Способ эксплуатации теплообменника
HEAT EXCHANGER OPERATION METHOD

Изобретение относится к геотермальной энергетике и может быть использовано для эксплуатации теплообменников в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии его внутренней поверхности.
Известен способ эксплуатации теплообменников при использовании геотермальных вод, исключающий отложение карбоната кальция на теплообменной поверхности в первичном контуре. Способ заключается в поддержании давления в оборудовании выше равновесного значения, при котором не выделяется твердая фаза карбоната кальция в геотермальной воде [1, 2]. Данный способ эксплуатации теплообменника обладает недостатками. Высокое давление в устье геотермальной скважины приводит к снижению ее дебита, а также к увеличению кислотности раствора воды из-за повышенного содержания в нем углекислого газа.
Известен также способ эксплуатации теплообменников при использовании геотермальных вод, исключающий образование твердой фазы карбоната кальция на теплообменной поверхности в первичном контуре путем поддержания в нем равновесных параметров давления и температуры геотермальной воды [3]. Однако при резких изменениях режима потребления тепловой энергии потребителями избежать процесс солеотложения в первичном контуре удается не всегда. Это связано как с резким изменением потребления горячей воды в разное время суток, так и с колебаниями давления в первичном контуре теплообменника. В результате этого изменяется температура теплообменной поверхности, которая приводит к образованию твердой фазы карбоната кальция в первичном контуре [4]. Вследствие этого происходит резкое ухудшение работы теплообменника, требующее выполнения ремонтных работ с остановкой термораспределительных станций на геотермальных скважинах.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эффективности использования теплообменника путем предотвращения образования твердой фазы карбоната кальция и снижения коррозии оборудования.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе эксплуатации теплообменника, включающем подачу геотермальной воды в первичный контур, подогреваемой воды противотоком во вторичный контур, регулирование расхода воды в обоих контурах с помощью запорной арматуры, направление потоков геотермальной и холодной подогреваемой воды в соответствующих контурах периодически меняется на противоположное, при этом время периода изменения направления потоков выбирается согласно показаниям датчиков солеотложения, установленных на трубопроводах подачи и отвода геотермальной воды непосредственно у входа в теплообменник. В то же время противоточное движение потоков воды в контурах теплообменника при всех изменениях сохраняется.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 - график равновесных значений давления и температуры геотермальной воды, при которых вода стабильна, т.е. не растворяет и не выделяет твердую фазу карбоната кальция.
На фиг. 2 - схема подключения теплообменника через запорную арматуру к геотермальной скважине и к источнику воды во вторичный контур.
На фиг. 3 - распределение температуры воды в контурах теплообменника по его длине.
Для каждой геотермальной скважины существуют параметры воды, при которых она не растворяет и не выделяет твердую фазу карбоната кальция [2]. Для примера на фиг. 1 представлена линия равновесных значений давления и температуры раствора воды скважины 27 Т (г. Махачкала, РД). Эксплуатация теплообменника при параметрах давления и температуры геотермальной воды выше равновесной линии, с одной стороны, снижает дебит скважины, а с другой - приводит к повышению коррозионной активности воды из-за наличия в ней агрессивной углекислоты. При этом, чем выше параметры эксплуатации теплообменника от равновесной линии, тем выше коррозия оборудования. Эксплуатация теплообменника ниже равновесной линии приводит к отложениям карбоната кальция на его внутренней поверхности. На практике с целью исключения солеотложения на теплообменной поверхности эксплуатация теплообменников проводится при параметрах давления выше равновесного значения, что снижает эффективность использования теплообменников за счет снижения дебита скважины и коррозии его внутренней поверхности.
Способ эксплуатации теплообменника в режиме без солеотложения и при минимальной коррозии его внутренней поверхности осуществляется следующим образом. При закрытых задвижках 3 и 5 и открытых 4 и 6 (фиг. 2) по линии 1 геотермальная вода подается в первичный контур теплообменника и выводится по линии 2. Одновременно, при закрытых задвижках 11 и 13 и открытых 10 и 12 по линии 8 во вторичный контур противотоком подается подогреваемая вода и выводится по линии 9. На практике отложение солей карбоната кальция, в основном, наблюдается в начале теплообменной поверхности первичного контура в связи с высокой температурой геотермальной воды (см. фиг. 1 и фиг. 3), при которой вода склонна к выделению из раствора твердой фазы карбоната кальция. По мере движения по тракту теплообменника раствор геотермальной воды переходит в состояние равновесия и в конце теплообменной поверхности переходит в состояние максимальной агрессии, т.е. в состояние, при котором происходит растворение ранее образовавшихся отложений, если таковые имеются [5]. Наличие отложений в начале теплообменной поверхности первичного контура фиксируется датчиком солеотложения 14 (фиг. 2). При наличии отложений толщиной более 1-2 мм производится смена направления движения геотермальной и холодной подогреваемой воды в соответствующих контурах теплообменника. Для этого закрываются задвижки 4 и 6 и открываются 3 и 5 (фиг. 2). При этом по линии 1 геотермальная вода подается в первичный контур теплообменника и выводится по линии 2 в обратном направлении. Одновременно задвижки 10 и 12 закрываются, а 11 и 13 открываются. При этом подогреваемая вода во вторичном контуре по линии 8 подается противотоком и выводится по линии 9 также в обратном направлении (противоположном первоначальному направлению). На фиг. 3 показано изменение распределения температур в контурах по тракту теплообменника. Сплошные линии - линии температуры геотермальной (1) и подогреваемой (2) воды, соответственно, в первичном и вторичном контуре по длине теплообменника. Пунктирные линии - линии температуры воды в первичном (1) и вторичном (2) контурах теплообменника после смены режима работы теплообменника. Как видно из фиг. 1 и 3, смена режимов эксплуатации теплообменника способствует растворению ранее образовавшихся отложений в первичном контуре, что сохраняет работу теплообменника в состоянии без ремонта.
Таким образом, благодаря периодической смене направления движения геотермальной и холодной подогреваемой воды в соответствующих контурах теплообменника в противотоке с помощью запорной арматуры, повышается эффективность использования теплообменника в режиме без солеотложения для бесперебойной подачи тепловой энергии к потребителям.
Источники информации
1. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. - М.: Физматлит, 2008. - С. 100-107.
2. Ахмедов Г.Я. Проблемы солеотложения при использовании геотермальных вод для горячего тепловодоснабжения // Промышленная энергетика. - №9. - 2009.
3. Ахмедов Г.Я. Работа геотермальных систем теплоснабжения в режиме без солеотложения // Промышленная энергетика. - 2010. - №4. - С. 54-59.
4. Ахмедов Г.Я. Твердые отложения карбоната кальция в геотермальных системах // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - №11. - С. 81-86.
5. Пат. 2528776, РФ, МПК F28G 9/00. Способ очистки теплообменника от карбонатных отложений заявл. / Ахмедов Г.Я. Опубл. 20.09.2014, Бюл. №26. - 5 с.
6. Пат. 2387950 РФ, МПК G01B 7/06. Способ и устройство для определения толщины солеотложения / Ахмедов Г.Я. Опубл. 27.04.2010. Бюл. №12. - 7 с.
7. Ахмедов Г.Я. О некоторых методах контроля солеотложения в геотермальной энергетике / Промышленная энергетика. - 2010. - №6. - С. 58-62.