СКВАЖИННАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ПОДЗЕМНЫМ ТЕПЛОГИДРОАККУМУЛИРОВАНИЕМ
BOREHOLE HEAT SUPPLY SYSTEM WITH UNDERGROUND HEAT-HYDRO-ACCUMULATION

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для получения тепла, образующегося иначе, чем в результате сжигания топлива. Оно может быть использовано для производства тепловой энергии и организации теплоснабжения потребителей в местностях, в которых имеются необходимые условия для работы заявляемой скважинной системы теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием, далее - ССТ ПТ-Г-А, в том числе для децентрализованного теплоснабжения автономных, удаленных от централизованных инженерных коммуникаций потребителей. ССТ ПТ-Г-А позволяет снабжать вырабатываемой с использованием ее тепловой энергии в горячей воде без подвода для этого энергии из вне. Она может работать с использованием низкотемпературных поверхностных или подземных вод, как правило, расположенных в верхних интервалах земных недр, либо при их сочетании.
Кроме того, заявляемая ССТ ПТ-Г-А может быть использована для создания запасов тепла и подземного аккумулирования тепловой энергии в теплое время года, преимущественно в летние периоды паводков и ее хранения, для последующего использования в холодное время года (отопительный период) на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, то есть она может быть использована для энергообеспечения и в первую очередь удаленных районов. Использование ее позволит снизить затраты на осуществление «северного завоза». Ее применение также позволит освободиться от недостатка, характерного для теплоистоников со сжиганием топлива, снизить вредные выбросы (от сжигания) и этим улучшить экологические условия в расположении теплоисточника. Заявляемая ССТ ПТ-Г-А может расширить номенклатуру нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Известно, что отпуск теплоты в системы централизованного коммунального теплоснабжения в России составляет 1/3 всего теплопотребления (Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. и др. Теплотехника. Учебник для вузов. Под ред. А.П.Баскакова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.192, [1]), то есть системы централизованного теплоснабжения являются распространенными. Такая система (там же, [1], стр.192-198) включает источник теплоты; иногда ее теплоаккумулятор; теплопотребителей с соответствующими магистральными, поквартальными и индивидуальными сетями, которыми теплопотребители соединены с источником теплоты. Иногда централизованная система теплоснабжения может включать автономные (местные) пиковые источники теплоты.
Недостаток известной системы теплоснабжения заключается в том, что источником теплоты в ней является источник, предусматривающий для выработки тепловой энергии сжигание топлива, чаще это котельные и ТЭЦ. Этот недостаток объясняется истощаемостью и дороговизной, применяемого топлива, ухудшением экологической обстановки в результате его сжигания. Другим недостатком традиционной системы теплоснабжения является ее высокая затратность, связанная с расходами на создание и с эксплуатацией тепловых сетей, неудовлетворительное состояние которых дополнительно приводит к тепловым потерям, суммарная доля которых в системах теплоснабжения составляет 23,5% (Башмаков И.А. «Русские горки» неэффективности. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.14, [2]).
Развитие топливно-энергетического комплекса России и мира предусматривает необходимость сокращения потребления органического топлива (нефть, нефтепродукты, газ, уголь) в качестве котельно-печного топлива. Одновременно предусматривается увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляемых источников энергии, в том числе гидравлической и геотермальной.
Очевидно приемущество использования для целей теплоснабжения глубинного тепла Земли (Гаджиев А.Г. и др. Геотермальное теплоснабжение. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., [3]). При этом строят тепловодоснабжающую скважину, обустраивают ее, организуют извлечение тепловой энергии в горячей воде (реже в паре), транспортируют тепло к потребителю, используют его для теплоснабжения, утилизируют «отработавший» теплоноситель и сбрасывают. Для использования тепла геотермальных скважин предложены интересные решения, например, по (Алхасов А.Б. Патент РФ на изобретение №2105351 С1. Способ одновременно-раздельной эксплуатации двух термоводоносных пластов. Бюл. №5, 1998 г., [4]). Техническое решение позволяет организовать геотермальное теплоснабжение с использованием двух глубинных горячеводных зон.
Трудности вовлечения в топливно-экономический баланс страны глубинного тепла Земли с использованием указанных аналогов заключаются в ряде причин, в том числе следующих: неравномерностью распределения геотермальных, экономически доступных горячих подземных вод по территории страны, напрмер, их доля по Восточной Сибири и Дальнему Востоку составляет всего 17% (Гаджиев А.Г. и др. Геотермальное теплоснабжение. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., [3]); высокая затратность, включающая геологоразведку, строительство, обустройство, организацию контроля и очистки работ по организации добычи, эксплуатации, утилизации и сбросу. На высокой затратности сказывается и то, что располагаются термальные воды на большой глубине, как правило, глубже 2000 м.
Известно, что ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидрологические и петрогеотермальные (Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будующей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.27, [5]). Первые из них представлены теплоносителями - подземными водами, паром, пароводяными смесями и составляют всего 1% от общих ресурсов геотермальной энергии. Вторые представляют собой геотермальную энергию, содержащуюся в раскаленных горных породах.
Фонтанная технология (самоизлив подземных теплоисточников) редка не только из-за ее нераспространенности, но и дорогостоящая ввиду глубинного залегания геотермальных вод, а также ввиду необходимости организации дополнительных процессов, связанных с обеспечением ее циркуляции (с очисткой) в системе теплоснабжения.
Для энергетики перспективно использование геотермальной энергии, заключенной в твердых, горячих породах и составляющих 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии (Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будущей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.29-30, [5]).
Известна схема геотермальной циркуляционный системы с искусственным коллектором - серией вертикальных, образованных гидроразрывом пласта (Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будущей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.30, [5]), включающая нагнетательную скважину, добычную скважину, трещиноватый в результате гидроразрыва высокотемпературный породный массив - геотермальный коллектор, установленные на поверхности теплопотребительские устройства: циркуляционный насос, промежуточный теплообменник, теплообменные аппараты потребителя. Теплопотребительские устройства соединены с нагнетательной и добычной скважинами. Как показывает мировой опыт (Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будущей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.31, [5]) она эффективна: производство теплоносителей в таких установках в 2-5 раз выгоднее полученных в тепловых и атомных энергоустановках; окупаемость инвестиций составляет 4-5 лет; она может эксплуатироваться в течение не менее чем 25 лет.
Однако срок окупаемости (как показатель экономической эффективности) установки обеспечивается при определенном (не ниже порогового уровня) потреблении вырабатываемого тепла. Высокую стоимость установки составляют необходимые при этом буровые скважины, имеющие глубины бурения 4-6 км. Их стоимость в основных фондах установки составляет 70-90% (Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будущей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.30, 32, [5]). Поэтому, имея в виду удаленные, изолированные, часто с небольшим теплопотреблением поселки, для обеспечения экономической привлекательности представляют интерес и другие технические решения установок аналогичного назначения, но с существенно меньшими глубинами технологических теплогенерирующих скважин (и менее затратные).
Известен скважинный теплоисточник (Решение от 06.12.2007 г.о выдаче патента на изобретение «Скважинный теплоисточник» по заявке №2006132584/03(035452), поданной 11.09.2006 г. М. кл. F24D 3/08, [6]), содержащий тепловодоснабжающую скважину, соединенную с источником воды, зону стока и тепловодопотребителя, тепловодоснабжающая скважина пробурена таким образом, что ее забоем пересечена штольня, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена тепловодоснабжающая скважина или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а за зону стока принято пересечение тепловодоснабжающей скважины с нижерасположенной штольней, соединенный со скважиной вихревой теплогенератор, установленный под ее динамический уровень. Напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотребитель посредством тепловодопровода подключен в зоне стока тепловодоснабжающей скважины к выходу вихревого теплогенератора. Вихревой теплогенератор расположен в штольне и соединен со скважиной в ее пересечении со штольней, снабжен насосной установкой с обвязкой. Тепловодопроводом является дополнительная скважина, пробуренная из штольни до пересечения ее с дневной поверхностью либо с подземным теплоаккумулятором, к которому с поверхности пробурена и освоена скважина горячего водоснабжения.
Для реализации теплоисточника не требуется бурение глубокой (4-6 км глубины) скважины. Глубина скважины при этом может составлять, как правило, 300-1000 м. В скважине устанавливается вихревой теплогенератор под динамический уровень воды (от поверхностного или(и) подземного ее источника), необходимый для работы вихревого теплогенератора. Нагретая после вихревого теплогенератора вода направляется по скважине в подземный теплогидроаккумулятор, расположенный, как правило, на глубине в диапазоне 300-1000 м. Затраты на сооружение такого подземного геотермального теплоаккумулирующего источника теплоты на много ниже в сравнении с геотермальной циркуляционной системой с искусственным коллектором (рассмотрен выше), предусматривающей бурение скважин и формирование коллектора на глубине 4-6 км.
Недостаток известного скважинного теплоисточника заключается в том, что вихревой теплогенератор в нем установлен в специально сооруженной горной выработке-штольне, которая имеет пересечение с буровой (гидроэнергетической) скважиной. Сооружение дополнительной горной выработки для осуществления скважинного теплоисточника усложняет его конструкцию, увеличивает стоимость работ по его реализации.
Известна тепловодоснабжающая скважина (Елисеев А.Д. Патент РФ на изобретение №2291255 С2. Тепловодоснабжающая скважина. М. кл. Е03В 3/00; F24H 4/02. Опубл. 10.01.2007 г., Бюл. №1, 2007 г., [7]), работающая с использованием низкотемпературных поверхностных или подземных вод, расположенных в верхних интервалах земных недр, либо при их сочетании, и является экономически доступной для получения горячей воды и пара, и принятая в качестве прототипа. Она содержит источник воды, зону стока и тепловодопотребитель. В горной местности со склоном горы тепловодоснабжающая скважина пробурена направленной или наклонной и таким образом, что ее забоем пересечен склон горы и он сопряжен с дневной поверхностью, при этом тепловодоснабжающая скважина служит водоводом, за источник воды приняты поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина или подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами, а за зону стока принято пересечение скважины со склоном горы - дневной поверхностью либо пересечение скважины с нижерасположенной штольней, при этом в скважине установлен вихревой теплогенератор дискового типа под ее динамический уровень, напор воды достаточен для выработки тепловой энергии, а тепловодопотебитель подключен в зоне стока скважины через ее обвязку.
Недостаток тепловодоснабжающей скважины, принятой за прототип, заключатся в ограниченных только горными, а также наличием ниже расположенных штолен условиями ее применения. Она не позволяет вырабатывать и использовать тепло в других распространенных условиях, в том числе в условиях равнинной местности. Кроме того, она не позволяет аккумулировать и длительно хранить тепло, например, при его летнем производстве, в частности в паводковые периоды, и зимнем потреблении в отопительный период. К недостатку традиционной схемы теплопотребителя (территориально рассредоточенной по площади) следует отнести высокую затратность ее тепловых сетей. Они (тепловые сети) могут составлять десятки и сотни километров трубопроводов, зачастую уложенных подземно. Капитальные затраты на сооружение и периодическую замену трубопроводов тепловых сетей составляют значительную величину. Кроме того, расположение тепловых сетей на поверхности в условиях резкоконтинентального климата часто приводит к авариям в зимнее время - их перемерзаниям, последствиями которых являются дополнительные затраты на их ремонт и возникновение социальных напряжений, вызванных нарушениями или отсутствием теплообеспечения. К недостатку традиционного размещения тепловых сетей следует отнести то, что разветвленные тепловые сети с присоединенными теплопотребителями представляют собой систему сложную для осуществления их регулировок, а сами тепловые сети (ввиду зачастую их неудовлетворительного состояния) причиной существенных тепловых потерь.
Задачей заявляемой скважинной системы теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием, далее - ССТ ПТ-Г-А, является расширение условий ее применения (выработки тепловой энергии как в условиях горной, так и в условиях равнинной местности), расширение ее функциональных возможностей - придание ей возможности аккумулировать и хранить выработанную ею тепловую энергию, а также осуществление замкнутого цикла теплоснабжения с минимизацией затрат на создание тепловых сетей теплопотребителя и тепловых потерь в них.
*
*
Для достижения указанного технического результата в принятом прототипе, содержащем источник воды, соединенный с питательной емкостью, сообщающийся с ней водовод, нижний конец которого соединен с зоной стока, установленную в водоводе гидротурбину, кинематически соединенную с расположенным ниже вихревым теплогенератором дискового типа, корпуса которых выполнены с возможностью фиксирования и восприятия ими реактивного момента опорным элементом под динамический уровень воды, напор которого достаточен для выработки тепловой энергии, водоводом является скважина, источником воды является поверхностный водоем, в зоне которого пробурена скважина или перебуренная ею и сообщенная с ней подземная водоносная зона или зоны, или поверхностный водоем с подземной зоной или зонами сообщения питательной емкости с водоводом снабжены устройствами регулирования расхода воды, например регуляторами-задвижками, интервал скважины до места установки вихревого теплогенератора пробурен вертикальным, тепловодопотребитель с тепловыми сетями, имеющими входной и выходной трубопроводы, в заявляемой скважинной системе теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием гидротурбина и вихревой теплогенератор дискового типа агрегатированы и составляют скважинный гидротеплоагрегат, корпуса их жестко соединены, гидротурбина расположена выше вихревого теплогенератора дискового типа, опорным элементом является колонна труб, опущенная в скважину, верхний конец которой закреплен на устье скважины, гидротеплоагрегат соединен с нижним концом колонны труб, зоной стока является поглощающий интервал природного или искусственного происхождения, например (В массивах естественного залегания горных пород известны различные технологии создания коллекторов - зон стока (Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. М., Недра, стр.16-17; 266; 269, [10]): гидравлический разрыв пласта; взрывное разрушение; бурение системы горизонтальных скважин; образование емкостей подземным растворением, подземным выщелачиванием, подземной выплавкой и др.), сформированной путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, она дополнительно включает добычную скважину, которой перебурен сформированной путем трещинообразования гидроразрывом коллектор, сообщенный с ней, а в условиях, когда нижерасположенный поглощающий интервал не пересекается с вертикальной трассой скважины, интервал скважины ниже места установки гидротеплоагрегата пробурен направленным до пересечения с зоной стока, входной трубопровод тепловодопотребителя подключен к добычной скважине, а его выходной трубопровод - к скважине.
В скважинной системе теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием в качестве гидравлической машины может быть использован турбобур.
В скважинной системе теплоснабжения с подземным теплогидроаккумулированием может быть несколько скважин и добычных скважин.
В тепловодоснабжающей скважине добычная скважина может быть либо водоподъемной либо водоспускной.
Совокупность признаков заявляемой ССТ ПТ-Г-А позволяет достичь поставленный технический результат, в частности:
во-первых, расширить условия ее применения путем обеспечения выработки тепловой энергии не только в горной местности, но и в условиях равнинной местности. Достигается это тем, что скважиной с установленным в ней вихревым теплогенератором перебурена зона стока - коллектор, в котором аккумулируется выработанная тепловая энергия в горячей воде. Так формируется подземный непроточный объем горячей воды. Коллектор с горячей водой перебурен и добычной скважиной, по которой горячая вода может транспортироваться к тепловодопотребителю на поверхности. Такая схема выработки и транспортирования тепла работоспособна как в гористой местности, так и в условиях равнины;
во-вторых, расширить ее функциональные возможности путем обеспечения ею возможности аккумулировать и хранить выработанную тепловую энергию.
Сформированный таким образом подземный объем горячей воды является гидротеплоаккумулятором. Исследованиями и практическим опытом показано (Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.70-76., [8]), что такой подземный гидротеплоаккумулятор является эффективным и экономичным. Например, такой гидротермоаккумулятор позволяет сохранять тепло, выработанное в летнее время, в течение времени до наступления отопительного периода, а также в течение самого периода (там же, [8]), что составляет 8-9 месяцев. Таким образом, подземный трещиноватый коллектор является одновременно и теплоаккумулятором и хранилищем тепловой энергии в воде;
в-третьих, использование в качестве гидравлической машины скважинного турбобура (Грызов И.С. и др. Турбинное бурение глубоких скважин. М., Недра, 1967 г., [11]) позволяет сократить затраты на опытно-конструкторские работы по его созданию, так как для этого может быть использован серийно-выпускаемый турбобур, предназначенный для работы в скважинных условиях. Специфику этих условий составляют: ограниченные диаметры, определяемые диаметром скважины; работа при высоких гидростатических давлениях; загрязненная проточная вода, которая может содержать и абразивные частицы; повышенные температуры в скважинных условиях и др.). Эксплуатационное преимущество турбобура заключается в том, что элементы крепления его к бурильной колонне труб унифицированы, а он является приспособленным для работы в скважинных условиях;
в-четвертых, использование в качестве опорного элемента колонны труб, фиксируемой в скважине на ее устье (по аналогии с турбинным бурением) позволяет обеспечить восприятие ею (колонной труб) реактивных моментов турбобура и вихревого теплогенератора и этим обеспечить работоспособность заявляемой схемы;
в-пятых, соединение входного трубопровода тепловодопотребителя с добычной скважиной, а его выходного трубопровода со скважиной позволяет обеспечить непрерывность (в замкнутом цикле) работы системы теплоснабжения, а также повысить ее экологичность с одновременным повышением энергоэффективности и достичь водосбережения (ресурсосбережения).
После тепловодопотребителя температура воды сравнительно высока, а ее сброс может привести к тепловому загрязнению (Гаджиев А.Г. и др. Геотермальное теплоснабжение. М.: Энергоатомиздат, 1984 г., [3]). В заявляемой ССТ ПТ-Г-А этот недостаток отсутствует, и кроме того, при этом повышается ее энергоэффективность. Повышение энергоэффективности заключается в более высокой температуре поступающего от тепловодоподогревателя теплоносителя за счет более полного его извлечения при каждом цикле «выработка - потребление» циркуляции) при прочих равных условиях. Эффект водосбережения заключается в том, что в нем осуществляется циркуляция (мало изменяемого) объема воды, который циклически подвергается нагреву - охлаждению (выработке - потреблению тепла) по аналогии с другими типами систем теплоснабжения.
Кроме того, подземный теплоаккумулятор-хранилище горячей воды (коллектор) имеет определенную площадь, на проекцию которой на поверхности могут «попасть» и реки, и горный рельеф, овраги, болота, которые затрудняют прокладку в их расположении поверхностных тепловых сетей рассредоточенного тепловодопотребителя. Поэтому в обоснованных случаях целесообразно сообщение рассредоточенных на поверхности теплопотребителей с подземным коллектором посредством скважин и добычных скважин (а не поверхностными сетями).
Наличие (дополнительных, в том числе резервных) скважин и добычных скважин позволяет повысить ее (системы) надежность за счет возможности «перехода» на них при авариях на поверхностных тепловых сетях.
Кроме того, также в случае, когда устье добычной скважины расположено выше положения подземного коллектора, заполненного горячей водой, добычная скважина является водоподъемной и должна быть оборудована водоподъемным устройством. Когда устье добычной скважины расположено ниже положения подземного горячеводного коллектора (горные условия), добычная скважина является свободно поточной и не требует оборудования ее водоподъемной (насосной) установкой.
Следует отметить, что вырабатываемая и реализуемая с использованием заявляемой ССТ ПТ-Г-А горячая вода по себестоимости ее производства близка к геотермальной энергии, которая в 5-30 раз ниже стоимости энергии, вырабатываемой котельными на традиционных видах топлива (Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л., Щелоков Я.М. Энергосбережение. Справочное пособие, г.Екатеринбург, РИА «Энерго-ПРЕСС», ЭПК УТГУ-УПИ, 1999 г., стр.38-39, [9]), но прогнозируется еще меньшей ввиду меньших затрат на менее глубокие скважины.
На фиг.1-2 приведены схемы заявляемой ССТ ПТ-Г-А. На фиг.1 - схема ССТ ПТ-Г-А с вертикальной скважиной; на фиг.2 - схема ССТ ПТ-Г-А с вертикальным участком скважины выше гидротеплоагрегата и искривленным ниже него.
н
в
На фиг.1-2 введены следующие обозначения: 1 - питательная емкость; 2 - гидротурбина; 2.1 - уплотнитель корпуса гидротурбины; 2.2 - входные каналы гидротурбины; 2.3 - выходные каналы гидротурбины; 2.4 - ротор гидротурбины с лопастными секциями; 2.5 - рычаги фиксатора; 2.6 - соединительная муфта-наконечник гидротурбины с отверстиями в нем (для сообщения объема скважины с входом гидротурбины); 3 - вихревой теплогенератор дискового типа; 3.1 - входные каналы вихревого теплогенератора; 3.2 - выходные каналы вихревого теплогенератора; 4 - вертикальный интервал скважины от ее устья до места установки гидротеплоагрегата; 4.1 - вертикальный интервал скважины ниже места установки гидротеплоагрегата; 4.1.1 - перфорированный отрезок трубы в интервале скважины 4.1; 4.2 - искривленный интервал скважины ниже места установки гидротеплоагрегата; 4.2.1 - перфорированный отрезок трубы в интервале скважины 4.2; 5 - поглощающий интервал (зона стока); 6 - колонна труб; 6.1 - соединительная муфта-наконечник колонны труб; 7 - перфорированная часть обсадной колонны - устройства регулирования расхода воды; 8 - перфорированный, с возможностью его поворота и с отверстиями 8.1 патрубок устройства регулирования расхода воды; 8.1 - отверстия в патрубке 8; 9 - жесткое соединение колонны труб с обсадной колонной; 10 - добычная скважина (горячего водоснабжения); 10.1 - перфорированный отрезок трубы в скважине 10; 11 - водоподъемные трубы; 12 - насос с электродвигателем; 13 - оголовок; 14 - задвижка; 15 - манометр; 16 - тепловодопотребитель; 17 - устройство водоочистки; 18 - линия электроснабжения; 19 - станция управления; Н - напор водяного столба, воздействующий на гидротеплоагрегат; Н - глубина положения поглощающего интервала (аккумулирующего горячую воду).
Ввиду плотности графического материала на фиг.1 и 2 не указаны имеющиеся фактически контрольно-измерительные приборы (КИП), установленные в ССТ ПТ-Г-А, в частности, расходомеры-счетчики количества, термометры, манометры - на устьях скважин и в скважинах; уровнемеры - в скважинах; расходомеры-счетчики количества, термометры, манометры - у тепловодопотребителей и на тепловых сетях.
Работает заявляемая ССТ ПТ-Г-А следующим образом.
ССТ ПТ-Г-А на фиг.1
Скважина 4 сообщена с источником воды 1, представляющим собой ручей природного происхождения (она может быть сообщена и с подземным источником воды - подземной водоносной зоной). Устьевая часть скважины обсажена обсадной колонной труб, перфорированная часть которой 7 предназначена для регулирования расхода воды, поступающей из источника воды 1 в скважину. Снаружи перфорированной части обсадной трубы 7 установлен с возможностью поворачиваться на ней перфорированный патрубок 8 так, что отверстия его перфорации 8.1 могут совпадать с отверстиями перфорации обсадной трубы 7, а при другом угле поворота патрубка 8 не совпадать. Этим двум положениям патрубка соответствует либо «открытое» либо «закрытое» положения для движения жидкости из источника 1 в скважину.
В скважине, на ее устье посредством жесткого соединения 9 с обсадной трубой 7 установлена колонна труб 6 с соединительной муфтой 6.1 на нижнем конце. К муфте 6.1 посредством муфты 2.6 подсоединена гидротурбина 2, в качестве которой использован турбобур, к которому посредством жесткого соединения их корпусов присоединен вихревой теплогенератор дискового типа 3. Зазор между корпусом гидротеплоагрегата и стенками скважины перекрыт специальным уплотнителем 2.1. Гидротурбина 2 и вихревой теплогенератор 3 агрегатированы. Колонна труб 6, жестко закрепленная на устье скважины, является опорным элементом и воспринимает реактивный момент, возникающий при работе гидротурбины и вихревого теплогенератора дискового типа.
В соединительной муфте 6.1 выполнены отверстия, которые являются сообщениями заколонного объема скважины с входом гидравлического канала гидротурбины. При указанной сборке колонны труб 6, гидротурбины 2, вихревого теплогенератора дискового типа 3 и открытом положении патрубка 8, как регулирующего устройства, вода из источника 1 по перфорационным отверстиям 8.1, отверстиям в обсадной трубе 7, по кольцевому каналу скважины движется вниз, в зону поглощения 5. При этом она движется через отверстия в соединительной муфте 6.1 и поступает на вход гидротурбины 2.2, с выхода которой поступает на вход вихревого теплогенератора 3.1, выходные каналы которого 3.2 направлены в сторону зоны поглощения 5.
*
Скважиной перебурен поглощающий интервал 5 (поглощающая зона). В рассматриваемом примере поглощающей зоной является зона, представленная фильтрующими породами, в частности водоносная (с не движущейся в ней водой) зона с возможностью замещения в ней воды (* В массивах естественного залегания горных пород известны различные технологии создания коллекторов - зон стока (Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. М., Недра, стр.16-17; 266; 269, [10]): гидравлический разрыв пласта; взрывное разрушение; бурение системы горизонтальных скважин; образование емкостей подземным растворением, подземным выщелачиванием, подземной выплавкой и др.)
Скважина в нижней своей части обсажена перфорированной трубой 4.1.1. Через отверстия в ней горячая вода поступает в поглощающий интервал 5, заполняя его. В заявляемой ССТ ПТ-Г-А пробурена и освоена добычная скважина 10. Для подъема горячей воды она оборудована водоподъемными трубами 11. В нижней части водоподъемной колонны труб установлен перфорированный отрезок трубы 10.1 и погружной насос с электродвигателем 12, к которому подведена электроэнергия от линии электроснабжения 18. К оголовку 13 добычной скважины посредством задвижки 14 присоединен теплопотребитель 16. После использования потребителем тепла горячей воды последняя очищается устройством водоочистки 17 и направляется на вход скважины (в оборотную схему теплоснабжения).
ст
Статический уровень с скважине составляет Н=31 Ом. Динамический уровень при сообщении скважины с источником воды находится на устье скважины и составляет
ст
Н=Ом. Таким образом, динамический напор (суммарный), воздействующий на гидротурбину и вихревой теплогенератор (потребляемый ими) дискового типа, составляет 310 м.
Расход воды через устьевое регулирующее устройство поступающей из источника воды 1 в скважину составляет 1000 л/мин. Глубина положения кровли проницаемой теплоаккумулирующей подземной зоны составляет L=430 м. Наибольшая мощность этой зоны составляет 36 м.
г
н
г
эн
н
3
3
Максимальная гидравлическая мощность N, развиваемая гидроэнергетическим потоком в скважине ССТ ПТ-Г-А при динамическом напоре, равном Н=310 м, и расходе воды, равном Q=1 м/мин, составляет около N=50 кВт, а вырабатываемое тепло при этом составляет 71000 ккал/час. Электрическая мощность погружного насоса в добычной скважине составляет N=50 кВт, а его производительность Q=0,7 м/мин.
ССТ ПТ-Г-А на фиг.2
Преимущественно конструкции отдельных устройств и узлов ССТ ПТ-Г-А, приведенных на фиг.2, характеристики используемого в них оборудования, режимные параметры, линейные размеры аналогичны изображенным на фиг.1. Отличие заключается лишь в том, что поглощающий интервал 5 на фиг.2 не пересекается траекторией вертикальной трассы скважины 4. Для обеспечения пересечения интервал скважины 4.2 ниже места установки гидротеплоагрегата пробурен направленным, то есть участок скважины 4.2 является искривленным.
ССТ ПТ-Г-А может работать в двух режимах: в заготовительно-теплоаккумулирующем и теплоснабжающем.
Работа в заготовительно-теплоаккумулирующем режиме
Скважины на фиг.1 и 2 в этом режиме работают следующим образом.
Добычная скважина 10 находится в отключенном (неработающем) состоянии, при этом от станции управления 19 отключен погружной двигатель насоса 12. Теплопотребитель 16 отключен вентилем 14 от водоподъемной трубы 11. Вода от водоочистного устройства 17 не поступает в скважину (либо в питательную емкость 1).
н
3
Заготовка и теплоаккумулирование горячей воды в поглощающей зоне 5 осуществляется, как правило, в летнее время в паводковый период. При этом вода из питательной емкости 1 при открытом положении отверстий патрубка 8 поступает в скважину 4, наполняя ее и приводя в динамическое состояние, при котором динамический уровень в скважине повышается. В динамическом состоянии часть воды ниже динамического уровня движется к зоне поглощения, заполняя ее горячей водой. По мере заполнения скважины динамический уровень устанавливается на отметке, совпадающей с устьем скважины. При таком его положении напор на гидротурбину 2 и вихревой теплогенератор составляет Н=310 м, и гидротеплоагрегат развивает мощность в 50 кВт, при этом с выхода вихревого теплогенератора 3.2 по скважине в поглощающую 5 зону поступает горячая вода с температурой 95°С и в ней накапливается, поскльку зона поглощения является непроточной. Контрольно-измерительными приборами, установленными в скважине и на ее устье (не показаны), осуществляется контроль и регистрация параметров нагреваемой и закачиваемой в поглощающую зону воды, в частности ее температуры, расхода и количества, давления. Эти параметры контролируются и регистрируются с использованием датчиков аналогичных параметров, установленных и в добычной скважине. В период заготовки горячей воды заполнение поглощающей зоны осуществляется в обоснованном объеме, в том числе с учетом объема системы отопления, которая будет функционировать в отопительный период. Для рассматриваемой ССТ ПТ-Г-А этот объем составляет 20000 м. После того, как указанный объем горячей воды закачан в поглощающую зону, процесс работы ССТ ПТ-Г-А в заготовительно-теплоаккумулирующем режиме заканчивают. Для этого патрубок 8 переводят в положение «закрыто», в котором он находится до начала отопительного периода. Состояние преобразованного в горячую воду и закачанного для теплоаккумулирования и его хранения в подземной водоносной зоне теплоносителя в горячей воде контролируется по показаниям измерительных приборов: температуры, объема, уровня и др.
Работа в режиме теплоснабжения
В этом режиме подключаются к работе добычная скважина 10 путем подключения ее к станции управления 19 линии электроснабжения 18 погружного электронасоса 12. Открывают вентиль 14 и горячая вода по водоподъемным трубам 11 из поглощающей зоны 5 подается теплопотребителю 16. «Отдавшая» тепло горячая вода от теплопотребителя 16 поступает в устройство водоочистки 17, а от него - в скважину на следующий цикл ее движения по системе теплоснабжения. При этом из питательной емкости в систему циркуляции на вход скважины через регулирующее устройство (патрубок 8) добавляется требуемое количество воды для обеспечения циркулирующего в системе объема.
Заявляемая ССТ ПТ-Г-А позволяет:
- заготавливать, осуществлять подземное теплоаккумулирование и хранение тепловой энергии;
- осуществлять теплоснабжение, выполняя при этом функции теплоисточника, подземного теплоаккумулирования и хранилища тепловой энергии;
- повысить надежность теплоснабжения, в том числе за счет резервирования традиционных систем теплоснабжения либо их частей.
Работа заявляемой ССТ ПТ-Г-А наиболее эффективна в местностях децентрализованного энергообеспечения, где имеются необходимые для ее работы условия.
Ее применение позволит снизить затраты на осуществление «северного завоза» органического топлива.
Ввиду того, что заявляемая ССТ ПТ-Г-А базируется на экологически чистой технологии производства тепловой энергии, а ее внешний вид не формирует впечатления промышленно-индустриального объекта с традиционными дымовыми трубами, она с успехом может быть использована в районах размещения рекреационных объектов отдыха и лечения, ландшафтного туризма, а также в заповедниках и заказниках.
Кроме того, размещение теплоисточника, скважины и добычной скважины заявляемой ССТ ПТ-Г-А в земных недрах «делает» ее более скрытной и неуязвимой.
Относительно скрытности. В настоящее время обнаружение энергообъектов легко осуществляется с использованием инфракрасных, в том числе оптических систем. Теплоисточник предлагаемой ССТ ПТ-Г-А такими системами не может быть обнаружен, так как ее тепловое излучение экранируется слоем земных недр, расположенных выше теплогидроаккумулирующей зоны, скважины и добычной скважины.
Относительно неуязвимости. Расположенная над теплоисточником ССТ ПТ-Г-А земная масса велика, велика и мощность (по глубине) расположенных сверху пород, и разрывы снарядов на земной поверхности (при попытках ее уязвимости) не сказываются на ее работоспособном состоянии. Этим объясняется большая живучесть предлагаемой ССТ ПТ-Г-А, а также возможность двойного применения ее в гражданских технологиях и в военных целях, в том числе в военные периоды.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт O.K. и др. Теплотехника. Учебник для вузов. Под ред. А.П.Баскакова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г.
2. Башмаков И.А. «Русские горки» неэффективности. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12, стр.14.
3. Гаджиев А.Г. и др. Геотермальное теплоснабжение. М.: Энергоатомиздат, 1984 г.
4. Алхасов А.Б. Патент РФ на изобретение №2105351 С1. Способ одновременно-раздельной эксплуатации двух термоводоносных пластов. Бюл. №5, 1998 г.
5. Гнатусь Н.А. Тепловая энергия Земли - основа будущей теплоэнергетики. Журнал «Новости теплоснабжения», М., 2006 г., №12.
6. Решение от 06.12.2007 г.о выдаче патента на изобретение «Скважинный теплоисточник» по заявке №2006132584/03(035452), поданной 11.09.2006 г. М. кл. F24D 3/08.
7. Елисеев А.Д. Патент РФ на изобретение №2291255 С2. Тепловодоснабжающая скважина. М. кл. Е03В 3/00; F24H 4/02. Опубл. 10.01.2007 г., Бюл. №1, 2007 г. (прототип).
8. Kabus F., Bartels Y. Подземное аккумулирование тепла и холода. Журнал «Теплоэнергетика», №6, 2004 г., стр.70-76.
9. Батищев В.Е., Мартыненко Б.Г., Сысков С.Л., Щелоков Я.М. Энергосбережение. Справочное пособие, г.Екатеринбург, РИА «Энерго-ПРЕСС», ЭПК УТГУ-УПИ, 1999 г., стр.38-39.
10. Аренс В.Ж. Скважинная добыча полезных ископаемых. М., Недра, 1986 г.
11. Грызов И.С. и др. Турбинное бурение глубоких скважин. М., Недра, 1967 г.