Вопросы литологии в системах теплоснабжения с использованием низкопотенциальной тепловой энергии подземных вод

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

ВОПРОСЫ ЛИТОЛОГИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ

ЭНЕРГИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

В.И. Седлецкий, A.A. Чернявский

Более столетия весь мир использует в качестве основного источника энергии органическое топливо. Но в последние годы все более пристальное внимание в мире начинают обращать на возможности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Это связано не только с исчерпанием легкодоступных запасов ископаемых топлив, но и, главным образом, с нарастающим потоком экологических проблем, сопутствующих сжиганию органических топлив.

В США, Европейских странах, Японии конец XX и начало XXI столетия ознаменовались большим всплеском в использовании ВИЭ [1, 2]. В странах Евросоюза в целом в 2000 г. была достигнута выработка электрической энергии за счет ВИЭ в размере 10 % от общего объема ее производства. Причем более 40 % введенных в действие мощностей в последние годы приходится на энергообъекты, использующие ВИЭ. К 2010 г. планируется получение уже 22,1 % электроэнергии за счет ВИЭ в суммарном энергобалансе Европейских стран. А в таких странах как Австрия использование ВИЭ позволят получать более 60 % энергии. При этом расширению объемов использования ВИЭ в странах ЕС весьма способствуют политика децентрализации производства энергии, а также повсеместно действующая законодательная база, дающая достаточно широкие льготы разработчикам, изготовителям и пользователям нетрадиционных энергетических систем.

Седлецкий Владимир Иванович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, первый заместитель директора Северо-Кавказского научного центра высшей школы Южного федерального университета;

Чернявский Адольф Александрович - кандидат технических наук, главный специалист по нетрадиционной энергетике филиала ОАО "Южный инженерный центр энергетики" - Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт "Ростовтеплоэлект-ропроект".

В России же в последние годы XX в. из-за экономических трудностей работы по использованию ВИЭ были, наоборот, свернуты и только теперь начинают возобновляться. Поэтому Россия в значительной степени отстает в вопросах практического использования ВИЭ от передовых стран Запада, несмотря на имеющийся большой теоретический задел. Задача настоящего момента - сделать все возможное, чтобы наверстать упущенное.

В число компаний, активно занимающихся совместным поиском новых решений и разработкой современных технологий в области использования ВИЭ, входят СевероКавказский научный Центр высшей школы Южного Федерального университета (СКНЦ ВШ ЮФУ) с Научно-исследовательским и проектно-изыскательским институтом "Ростов-теплоэлектропроект" (РоТЭП). Ими разработаны десятки проектов солнечных станций теплоснабжения, фотоэлектрических и термодинамических солнечных электростанций, ветроэлектрических станций, малых гидроэлектростанций, геотермальных электростанций, систем с использованием низкопотенциального геотермального тепла с применением тепловых насосов, систем с комбинированным использованием различных ВИЭ [3].

Можно отметить заметное оживление в последнее время работ по созданию систем с использованием тепловых насосов. Так, сейчас завершено проектирование и ведется строительство первой крупной опытно-промышленной станции теплоснабжения в Новошахтинске Ростовской области. Основной концепцией этого проекта является использование тепла, запасенного в шахтных водах, в качестве первичного низкопотенциального источника энергии для работы тепловых насосов. В Новошахтинске, где закрыты и затоплены все существовавшие ранее угольные шахты, тепло-насосная станция (ТНС) позволит ути-

лизировать бросовое тепло шахтных вод. Таким образом, появляется возможность извлечь дополнительную пользу из уже отслуживших свой век шахт и, практически, как бы продлить срок их службы.

Большое количество воды в гидравлически связанных затопленных шахтах Ново-шахтинска, которое нагревается теплом земли на больших глубинах, обладает огромными запасами тепловой энергии. Вызванная действием силы тяжести вертикальная циркуляция выносит нагретую воду ближе к поверхности шахт, где доступ к ней осуществляется через неглубокие скважины (50.. .150 м), обеспечивая таким образом надежный и недорогой источник первичной энергии для тепловых насосов. Вода из группы шахт с температурой 13.14 °С подается в первичный контур теплового насоса из нагнетательной скважины с глубины 120 м с помощью погружного насоса и, после отбора от нее тепловой энергии, возвращается в шахты охлажденной на несколько градусов через сбросную скважину глубиной 50 м, расположенную в другом горизонте горных выработок. В результате водоносная целостность шахт и температура забираемой воды сохраняются практически неизменными. При этом последствия использования такого источника энергии для окружающей среды минимальны.

Во вторичном контуре с сетевой водой системы теплоснабжения тепловые насосы обеспечивают получение температуры до 65.70 оС. Такая температура достаточна в течение большей части года для отопления и горячего водоснабжения обслуживаемых потребителей. В периоды года с низкими отрицательными температурами наружного воздуха, когда температура сетевой воды в прямой магистрали должна составлять более 70 оС, догрев сетевой воды организуется с помощью водогрейных котлов на газовом топливе, размещаемых в помещении теплонасосной станции. Эти же котлы выполняют функции дублирующего источника тепловой энергии, который может быть необходим в периоды проведения плановых и внеплановых ремонтов теплонасосного оборудования станции.

Работы по сооружению ТНС ведутся при активном содействии Ассоциации шахтерских городов (Москва). В том же Новошахтинске этой Ассоциацией планируется последующее строительство еще нескольких теплонасосных

станций. И далее - создание теплонасосных станций еще в десятках шахтерских городов России.

Главный корпус ТНС размещается в центре тепловых нагрузок (рис.1) - на территории Новошахтинского предприятия "Мона-теф-Плюс", являющегося одним из потребителей тепловой энергии. В радиусе около 500 м от главного корпуса размещаются все основные потребители тепловой энергии, а также напорные и сбросная скважины. Сооружение скважин в городской черте, на застроенной территории объясняется необходимостью максимального приближения этих скважин к главному корпусу ТНС.

Скважины являются одним из самых существенных и капиталоемких элементов создания теплонасосной системы. При сооружении скважин важно обеспечить возможность прямого забора и сброса требуемого потока шахтных вод в существующие горные выработки. Не менее важно знать и литологическое строение участков бурения, поскольку стоимость скважин определяется характеристиками проходимых пластов.

Проектом предусматривается забор шахтных вод производить из старых выработок, пройденных по пласту кС в 20-30-х годах прошлого века, а сброс осуществлять в выработки по пласту к12 , расположенные в вертикальном разрезе на 60.70 м выше пласта к£. Это практически исключает взаимное влияние друг на друга откачиваемой и сбрасываемой шахтных вод.

В геологическом отношении участок сооружения скважин изучен на глубину более 1 000 м еще при проведении геологоразведочных работ на уголь. Промышленный интерес - для целей обеспечения ТНС геотермальной энергией с забором и сбросом шахтных вод - представляет геологический разрез до глубины 100.150 м, в перспективе -до 400.450 м.

По данным, предоставленным Несветаев-ской геологоразведочной экспедицией и Центром мониторинга социально-экологических последствий ликвидации шахт Восточного Донбасса, в интервале глубин 0.450 м геологический разрез рассматриваемого участка представлен отложениями среднего карбоната

(свиты С4 и С2), перекрытыми на водоразделах и склонах балок делювиальными

Скважины

Выкопиро&ка из ситуационного ана г. Нобошахтинска. М 1:5000.

г • У - - • л

-у*  ¡^г-."

-г*-', V/Ж,

а ^ к.а/  -лгу ;!?/

V- У'*

суглинками, а также аллювиальными суглинками и глинами четвертичного возраста - в тальвегах балок и пойме реки М. Несветай. Мощность каменноугольных отложений составляет 435. 450 м. Литологически они представлены песчаниками, глинистыми, песчано-глинистыми и песчаными сланцами с подчиненными по мощности прослоями, пластами углей, углистых сланцев, известняков.

В рассматриваемом интервале глубин

свита С2 представлена своей верхней частью:

от угольного пласта ^ до известняка К1. Ее мощность составляет 150 м. Особенностью свиты являются горные выработки, пройденные по

пластам ^ и На площади создания скважин и строительства ТНС горные работы по пласту ^ являются наиболее глубоко расположенными.

Породы свиты С52 залегают на породах

свиты С24 . Литологически они представлены такими же разностями пород. Свита С52 представлена своей нижней частью: от известняка К1

до известняка К4 ее мощность составляет около 400 м. Особенностью свиты С52 являются горные выработки по пластам к 2С и к12 . По пласту к 2С горные выработки расположены

на глубине 120.150 м, по пласту к2 - на

глубине до 90 м.

Четвертичные отложения перекрывают породы карбона с явным несогласием. Литологически они представлены суглинками и глинами. В естественном залегании эти отложения, как правило, не обладают просадочными или другими специфическими свойствами. Мощность четвертичных отложений составляет 0.15 м. Местами, по склонам балок, на поверхность выходят породы карбона.

В тектоническом отношении участок сооружения скважин расположен на южном крыле Несветаевской синклинали, которая является одной из самых крупных складчатых структур Восточного Донбасса. Породы карбона имеют здесь пологое наклонное залегание с падением под углом 6о на север. Крупные разрывные нарушения, с амплитудой смещения более 10 м, отсутствуют. Имеют

место мелкие сбросы с амплитудой смещения 1...2 м. Четвертичные отложения залегают на породах карбона практически горизонтально, либо сглажено копируют форму современного рельефа.

Гидрологическое строение участка достаточно сложное: водоносные горизонты содержатся во всех стратиграфических единицах разреза.

В четвертичных отложениях водоносными являются суглинки. Они обводнены в южной части. Коэффициент фильтрации водоносного горизонта четвертичных отложений составляет сотые - тысячные доли метра в сутки.

В каменноугольных отложениях до глубины 100 м, в зоне интенсивного выветривания, водоносными являются все литологи-ческие разности пород. Xарактер фильтрации воды - трещинно-напорный, поровая проницаемость практически отсутствует. Коэффициент фильтрации меняется от сотых до десятых долей метра в сутки, изредка составляя первые метры в сутки. Наиболее проницаемыми являются песчаники и известняки, менее проницаемы различные разновидности сланцев.

Ниже зоны интенсивного выветривания сланцы приобретают характер водоупоров с коэффициентом фильтрации десятки тысячных долей метра в сутки. Песчанники и известняки сохраняют, как правило, фильтрационные свойства.

Трещиноватость пород карбона с глубиной заметно уменьшается. Соответственно уменьшаются и фильтрационные свойства. На глубине 300.450 м коэффициенты фильтрации в песчаниках и известняках редко превышают сотые доли метра в сутки.

В гидрогеологическом разрезе участка содержится четыре техногенных водоносных горизонта. Они связаны с горными работами

по пластам к2, к£, ^ , ^ и зонами их влияния. Техногенные водоносные горизонты характеризуются весьма высокими фильтрационными свойствами: коэффициенты фильтрации составляют сотни-тысячи метров в сутки.

Проектом ТНС предусматривается вскрытие и промышленное освоение техногенных водоносных горизонтов, включающих

горные работы по пластам к2 и кС. Техногенный водоносный горизонт пласта залегает

к2 на глубине 90 м. Почва горизонта проходит, в основном, по почве горных выработок, а кровля определяется мощностью зоны водопроводящих трещин. Мощность этих трещин непостоянна и колеблется в пределах 0,0.60,0 м. На основании опыта геологоразведочных работ можно полагать, что зона водопроводящих трещин в кровле выработок

пласта к12 может быть проведена по кровле известняка К13 , который залегает на 20 м выше пласта к2.

Техногенный горизонт пласта кС залегает на 60.70 м ниже пласта к2 . Его мощность также определяется почвой выработок и мощностью зоны водопроводящих трещин. Верхняя граница зоны этих трещин может быть, в среднем, проведена

по известняку К3, который залегает на 25 м выше пласта кС .

Техногенные горизонты к12 и кС2 гидравлически связаны между собой многочисленными квершлагами и стволами шахт. Они имеют единые зоны питания и разгрузки и, как следствие, единое положение зеркала подземных вод. Питание горизонтов происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, а также за счет фильтрации подземных вод из выше- и нижерасположенных водоносных горизонтов. Разгрузка осуществляется, в основном, на площадке очистных сооружений шахты им. Кирова на отметке +60 м. Суммарный дебит разгрузки этих горизонтов на отметке +60 м составляет 900.1200 м3/ч. В связи с неспособностью очистных сооружений в настоящее время пропускать воду с таким дебитом производится выпуск воды с дебитом 600 м3/ч. В результате этого уровень воды в техногенных водоносных горизонтах составляет около + 80 м.

В качественном отношении подземные воды всех водоносных горизонтов в их естественном залегании (до глубины 450 м) суль-фатно-натриево-кальцивые, слабосолоноватые -с величиной сухого остатка 1.3 г/л, очень жесткие - более 10 мг-экв./л. При этом более минерализованные воды содержатся в нижней части суглинков и в более глубоких горизонтах каменноугольных отложений. Подземные

воды обладают сульфатной агрессией к бетонам на обычном портландцементе.

Подземные воды техногенных водоносных горизонтов относятся к сильносолоноватым (величина сухого остатка - до 10 г/л), кислым (рН около 6) и агрессивным по отношению к бетонам и углеродистой стали. По опыту эксплуатации очистных сооружений шахты им. Кирова химический состав воды техногенных горизонтов подвержен резким колебаниям. Это объясняется неустановившимся характером движения воды по этим горизонтам, незначительным отрезком времени, прошедшим с момента коренного изменения схемы водоотлива в связи с массовой ликвидацией шахт в Новошахтинске.

Термический режим подземных вод на площадке сооружения скважин изучался в период 60-80-х годов прошлого столетия, когда проводились геологоразведочные работы на уголь. Как было установлено при бурении экспериментальной скважины, он характеризуется следующими показателями:

- глубина залегания зоны постоянной температуры - 30 м

- геотермическая ступень

в интервале глубин до 1 400 м - 1,1 оС

- геотермический градиент

на каждые 100 м (д Т500) - 2,2 оС

- средняя температура

на глубине 500 м

21,8 оС

Тюо = Т500 -[(500 -100)/100}ДТюо =

= 21,8 - 4 • 2,2 = 1 3 оС В соответствии с этими параметрами ожидаемое значение температуры шахтных вод на глубине 100 м составляет:

Вычисление статического уровня воды дало значение его глубины 54 м. При проектном дебите скважин 60 м3 / ч расчетное понижение уровня воды в водозаборной скважине составляет 5 м. Расчетное повышение уровня в сбросной скважине - 50 м.

Полученные сведения были положены в основу разработки проекта ТНС в Новошах-тинске.

Горно-геологический разрез по проектируемым скважинам показан на рисунке 2. Запланировано использование техногенного

водоносного горизонта в пласте к С для водозабора, а горизонта к 2 - для сброса шахтных

вод. Проектом предусмотрена следующая конструкция скважин.

Водозаборные скважины:

- фильтровая колонна из труб 0=159 мм из нержавеющей стали; интервал установки

фильтровой колонны - 85___115 м; фильтр -

щелевой; скважность фильтра - 10 %;

- обсадная колонна из труб 0=219 мм из нержавеющей стали; интервал установки - 0_90 м; башмак обсадной колонны цементируется;

- обсадная колонна из труб 0=273 мм; интервал установки - 0_ 12 м; затрубное пространство цементируется на всю длину колонны.

Водосбросная скважина:

- фильтровая колонна из труб 0=108 мм; интервал установки 0_55 м; щелевой фильтр 0=108 мм в интервале глубин 50_55 м;

- обсадная колонна из труб 0=273 мм; интервал установки - 0_ 12 м; затрубное пространство цементируется на всю высоту колонны.

Над водозаборными скважинами запроектировано сооружение подземных камер из сборных железобетонных стеновых колец внутренним диаметром 2 м. Высота камеры - 2,4 м. Фундамент - бетонный монолитный толщиной 800 мм. Плиты перекрытия - железобетонные. В камере размещаются герметизированный оголовок, трубные подключения с соответствующей арматурой, приборы контроля давления и расхода воды в водоводах, контроля температуры и уровня воды в скважине, соединения внешних силовых и контрольных кабелей с подводными кабелями, опускаемыми в скважины вместе с насосами. В водозаборные скважины на глубину 80 м погружаются насосы типа 8Р60-14М фирмы 0Яи№0Р08, выполненные из нержавеющей стали, устойчивой к воздействию агрессивных шахтных вод. В скважинах насосы размещаются на глубине 80 м в трубах 0=219 мм. К насосу подключаются колонны водоподъемных насосно-компрессорных труб 0=114 мм с муфтовыми соединениями. К насосам также крепятся страховочные тросы, выводимые в оголовки скважин.

В точках проектного размещения скважин было выполнено разведочное бурение минимальным диаметром 93 мм. Выполнение комплекса предварительных геофизических и гидродинамических исследований на разведочных скважинах подтвердило правильность ис-

песчаники;

Рис.2. Проектный геолого-технический разрез:

- покровные отложения;

- сланцы глинистые;

- сланцы песчанные;

уголь;

горные выработки

О

ходных данных для проектирования, попадание скважин в необходимые водоносные горизонты в горных выработках, соответствие литологического прогноза полученным результатам и возможность обеспечения требуемых значений дебита шахтной воды.

Разведочные скважины планируется далее трансформировать в эксплуатационные методом разбуривания с установкой соответствующих фильтровых и обсадных колонн, как было показано выше.

Таким образом, детальное изучение литоло-гических характеристик района размещения теп-лонасосной станции в Новошахтинске позволило с достаточной степенью точности определить оптимальные точки бурения для сооружения водозаборных и сбросной скважин. При этом все затраты на литологические исследования окупились достигнутой минимальной капиталоемкостью этих дорогостоящих скважин.

Сооружаемая в Новошахтинске теплона-сосная станция обеспечит отопление и горячее водоснабжение целого городского района с больницами, школами, детскими садами и другими социальными объектами. При этом будут закрыты восемь котельных, работающих на угле, что позволит во много раз сократить выбросы в атмосферу дымовых газов с такими вредными веществами как оксиды углерода серы и азота, бенз(а)пирен, зольная пыль и пр. В атмосфере города удастся сохранить сотни тысяч тонн кислорода, предотвратить выпадение разрушительных кислотных дождей. Одновременно окажется возможным значительно улучшить условия труда обслуживающего персонала тепловых сетей: новая станция теплоснабжения будет автоматизирована, и тяжелый физический труд кочегаров угольных котельных будет упразднен.

В связи с реструктуризацией угольной промышленности России в различных угольных бассейнах было закрыто большое число (несколько сотен) угольных шахт. Большинство из них затоплено шахтными водами, которые по своей природе являются носителями теплового потенциала Земли. Приведенные в настоящей статье сведения и полученные на сегодня экспериментальные данные позволяют считать, что боль-

шинство затопленных шахт, независимо от районов их расположения, представляют собой потенциальные объекты для развития теплоэнергетики. Опыт строительства Новошахтинской ТЭС, что немаловажно, позволит уточнить экономические параметры функционирования станций такого типа. Тем не менее, уже сейчас вполне уверенно можно рекомендовать распространение и развитие опыта строительства ТЭС с использованием природного тепла шахтных вод. Все вышеперечисленные параметры рассчитаны для конкретных лито-логических углевмещающих пород Восточного Донбасса с изменением состава и строения продуктивной толщи в других угольных бассейнах. Возможно, обнаружатся новые обстоятельства, которые следует учитывать в будущем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зервос А., Линс А., Шафер О. Половина энергии от возобновляемых источников энергии к 2040 году - амбициозные прогнозы, которые могут стать реальностью // Возобновляемая энергетика. 2004. июль. С. 10-12.

2. Безруких П.П., Арбузов Ю.Д., Борисов Г.А. и др. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб., 2002.

3. Попель О.С., Чернявский А.А. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Южном Федеральном округе России // Возобновляемая энергетика XXXI столетия: Мат-лы VIII междунар. конф. Крым 2007. Киев, 2007. С. 29-33.

3 октября 2007 г.