1]:

, (2)

где T_ПЛ – температура пластовой воды, V_К – объем подземного котла.

Полученная система уравнений (1) и (2) описывает тепловой режим ГЦС.

Таким образом, решив эти уравнения, получаем:

, (3)

, (4)

Полученная система уравнений (3) и (4) описывает тепловой режим эксплуатации ГЦС. На практике, при эксплуатации геотермальных скважин при достаточно высоких дебитах (3000 – 6000 м³/сут) и глубинах (1500 – 2000 м), разность температуры добываемого теплоносителя на устье и на забое скважины (Т_у – Т) незначительна (1-3 ^оС) и ряд авторов при оценке энергетического потенциала скважин этой величиной пренебрегают [3, 4], считая Т_у=Т. Так же будем пренебрегать тепловыми потерями при транспортировке теплоносителя, предположив что потребитель тепла расположен близко к скважине.

Используя полученные уравнения, сделаем расчеты для гипотетического месторождения, при разных значениях дебита (q), со следующими параметрами: V_К=3*10⁷ м³, T_ПЛ=111 ^оС, Т_ЗУ=40 ^оС, H=2500 м, Г=0,03 ^оС/м, Т₀=10 ^оС.

Как видно из таблицы 1, с увеличением дебита (q), т.е. с увеличением интенсивности разработки месторождения, увеличивается скорость остывания добываемой ТВ, а скорость прогревания закачиваемой обратно в пласт ТВ уменьшается. Следовательно, изменяя интенсивность разработки геотермального месторождения, можно регулировать время эксплуатации данного месторождения. Поэтому нужно учитывать изменение температурного потенциала ТВ в зависимости от интенсивности добычи.

Данные расчеты проводились с учетом того, что температура закачиваемой ТВ на устье была постоянна (Т_ЗУ=const), следовательно количество отбираемого тепла (Q_П) не постоянно и со временем уменьшается, т.к. с каждым годом температурный потенциал добываемой ТВ становится меньше. Теперь рассмотрим случай, когда количество тепла необходимое потребителю известно и постоянно, т.е. Q_П=const. Если количество тепла Q_П, в единицу времени считать постоянными, то имеем:

Таблица 1. Динамика изменения температуры закачиваемой и добываемой ТВ при различных значениях q.

t, год	q1=1500 м³/сут		q2=3000 м³/сут		q3=4500 м³/сут		q4=6000 м³/сут
	Тз, °К	Т, °К	Тз, °К	Т, °К	Тз, °К	Т, °К	Тз, °К	Т, °К
1	313,81	382,73	313,41	381,47	313,27	380,23	313,21	379,02
2	314,61	381,51	313,81	379,06	313,54	376,69	313,41	374,41
3	315,40	380,35	314,22	376,76	313,81	373,37	313,61	370,16
4	316,17	379,22	314,61	374,57	314,08	370,25	313,81	366,23
5	316,93	378,15	315,01	372,49	314,35	367,32	314,02	362,60
6	317,67	377,12	315,40	370,51	314,61	364,57	314,22	359,25
7	318,40	376,13	315,79	368,62	314,88	361,99	314,42	356,16
8	319,12	375,19	316,17	366,82	315,14	359,58	314,61	353,31
9	319,82	374,28	316,55	365,11	315,40	357,31	314,81	350,68
10	320,51	373,41	316,93	363,49	315,66	355,19	315,01	348,26
11	321,19	372,58	317,30	361,94	315,91	353,20	315,20	346,02
12	321,86	371,78	317,67	360,47	316,17	351,33	315,40	343,97
13	322,51	371,01	318,04	359,08	316,42	349,59	315,59	342,08
14	323,15	370,28	318,40	357,75	316,68	347,96	315,79	340,33
15	323,78	369,58	318,76	356,49	316,93	346,43	315,98	338,73
16	324,40	368,91	319,12	355,30	317,18	345,01	316,17	337,26
17	325,01	368,27	319,47	354,17	317,42	343,67	316,36	335,92
18	325,61	367,65	319,82	353,09	317,67	342,43	316,55	334,68
19	326,19	367,06	320,17	352,07	317,92	341,27	316,74	333,54
20	326,77	366,50	320,51	351,11	318,16	340,19	316,93	332,50
21	327,34	365,96	320,85	350,19	318,40	339,18	317,11	331,55
22	327,89	365,45	321,19	349,33	318,64	338,24	317,30	330,69
23	328,44	364,95	321,53	348,51	318,88	337,37	317,49	329,90
24	328,97	364,48	321,86	347,74	319,12	336,55	317,67	329,17
25	329,50	364,03	322,19	347,01	319,35	335,80	317,85	328,52
26	330,01	363,60	322,51	346,32	319,59	335,10	318,04	327,92
27	330,52	363,19	322,83	345,66	319,82	334,46	318,22	327,38
28	331,02	362,80	323,15	345,05	320,05	333,86	318,40	326,90
29	331,50	362,43	323,47	344,47	320,28	333,31	318,58	326,46
30	331,98	362,07	323,78	343,93	320,51	332,80	318,76	326,06

, (5)

где С, ρ и q – плотность, теплоёмкость термальной воды и дебит скважины, Т(t) – температура термальной воды поступающая к потребителю, T_ЗУ(t) – температура термальной воды, поступающей в закачиваемую скважину от потребителя.

Используя уравнение (5) и зная Q_П можно определить T_ЗУ(t), таким образом:

, (6)

Подставив уравнение (6) в (3) и решив систему уравнений (3) и (4) мы можем определить изменение температуры теплоносителя при Q_П=const.

На практике часто возникает необходимость определения оптимального объема тепла, потребляемого потребителем (Q_П) в течении достаточно длительного периода времени (например в течении 30 лет). Используя описанную выше модель решим задачу в которой требуется определить для заданного дебита (q), какой должна быть потребность в тепле потребителя (Q_П), с учетом того что система функционирует примерно 30 лет. Для решения этой задачи зададим следующее условие: температура закачиваемого теплоносителя на устье скважины (T_ЗУ) спустя 30 лет не должна быть ниже задаваемого значения, например 30 °С. Зная T_ЗУ(t=30 лет) мы можем определить значение температуры ТВ поступающей к потребителю T(t=30 лет) воспользовавшись формулами (3) и (4). После чего, определив T(t=30 лет) и зная T_ЗУ(t=30 лет) мы можем определить оптимальное количество потребляемого тепла Q_П использовав формулу (5). Сделаем расчеты для гипотетического месторождения, при разных значениях дебита (q) со следующими параметрами: V_К=3*10⁷ м³, T_ПЛ=111 ^оС, H=2500 м, Г=0,03 ^оС/м, Т₀ =10 ^оС, С=4,19 кДж/кг. В результате были получены следующие данные:

Для q₁=1500 м³/сут – Q_П=1,23·10¹⁴ Дж/год

Для q₂=3000 м³/сут – Q_П=1,56·10¹⁴ Дж/год

Для q₃=4500 м³/сут – Q_П=1,51·10¹⁴ Дж/год

Для q₄=6000 м³/сут – Q_П=1,34·10¹⁴ Дж/год

Как мы видим, при увеличении дебита (q) количество потребляемого тепла (Q_П) сначала возрастает, а потом идет на убыль. Таким образом существует наиболее оптимальный дебит, при котором количество потребляемого тепла (Q_П) максимально.

Для определения дебита (q), при котором потребности потребителя (Q_П) будут максимальными необходимо получить аналитическое выражение Q_П(q). Для этого необходимо в уравнение (5) подставить (3) и (4). В результате получаем:

, (7)

Вычислив производную по дебиту и прировняв её к нулю, получим следующее уравнение:

, (8)

Решив полученное уравнение можно определить искомое значение дебита (q), максимизирующее Q_П.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что при определении параметров ГЦС обязательно необходимо учитывать динамику изменения температурного потенциала ТВ, в зависимости от интенсивности добычи. В свою очередь интенсивность добычи зависит от многих параметров: диаметр скважины, перепад давления между давлениями на границе контура питания и на стенке скважины, объем подземного котла. Поэтому в процессе оптимизации параметров ГЦС, необходимо учитывать зависимость от приведенных выше параметров.

Литература:

1. Джаватов Д.К. Математическое моделирование геотермальных систем и проблемы повышения их эффективности. – Махачкала: Ин-т проблем геотермии ДНЦ РАН, 2007. – 248 с.

2. Кумсков В.Т., Маханько М.Г. Основы теплотехники. – М.:1962, 232

3. Богуславский Э.И. Технико-экономическая оценка освоения тепловых ресурсов недр. Л.: Изд-во ЛГИ, 1984, 125 с.

4. Оценка тепловых потерь в гидротермальной скважине // А.И. Нинаналов, Г.А. Матаев, Д.Д. Латко, Г.М. Гайдаров // Разведка и охрана недр. 1966. №2. С. 49-51.