Технологическая и экономическая эффективность добычи тепловой энергии приповерхностными циркуляционными системами на базе коаксиальных скважин

© И.А. Страупник, 2013

УДК 622.24:622.06 И.А. Страупник

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДОБЫЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИПОВЕРХНОСТНЫМИ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМИ СИСТЕМАМИ НА БАЗЕ КОАКСИАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Среди возобновляемых источников энергии низко потенциальная энергия тепла горных пород становится все более распространенной и находит все большее применение в секторе гражданского строительства. В работе представлены методологические принципы проектирования приповерхностных циркуляционных систем на базе коаксиальных скважин, с точки зрения эффективности процесса теплообмена во время добычи. Также описан способ расчета оптимальной конструкции циркуляционной системы, основанный на выборе наиболее экономически выгодного варианта.

Ключевые слова: теплообменные скважины, теплообмен, геотермальная энергия, коаксиальные теплообменники.

В настоящее время в мировой промышленности наблюдается значительный рост производства и использование все большего объема энергоносителей, таких как уголь, нефть и газ. Мировые запасы данных видов энергоносителей истощаются, а экологическая обстановка из-за роста концентрации продуктов сгорания углеводородов в атмосфере ухудшается. Мировая экономика вплотную подошла к проблеме разработки и использования новых альтернативных источников энергии. Одним из таких альтернативных источников энергии является тепловая энергия, запасенная в приповерхностной толще горных пород.

Повсеместно доступным источником низко потенциальной тепловой энергии является массив горных пород. Для извлечения этой энергии сооружаются так называемые теплообменные скважины. Современный опыт показывает, что глубина буре-

ния подобных скважин колеблется в пределах 50...200 м, конечные диаметры бурения, в зависимости от конструкции колеблется от 90 до 219 мм [7]. Количество теплообменных скважин зависит от потребной мощности тепловой энергии и характеристик используемого теплового насоса, установки, которая преобразует потенциал тепловой энергии от нескольких градусов Цельсия до нескольких десятков.

Наиболее часто применимыми типами теплообменных коллекторов являются и-образные и двойные V-образные, ввиду простоты конструкции и относительной дешевизне. Одной из самых эффективных конструкций теплообменного коллектора являются коаксиальные трубы. Коаксиальные коллекторы, по сравнению с и-образными показывают себя более эффективными, поскольку площадь контакта коллектора с массивом горных пород при той же длине выше.

Коаксиальные теплообменные коллекторы позволяют получить больше (на 20...30 %) тепловой энергии от горных пород, по сравнению с двойными и одинарными U-образными коллекторами, при прочих равных условиях [9].

Проектирование любой скважины начинается с анализа геолого-технических условий ее бурения и построения ее конструкции, то есть с расчета диаметров, глубины бурения и интервалов крепления. Диаметр скважин определяется назначением бурения скважин. Теплообменные скважины не являются исключением. В качестве полезного ископаемого в данном случае выступает тепловая энергия, аккумулированная в массиве горных пород. Таким образом, каждая вновь пробуренная теплооб-менная скважина является разведоч-но-эксплуатационной по назначению. При сооружении подобных скважин проводятся следующие виды работ [5,8]:

1. Типизация геолого-технических параметров бурения и проектирование конструкции скважины;

2. Собственно бурение;

3. Уточнение геологического строения и распределения температуры в скважине в зависимости от глубины, внесение корректировок в проект;

4. Оборудование скважины тепло-обменным коллектором;

5. Проведение теста «тепловой восприимчивости» (thermal response test) для определения фактических теплофизических параметров готовой теплообменной скважины и подготовка рекомендаций о ее эксплуатации;

6. Сдача скважины в эксплуатацию.

При проектировании теплообмен-ных скважин необходимо учитывать

такие параметры как: глубина и температура нейтрального слоя; распределение температуры массива по глубине (геотермический градиент); наличие водоносных горизонтов, которые могут внести изменение в температурный режим массива; теплофизи-ческие свойства пород (теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность).

Глубина нейтрального слоя является границей, разделяющей тепло-обменный коллектор на два участка: участок активного теплообмена и участок возможных потерь тепла. Интервал скважины, находящийся в породах подверженных сезонным колебаниям температур может вести себя по-разному. Например, осенью, когда приповерхностная часть массива нагрета, теплообменная скважина будет получать дополнительную тепловую энергию, однако весной, будет наблюдаться обратное явление в связи с охлаждением массива за зимний период. С целью нивелировать эти колебания под расчетом глубины бурения скважин будем понимать расчет длины ее активного участка, находящийся ниже глубины нейтрального слоя.

Расчет конструкций теплообмен-ных скважин является вариантным, так как согласно физике процесса общая тепловая мощность, получаемая от массива горных пород, зависит от суммарной длины теплообменного коллектора, то есть зависит от произведения числа скважин на их глубину. При соблюдении этого произведения на нужном уровне отопительные системы будут работать с одинаковой производительностью, поэтому вопрос определения глубин и количества скважин является вопросом финансовой оптимизации.

Диаметр скважин, м

Рис. 1. Номограмма для определения диаметра, глубин и количества теплообмен-ных скважин

Первый этап - это типизация геолого-технических условий, расчет средневзвешенных значений тепло-физических параметров и глубины нейтрального слоя.

Как показали натурные наблюдения на «Исследовательском полигоне» (Чешская республика) [4], и исследования в [3,6], время эксплуатации скважин в самый нагруженный отопительный период не превышает 12 часов. Коэффициент нестационарности теплового потока, как рекомендовано в [1], рассчитывается на время 2/3 от времени максимально возможной эксплуатации (8 ч). Зависимость для расчета глубины скважины будет иметь следующий вид [2]:

Н = ^ + аНь

где О - диаметр скважины, м; кт - коэффициент нестационарности теплового потока, Вт/(м2-К); At - температурный напор, К; Q - потребная тепловая мощность, Вт; а - количество теплообменных скважин; Ннс - глубина нейтрального слоя, м.

Минимальное расстояние между скважинами зависит от максимального радиуса зоны теплового влияния и может быть рассчитано следующим образом:

^ = К • 2Ятах,

где к^ - коэффициент запаса; Итах -максимальный радиус зоны теплового влияния, м.

Расход теплоносителя при различных значениях диаметров коаксиального теплообменника, рассчитывается из такого расчета, чтобы течение жидкости было ламинарным или переходным (2100<Яе<5000), так как именно такой режим обеспечивает эффективный теплообмен между массивом и теплоносителем [3].

Расчет длин активных участков скважин при различном их количестве, при каждом конкретном диаметре скважины выполняется с помощью номограммы, общий вид которой представлен на рис.1.

Для каждого расчетного значения диаметра на вертикальной оси отмечаются выбранные для вариантного расчета и из этих точек влево и впра-

во опускаются перпендикуляры на графики. Вправо перпендикуляр пересечется с зависимостью суммарной стоимости сооружения и эксплуатации, отнесенные к метражу коаксиальных скважин. Влево перпендикуляр пересечет графики зависимости глубины бурения от диаметра и количества скважин. Перемножив значения глубин на соответствующие значения стоимости, определяется стоимость каждого варианта. Наименьшее значение стоимости, определяет оптимальный вариант, а также диаметр и глубину скважин. Минимум количества скважин будет равен удвоенному значению параметра а, так как режим работы теплообменных скважин подразумевает периодическое включение и выключение циркуляции теплоносителя в них для восстановления температурного поля массива.

После выбора оптимального варианта конструктивных элементов теп-лообменных скважин, проводится окончательный проверочный расчет, и даются рекомендации по режиму ее работы, исходя из потребности в тепловой энергии. Также с помощью зависимости, полученной после обработки материалов натурных исследований, проведенных на «Исследовательском полигоне» (Чешская республика), можно оценить время восста-

новления температурного поля массива, с тем, чтобы работа теплооб-менных скважин не охлаждала массив настолько, что его использование в качестве источника низко потенциальной энергии окажется неэффективным:

я2

Тв = 0,71 —,

ап

где аП - температуропроводность массива горных пород, м2/с; Я - радиус зоны теплового влияния на момент окончания циркуляции теплоносителя, м. Расхождение фактического значения времени восстановления и расчетного составляет не более 12...15 %, что в абсолютном выражении составляет 3.4 ч.

В условиях современных цен стоимость создания отопительной системы на базе коаксиальных теп-лообменных скважин составляет сумму порядка первых миллионов рублей, однако сроки окупаемости варьируют в пределах от 5 до 10 лет в зависимости от капитальных затрат и проектной мощности установленной системы. Стоимость эксплуатации подобной отопительной системы минимальна порядка и в 3. 4 раза ниже по сравнению с жидкотопливными и электрическими котлами [7].

1. Кудряшев Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в мерзлых породах. - М.: Недра, 1983. - 264 с.

2. Страупник И.А., Чистяков В.К. Аналитические и экспериментальные исследования скважинного коаксиального теплообменника // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/102—6069 (дата обращения 24.04.2012).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Bi Y., Chen L., Wu C. Ground heat exchanger temperature distribution analysis and experimental verification // Applied Thermal Engineering. vol. 22. № 2, 2002, pp. 183189.

4. Bujok P.,Chistyakov V.K., Kiempa M., Straupnik I.A. Efficiency analyze Borehole Heat Exchangers (BHEs) of the research geo-thermal polygon placed at V^B-Technical University of Ostrava // Renewable Energy &

Power Quality Journal, No. 10, 2012, URL: http://www.icrepq.com/icrepq%2712/437-bujok.pdf

5. Desmedt J, Hoes H. Case studies of vertical ground source heat pumps in Belgian hospitals. - URL: www.vito.be (дата обращения 01.02.10).

6. Ding Y., Su Y. — Y., Li B. — Z., Yao R. — M. The basic parameters obtained for design of ground source heat pump // 2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment, Henan, 2010. pp. 566-579.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

7. European heat pump statistics // Overview of European heat pump association. -URL: www.ehpa.org (дата обращения 20.02.11).

8. Marcotte D., Pasquier P. On the estimation of thermal resistance in borehole thermal conductivity test // Renewable energy, vol. 33, pp. 2407-2415.

8. Sun Y.Y., Yan Y.Y. A demonstrative model of closed loop GSHP In; Int. Conf. of Heat Powered Cycles, HPC'06. 06145-1-7, 2006. IТШ

Страупник Игорь Альбертович — ведущий инженер, straupnik@rambler.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

- ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ

ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА СБРОСА ВСКРЫШНЫХ

ПОРОД ПРИ ИХ ВЗРЫВНОЙ ПЕРЕВАЛКЕ

Ёе Конг Кыонг — аспирант,

Кузнецов В.А. — доктор технических наук, профессор,

Московский государственный горный университет.

Рассмотрены инженерно-геологические условия действующих угольных разрезов СРВ к внедрению взрывной перевалки вскрышных пород в выработанное пространство карьеров при пологом залегании угольных пластов. Экспериментальные исследования коэффициента сброса вскрышных пород от основных природных факторов и технологических параметров БВР при их взрывной перевалке выполнены на угольном карьере Нуйбео. На этой основе получены в зависимости коэффициента сброса от удельного расхода ВВ; диаметра скважинного заряда; высоты уступа; угла наклона скважин; ширины заходки и мощности угольного пласта.

Ключевые слова; открытая разработка месторождений, угольный разрез, буровзрывные работы, скважинные заряды, коэффициент сброса, параметры БВР, Вьетнам.

EXPERIMENTAL RESEARCH AND ANALYTICAL ESTIMATE

OF THE COEFFICIENT OF DISCHARGE STRIPPING THE ROCKS

BY THEIR EXPLOSIVE HANDLING

Le Cong Kyong, Kuznetsov V.A.

Considered the engineering-geological conditions of the existing coal mines socialist Republic of Vietnam to the introduction of explosive transshipment of overburden rocks in the developed space of quarries in the canopy of the Deposit of coal layers. Experimental research of the coefficient of the dumping of overburden from the main natural factors and technological parameters of the pot when their explosive transshipment met at the coal career Нуйбео. On this basis, obtained in the dependence of the relief of specific consumption of explosives; - diameter downhole charge; the height of the ledge; the angle of inclination of wells; width заходки and capacity of the coal seam.

Key words; open mining, coal mine, drilling and blasting work, borehole charges, the coefficient of discharge, the parameters of the pot, and Vietnam.