CC BY
36
© Э.И. Богуславский, Б.Б. Кулряшов, И.Б. Мовчан, 2003
УАК 658.264.26
Э.И. Богуславский, Б.Б. Кулряшов, И.Б. Мовчан
ОПРЕЛ ЕЛ ЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВАНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ СКВАЖИНАХ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Введение
Использование низкотемпературных источников геотермальной энергии - одно из генеральных направлений в решении проблемы теплоснабжения большей части регионов России в XXI веке. Это вызвано: отсутствием, в большинстве случаев, собственных традиционных энергоресурсов, большими затратами на их транспортировку из других регионов, определенными преимуществами геотермальных ресурсов, спецификой систем теплоснабжения в стране и мировым промышленным опытом.
Использование низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Успешно внедряется эта технология и в других странах мира: Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии и др.
Системы с теплообменом в скважинах и каналах (приповерхностные, малоглубинные) геотермальные установки используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.д.
Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника в виде С-образного става труб, расположенного в скважине малой глубины (рис. 1.) и присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом температуры пород на забое скважины могут быть в интервале от 7-9 оС до 12-14 оС. Эти системы используют не только геотермальную энергию, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную. Конкретная доля той или иной энергии, используемая источником, зависит от глубины расположения теплообменника, климатических и гидрогеологических условий района. Среди последних разработок упоминаются специальные системы типа “Геопакет” - сооружаются коаксиальные скважинные системы состоящие из двух колонн труб, расположенных одна в другой. Это обеспечивает уменьшение длины подземного контура и (или)
Рис. 1. Схема обустройства скважины в приповерхностных геотермальных установках теплоснабжения: 1 -
геотермальная скважина, 2 - и-образный став труб для нагревания теплоносителя; 3 - слой теплоизоляции на водоподъемной части става труб
улучшения условий теплообмена.
Капитальные затраты на строительство таких систем могут оказаться на 50-100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60% ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве.
Рассматриваемая в данной работе задача состоит в определении температуры циркулирующего по ставу труб теплоносителя на выходе скважины, если известен его расход, температура на входе, глубина скважины и интегральные параметры породного массива. Поскольку при консервировании этой системы продолжительность регенерации тепловых ресурсов превышает в несколько раз продолжительность человеческой жизни, то расчет регенерации выпадает из нашего рассмотрения.
Модель нестационарного распределения температуры теплоносителя по глубине скважины
При решении прямой задачи полагаем заданными: температуру теплоносителя на входе в скважинный коллектор ^х , расход теплоносителя W, время
функционирования системы т, диаметр или радиус трубопровода ^ ^ глубину скважины Н, плотность теплоносителя р и его теплоемкость с(Н). По отношению к вмещающему породному массиву исходными считаем следующие параметры: температуру пород Т(Н) на глубине Н, коэффициент теплопроводности пород массива Яп , их плотность рп , удельную теплоемкость Сп(Н), а также температуру нейтрально-
го слоя 1НС . Последний представлен слоем вековых колебаний температуры, средняя мощность которого принимаем от 5 до 10 м.
В общем случае [3, 4] сопряженной задачи нестационарного теплообмена циркулирующей жидкости с вмещающими породами основное уравнение, вытекающее из уравнений движения, неразрывности и закона сохранения энергии, имеет форму (1).
w (н,т)с (н)р (н) г =
‘2пр(Н)е, (Н)| '
V Л (Н ) т-1
дт
-дтА Я + (Н )
Яь (Н )
а н
(1)
где Чь Н ) - тепловыделение от потерь напора.
Согласно уравнению кондуктивного теплопере-носа в цилиндрической системе координат:
дТ (Я, Н ,т) = ф(Н ) д 2Т (Я, Н ,т) + 1 дТ (Я, Н ,т) ^
дт
дЯ2
Я
дЯ
(2)
В качестве начальных условий примем известным распределение температуры по глубине в начальный
момент времени Т = 0 : Т(Л, Н,т)= Т(Н). При
формулировке граничных условий зададим изменение во времени температуры теплоносителя на входе
циркуляционной скважины: г(н, т) = г1 (г), н = о. Кроме того, здесь считаем стационарным распределение температуры по глубине при удалении на бесконечность от циркуляционной скважины
Л ^ : Т(, н,т) = Т(н) , а изменение тем-
пературы по мере удаления от скважины пропорциональным разности температур на фиксированной глубине Н :
дЛ У ' г
= а(н,т)(т(н, н,г)- г(н,т% Л = Л (н) (3)
де Ло (н) - радиус сечения трубы в скважине,
Ос(И,т) - коэффициент теплопередачи от пород к
воде через став труб в скважине.
Применяя теорему о среднем и полагая плотность и теплоемкость лирующей по скважине жидкости не зависящими от глубины Н , уравнение теплового баланса упрощаем до вида:
Н^ре )с1 г = (4)
= 2пЛо К А Кт (Т Нн)- г НО) н + ^ а н
Как само уравнение (4), так и решения, приводимые ниже, получены для одной из веток С-образной трубы (с нисходящим или восходящим потоком) в скважине. На основании решения (4), принимая, что тепловыделения от
терь напора Ц ^ - величина пренебрежимо малая при расходе жидкости
Ж < 1000 м3/час, температурные зависимости пишем в форме:
• в случае нисходящего потока температура в стволе скважины на глубине Н :
<н = (5)
= і0 ехр(- ЕН) + (Т0 - О / Е)і - ехр(- ЕН)) + ОН
в случае восходящего потока температура на выходе из циркуляционной скважины (на глубине Н = 0 ):
і0 = їН ехр(- ЕН) +
+ ( + О / Е)(1 - ехр(- ЕН)) - ОН (6)
где 7"о и Тн - температура породного массива близ дневной поверхности и на глубине Н теплового котла. Температурный градиент О определяется:
Т - Т
\ 0С/м. (7)
О =
_ -*-Н
Н
Параметр Е определяет временную нестацио-нарность задачи:
„ ПКА Кт
Е =-------, (8)
WрвCв
где св - теплоемкость воды, Ка - коэффициент интенсификации теплообмена при фазовых переходах:
Ка = 1 + 0,093(7 / Сш )0 73 (- (Т){<))-“, (9)
С и I - теплоемкость и льдистость мерзлых пород, - их средняя температура. Согласно Ю.Д.
Дядькину [2], в отсутствие вечной мерзлоты
К А = 1 .
Параметр Кт, фигурирующий в (8), известен как коэффициент нестационарного теплообмена:
АП 2
ккал/(м2-град-час), (10)
кт =
Я0
где п - критерий Кирпичева, определяемый по но-
ИСХОАНЫЕ ЛАННЫЕ АЛЯ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
№ Параметр Ед.изм. Величина
1 Теплопроводность пород Вт/м*оС 3
2 Диаметр трубы м 0,05
3 Срок эксплуатации системы год 10
4 Время работы системы в году час 5000
5 Плотность пород кг/м3 2500
6 Удельн. теплоемкость пород Дж/кг*оС 1300
7 Дебит добычной скважины м3/час 0,5
8 Удельная теплоемкость воды Дж/кг*оС 4190
9 Удельная плотность воды кг/м3 995
10 Температура пород на глубине Н оС 12
11 Температура пород у поверхности оС 5
12 Глубина скважины м 320
13 Начальная температура теплоносителя оС 2
а)
Глубина скважины - Н, м
б)
Глубина скважины -Н, м
Рис. 2. Изменение температуры теплоносителя на выходе из трубы в зависимости от глубины скважины - Н и температуры пород на этой глубине - Т, при дебете: а) W=0,1 м3/час; б) W=0,5 м3/час.
Т=8 оС
Т=12 оС
Т=8 оС
Т=10 оС
12 оС
Т=14 оС
мограмме Щербаня и Кремнева и зависящий от критериев Био и Фурье. На их основе выведена (С.Г. Гендлер, Э.И. Богуславский) аппроксимационная зависимость Кт от параметров скважины и вмещающей геологической среды:
Кт = 2ХП /(с1 • 4+л/45;4Т102ТЯ“Т7т7ТР^^СПТ^г)))
(11)
где т - общее время эксплуатации циркуляционной скважины, т - среднее время ее работы в течение
одного года. Зависимости (5) и (6) упростим, предполагая нагрев теплоносителя по трубе в скважине с нисходящим потоком и устраняя из рассмотрения его охлаждение по трубе с восходящим потоком за
счет ее теплоизоляции, т.е. ?0 = гн = г , где г -
температура теплоносителя на выходе из С-образной трубы в скважине:
г = г0 • ехр(- Ен) + (Т0 - О / Е)(1 - ехр(- Ен)) + Он
. (12) 3. Расчеты температурных параметров приповерхностной геотермальной установки
Для оценки динамики температурного режима приповерхностных геотермальных установок был создан «Тепловой» блок в экономико-математической модели их функционирования. Принципы и структура этой модели соответствовали основным концепциям моделирования и оптимизации геотермальных установок [1].
Расчеты по изменению температуры теплоносителя на выходе из С-образной трубы в скважине вы-
полнены для исходных данных (табл.1), характерных в условиях Центральной России.
По созданному “Тепловому” блоку ЭММ были разработаны Алгоритм и Программа компьютерных расчетов. Их реализация (рис. 2) позволила установить закономерности изменения температуры теплоносителя на выходе из системы, в зависимости от глубины скважины, температуры пород на ее забое и расхода теплоносителя (дебита). При дебите 0,1 м3/ч, глубина скважин около 200 м, позволяет выдавать теплоноситель с температурой близкой к температуре пород на забое скважины.
Однако, если дебит повышается, например, до 0,5 м3/ч, то при такой глубине скважины температура на выходе составляет только немногим больше половины температуры пород на забое скважины.
Для экспертной оценки температуры на выходе в приповерхностной геотермальной установке при дебите 0,1 м3/ч может служить созданное эмпирическое выражение (13), а при дебите 0,5 м3/ч - (14).
^ = (0,243*1_п(Н) - 0,48)*Т +
+2,356*ехр(-4,7*10-3 *Н) (13)
^5 = (0,175*1_п(Н)-0,517)*Т +
+2,14*ехр(-4,43*10-4 *Н) (14)
Выводы
Созданный «Тепловой» блок имитационной экономико-математической модели «Приповерхностные геотермальные установки» позволяет оптимизировать параметры и показатели таких систем для различных природных условий и директивных требований покупателя. На базе результатов моделирования выдаются рекомендации в предпроектные документы, включая «Инвестиционные проекты».
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богуславский Э.И. Техникоэкономическая оценка освоения тепловых ресурсов недр. - Л., изд. ЛГУ, 1984.
2. Дядькин Ю.Д., Парийский Ю.М., Романов В.А. Методы теплового рас-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
чета искусственных циркуляционных систем, Л., 1974.
3. Кудряшов Б.Б. «Анализ, расчет и вопросы регулирования температурного режима бурящейся скважи-
ны», Записки ЛГИ, т. ЬУП, вып. 2, 1969
4. Кутателадзе С.С. «Основы теории теплообмена», - М., 1979.
Богуславский Э.И, Кудряшов Б.Б, Мовчан И.Б. — С.-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет).
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
БОГУСЛ
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB5_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ПО ОЦЕНКЕ ПАРАМЕТРОВ Неделя-2002
Богуславский Эмиль Иосифович
23.04.2003 11:29:00 14
06.05.2003 16:51:00 Гитис Л.Х.
49 мин.
08.11.2008 1:04:00
3
1 711 (прибл.)
9 759 (прибл.)
