ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Статья поступила в редакцию 21.02.13. Ред. рег. № 1557

The article has entered in publishing office 21.02.13. Ed. reg. No. 1557

УДК 662.997

ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ

ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ

Ю.П. Морозов

Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38044 206-28-09, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов 28.02.13 Заключение совета экспертов 04.03.13 Принято к публикации 05.03.13

Приведены данные о результатах работы систем геотермального теплоснабжения и проведенных экспериментах на геотермальных циркуляционных системах в Крыму.

Ключевые слова: геотермальная циркуляционная система, подземная неизотермическая фильтрация, геотермальное теплоснабжение.

RESEARCH AND OPERATION EXPERIENCE OF GEOTHERMAL

CIRCULATION SYSTEMS

Yu.P. Morozov

Institute of Renewable Energy of NASU, 20A Krasnogvardeyskaya St., Kiev, 20294, Ukraine Tel/fax +38044 206-28-09, e-mail: [email protected]

Referred 28.02.13 Expertise 04.03.13 Accepted 05.03.13

Presented data of the geothermal heating systems results and conducted experiments on geothermal circulation systems in the Crimea.

Keywords: geothermal circulation system, underground nonisothermal filtration, geothermal heat.

Юрий Петрович Морозов

Сведения об авторе: заведующий отделом геотермальной энергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины, кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Образование: высшее.

Область научных интересов: возобновляемая энергетика, геотермальная энергетика, использование тепла окружающей среды.

Публикации: 146 научных публикаций.

Первая в бывшем Советском Союзе геотермальная циркуляционная система (ГЦС) была создана в 1986 г. на территории с. Ильинка Сакского района в Крыму на основе двух разведывательных геотермальных скважин. Глубина нагнетательной скважины 1500 м, подъемной - 1700 м. Расстояние между скважинами - 350 м. На базе ГЦС была смонтирована система геотермального

теплоснабжения, которая включала систему трубопроводов, циркуляционный и нагнетательные

насосы, промежуточный теплообменник, в котором геотермальная вода нагревает сетевую воду. Движение геотермальной и сетевой воды образует два гидродинамически независимых контура.

В системе геотермального теплоснабжения использовался кожухотрубный теплообменник, в котором трубки были изготовлены из латуни. Теплообменник был смонтирован в котельной с. Ильинка.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Температура термальной воды составляет 65 °С, сетевой воды в зависимости от теплопотребления 6050 °С. Установленная тепловая мощность установки - 1 МВт. Потребители тепла - школа и здание сельсовета. ГЦС и система геотермального теплоснабжения эксплуатировались в течение четырех отопительных сезонов. Работа была остановлена из-за утечек термальной воды в запорной арматуре, которая была установлена на разведочных скважинах для разовых откачек при проведении геолого-разведывательных работ.

На основе эксплуатации ГЦС и системы геотермального теплоснабжения в с. Ильинка были разработаны технико-экономические обоснования кондиций термальных вод и впервые в ГКЗ России были защищены запасы геотермального теплоносителя Северо-Сивашского месторождения термальных вод при использовании технологии ГЦС и осуществлено бурение геотермальных скважин, расстояние между которыми обеспечивает расчетное время эксплуатации скважин в АР Крым при использовании технологии ГЦС.

В табл. 1 представлены сведения о пробуренных геотермальных скважинах в АР Крым, на основе которых можно создать системы геотермального теплоснабжения на базе ГЦС.

Таблица 1

Геотермальные циркуляционные системы в АР Крым

Table 1

Geothermal circulation systems in the Crimea

Самые систематические и продолжительные исследования и опытно-промышленные работы были проведены на геотермальном месторождении в с. Медведевка Джанкойского района.

Государственной геологической организацией «Крымгео» с 15.12.1993 г. по 16.04.1994 г. на территории с. Медведевка Джанкойского района АР Крым были проведены опытные промышленные исследования системы извлечения и использования глубинной теплоты Земли с обратной закачкой охлажденной термальной воды, т.е. геотермальной циркуляционной системы.

Расстояние между подъемной и нагнетательной скважинами (№ 41 и № 42) составляет 380 м. Подземный проницаемый пласт состоит из песчаника общей толщиной 171 м, эффективная толщина проницаемого пласта составляет 24 м, коэффициент водопроводимости 12 м2/сут, пористость равна 0,2, глубина скважины 1850 м.

Диаметр фильтра на забое скважин равен 108 мкм, толщина стенки 9 мкм. Диаметр насосно-компрессорной трубы (НКТ) скважины составляет 146 мкм, толщина стенки 9,5 мкм. Статическое давление в скважинах 5 бар, динамическое давление 2 бара [1].

Измерительное оборудование включает шесть ртутных термометров для замера температуры термальной воды. Цена деления термометра 0,5°. Дебит термальной воды определялся объемным методом. Давление измерялось образцовым манометром на 25 бар (рис. 1).

2

Рис. 1. Схема геотермальной циркуляционной системы в с. Медведевка Джанкойского района АР Крым: 1 - подъемная

скважина; 2 - вентили; 3 - циклон; 4 - теплообменник; 5 - фильтр; 6 - нагнетательный насос; 7 - нагнетательная скважина

Fig. 1. Scheme of geothermal circulation system in village Medvedevka, Dzhankoy region of the Crimea: 1 - lift well; 2 - valves; 3 - cyclone; 4 - heat exchanger; 5 - filter; 6 - forcepump; 7 - injection well

Работа ГЦС проводилась следующим образом. Термальная вода под действием пластового давления через насосно-компрессорную трубу подъемной скважины поступает на поверхность, где направляется в циклон (3) для очистки от твердых частиц, затем поступает в промежуточный теплообменник (4), в котором отдает теплоту сетевой воде, и затем с помощью нагнетательного насоса (6) закачивается в нагнетательную скважину (7) в подземный проницаемый пласт.

Результаты испытаний показали, что во время работы ГЦС изменялась температура термальной воды и давление закачиваемого охлажденного теплоносителя. Давление в процессе наблюдений

№ Населенные пункты Кол-во скважин Пластовая темп., °С Мощность., МВт

1 с. Ильинка 3 62-63 1

2 с. Сизовка 2 66 1,3

3 с. Трудовое 2 53-54 (на устье) 1,6

4 с. Зерновое 2 50 (на устье) 1

5 с. Ново-Алексеевка 2 60 1,9

6 с. Котельниково 2 69 1,6

7 с. Ровное 2 68 2,7

8 с. Янтарное 2 92 4,2

9 с. Пятихатки 2 56 1,2

10 с. Медведевка 2 74 1

11 с. Фрунзе 2 64 1,5

58

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

iSJftl

Ю.П. Морозов ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ

работы ГЦС изменялось от 1 до 4 бар, дебит от 130 охлажденной воды и при пластовой температуре,

до 515 м /сут.

кг/м ; G - расходы воды, кг/с;

и ✓ _ —' —■

—

0 6 12 20 28 29 30 36 43 59 63 68 71 78 80 Время, сут.

-Расход термальной воды G = 450 м3/сут—■— Расход термальной воды G = 170 м3/сут

Рис. 2. Зависимость изменения температуры термальной воды в подъемной скважине на территории с. Медведевка

Джанкойского р-на АР Крым Fig. 2. The dependence of thermal water temperature changes in lift well on the territory of village Medvedevka, Dzhankoy region of the Crimea

На рис. 2 показан график изменения температуры термальной воды в подъемной скважине в зависимости от времени ее работы. Из графиков видно, что температура термальной воды увеличивается во времени, что, очевидно, связано с прогревом окружающего скважину горного массива. С возрастанием дебита термальной воды температура термальной воды увеличивается. Следует заметить, что зависимость изменения температуры термальной воды от изменения дебита в рассматриваемом эксперименте не может служить показателем их прямой зависимости, т.к. значение дебита изменялось в процессе непрерывной работы скважины и тепловое действие при каждой из величин расходов термальной воды накладывалось одно на другое.

На рис. 3 показан график изменения давления нагнетания ГЦС во времени. Из графиков видно, что давление нагнетания каждого из значений расхода термальной воды возрастает во времени. Расчеты показывают [2, 3], что наилучшее совпадение с экспериментальными данными наблюдается, если учитывать изменение коэффициента вязкости воды от изменения ее температуры, например, по зависимости

AP =-

jUxG

-ln— +-

HmG

2лИКпрх гске 2лНКпрп

ln

(Rm - R)

R

(1)

где цх и Цпл - соответственно, коэффициент динамической вязкости охлажденной и пластовой воды, Па-с; Кп - коэффициент проницаемости пласта, м2; Н - толщина пласта, м; гскв - радиус скважины, м; Ят, Япл - соответственно, радиус продвижения температурного фронта и радиус продвижения воды; рх, Рпл - соответственно, плотность при температуре

R =

GPmT

лНт\ 1 +

C4(1 - m)

R._ =. fe (2)

жНт

где т - коэффициент пористости; т - время, с; С4 -объемная теплоемкость частиц пород скелета пласта, кДж/м3-К.

13

12

о. 11

ю 10

S X 9

8

7

Ч. 6

5

0 10 20 30 40 50

Время, сут.

—Расход термальной воды G = 515 м3/сут —■—Расход термальной воды G = 170 м3/сут

Рис. 3. Изменение давления при нагнетании охлажденной термальной воды в геотермальную циркуляционную систему в с. Медведевка Джанкойского р-на Ар Крым Fig. 3. The changes of pressure at injecting of cooled thermal water in geothermal circulation system in the village Medvedevka, Dzhankoy region of the Crimea

В 2002 г. на основе существующей ГЦС была сооружена и введена в опытную эксплуатацию экспериментальная геотермальная установка мощностью 750 кВт (ЭГУ-0,75) с использованием попутного газа метана для выработки электроэнергии. Схема ЭГУ-0,75 показана на рис. 4.

В состав ЭГУ-0,75 входят следующие основные части, узлы и элементы:

- скважина подъемная (1), предназначенная для вывода из подземного продуктивного горизонта термальной воды, содержащей растворенный природный газ (глубина - 1859 м, дебит воды -600 м3/сутки, газовый фактор - 1,040 м3/м3, температура на устье - 64 °С), статическое давление на устье - 0,05 МПа);

- узел подготовки термальной воды и природного газа к использованию, куда входят: сепаратор (2), гидроциклон и устройство очистки и осушки газа (3) (производительность по воде - 25 м3/ч, по газу -30 м3/ч);

- геотермальный теплообменник (4), предназначенный для подогрева сетевой воды системы теплоснабжения;

- насосы для возврата охлажденной термальной воды по трубопроводу через нагнетательную скважину в термоводоносный продуктивный горизонт (7) (расход 25 м3/ч, напор 1,2-1,5 МПа);

- трубопроводы для транспортировки охлажденной термальной воды к нагнетательной

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

I 55

скважине (протяженность - 400 м, диаметр -100 мм);

- газовый двигатель (5), соединенный с электрогенератором (8), предназначенный для производства электроэнергии, необходимой для обеспечения собственных нужд установки и электроснабжения внешних потребителей (N,=60 кВт);

- пиковый котел (13) для догрева сетевой воды в наиболее холодное время отопительного периода (0=100 кВт);

- соединительные трубопроводы с установленной на них запорной и регулирующей арматурой;

- скважина нагнетательная (12) для возврата охлажденной термальной воды в продуктивный водоносный горизонт (глубина - 1850 м, давление на устье - до 1,5 МПа, расход воды - 25 м3/ч);

- подача сетевой воды осуществляется в трубопроводы действующей системы централизованного теплоснабжения с. Медведевка;

- подключение электрооборудования,

обеспечивающее собственные нужды мини-электростанции, производится со щита управления электромеханического блока.

Выхлопные

Система геотермального теплоснабжения в с. Медведевка Джанкойского р-на АР Крым функционирует по настоящее время.

Выводы

1. Результаты приведенных экспериментальных работ двух систем геотермального теплоснабжения на базе геотермальных циркуляционных систем в Крыму показали устойчивую работу таких систем для теплоснабжения сельскохозяйственных теплопотребителей.

2. Расчетные параметры ГЦС хорошо совпадают с экспериментальными данными (отклонение до 10%) при расчетной схеме, которая учитывает изменение вязкости охлажденной термальной воды при изменении ее температуры.

3. Использование промежуточного кожухотрубного теплообменника с латунными трубками показало более надежную работу по сравнению с пластинчатыми теплообменниками из нержавеющей стали.

Список литературы

1. Талецкий С.Н. Региональная оценка перспектив территории работ объединения «Крымгеология» на термальные воды, 1989-91 гг.: Отчет / ТП «Крымгеология». Симферополь. 1992. С. 136.

2. Морозов Ю.П. Натурт експериментальт дослщження геотермально! циркуляцшно! системи // Вщновлювана енергетика. 2011. № 4. С. 49-52.

3. Морозов Ю.П. Влияние теплопритока горного массива на температурное поле движущейся в проницаемом пласте жидкости // Вщновлювана енергетика. 2007. № 2. С. 71-74.

'Термальная вода

Охлажденная термальная вода

Рис. 4. Принципиальная схема геотермальной электростанции, которая использует газосодержащие геотермальные воды в с. Медведевка: 1 - подъемная скважина; 2 - сепаратор; 3 - устройство очистки и осушки газа; 4 - геотермальный теплообменник; 5 - газопоршневой двигатель; 6 - сетевой насос; 7 - нагнетательный насос; 8 - электрогенератор; 9 - котел-утилизатор;

10 - теплообменник системы горячего водоснабжения (ГВС);

11 - циркуляционный насос; 12 - нагнетательная скважина;

13 - пиковый котел; 14 - потребитель теплоты Fig. 4. Schematic diagram of geothermal power plant, which

uses a gas-containing geothermal water in the village Medvedevka: 1 - lift well; 2 - separator; 3 - device of cleaning and drying gas; 4 - geothermal heat exchanger; 5 - gas engine; 6 - network pump; 7 - force pump; 8 - electric generator; 9 - utilizer boiler; 10 - heat exchanger of hot water supply (HWS); 11 - circulation pump; 12 - injection well; 13 - peak boiler; 14 - consumer of heat

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013